KR20200034494A

KR20200034494A - 가스 포일 베어링

Info

Publication number: KR20200034494A
Application number: KR1020180114360A
Authority: KR
Inventors: 최종원
Original assignee: 한화파워시스템 주식회사
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-03-31
Also published as: KR102605704B1

Abstract

본 발명은 가스 포일 베어링에 관한 것이다. 본 발명은, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 일면에 복수 개로 배치되는 범프 포일(Bump foil), 및 상기 범프 포일을 각각 커버하도록 배치되는 복수개의 랜드 플레이트를 포함하고, 상기 범프 포일 및 상기 랜드 플레이트 중 적어도 하나는 외면에서 돌출되는 돌기 또는 외면에서 함몰되는 딤플을 가진다.

Description

가스 포일 베어링{Gas foil bearing}

본 발명은 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 포일 베어링에 관한 것이다.

통상적으로 회전체를 축 방향 또는 반경 방향으로 지지하기 위해서 가스 포일 베어링이 적용될 수 있다. 이러한 가스 포일 베어링은 기존의 볼 베어링이나 저널 베어링과 같이 유막을 이용하여 축을 지지하는 방식이 아니고, 가스 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 베어링이다.

가스 포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전체를 지지하는데 효과적이다. 예를 들면, 가스 포일 베어링은 가스 터빈 엔진의 터보 압축기 등에 적용될 수 있다. 가스 터빈 엔진에서는 연료의 연소를 위해서 압축공기를 필요로 하므로, 공기를 압축시키기 위한 터보 압축기가 구비된다. 터보 압축기에서 압축된 공기는 연료의 연소를 위해서 주로 사용되지만 일부 압축공기를 이용하여 가스 포일 베어링에 공급할 수 있으므로, 터보 압축기의 임펠러 축이나 가스 터빈 엔진의 회전축을 가스 포일 베어링으로 지지할 수 있다.

한국 등록 특허 제10-0365806호에는 강성을 향상시킨 가스 포일 베어링을 개시하고 있다.

한국 등록 특허 제10-0365806호

본 발명의 실시예들은 냉각성능이 향상된 가스 포일 베어링을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면은 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 일면에 복수 개로 배치되는 범프 포일(Bump foil), 및 상기 범프 포일을 각각 커버하도록 배치되는 복수개의 랜드 플레이트를 포함하고, 상기 범프 포일 및 상기 랜드 플레이트 중 적어도 하나는 외면에서 돌출되는 돌기 또는 외면에서 함몰되는 딤플을 가지는 가스 포일 베어링을 제공한다.

또한, 상기 돌기 또는 상기 딤플은 상기 베이스 플레이트와 상기 범프 포일이 형성하는 제1 터널의 내측면에 배치될 수 있다.

또한, 상기 돌기 또는 상기 딤플은 상기 범프 포일과 상기 랜드 플레이트가 형성하는 제2 터널의 내측면에 배치될 수 있다.

또한, 상기 랜드 플레이트에는 상기 돌기 또는 상기 딤플이 배치되지 않는다.

또한, 상기 돌기 또는 상기 딤플은 상기 범프 포일과 상기 베이스 플레이트가 접촉하지 않는 영역에 배치된다.

본 발명의 실시예들은 구동시에 발생하는 가스 포일 베어링의 열을 신속하고 효과적으로 제거할 수 있어 내구성을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 포일 베어링의 평면도이다.
도 2는 도 1의 일부를 확대하여 도시한 부분 사시도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 가스 포일 베어링의 구동 상태를 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 1의 가스 포일 베어링이 설치된 유체 기계를 도시하는 단면도이다.
도 6은 도 5의 A 영역의 확대도이다.

본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 포일 베어링(100)의 평면도이고, 도 2는 도 1의 일부를 확대하여 도시한 부분 사시도이고, 도 3 및 도 4는 도 1의 가스 포일 베어링의 구동 상태를 도시하는 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 가스 포일 베어링(100)은 베이스 플레이트(110), 범프 포일(120) 및 랜드 플레이트(130)를 구비할 수 있다.

베이스 플레이트(110)는 중앙에는 로터가 삽입되는 개구를 가지며, 환형의 플레이트 형상을 가질 수 있다. 베이스 플레이트(110)의 외측에는 복수개의 결합홈(111)에 조인트부(미도시)가 설치되어, 베이스 플레이트(110)는 유체 기계의 하우징과 같은 외부 구조물에 고정될 수 있다.

범프 포일(bump foil, 120)은 베이스 플레이트(110)의 일면에 복수개로 배치된다. 범프 포일(120)은 기 설정된 간격을 유지하면서 방사형으로 배치될 수 있다. 범프 포일(120)은 베이스 플레이트(110)와 랜드 플레이트(130) 사이에 배치된다. 범프 포일(120)은 베이스 플레이트(110)에 고정되는 커넥터(121), 커넥터(121)에서 연장되며 만곡되게 형성되는 복수개의 범프를 구비할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 3개의 범프(bump)가 반경 방향으로 나란하게 배치된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

제1 범프(122)는 베이스 플레이트(110)의 내측에 배치되고, 랜드 플레이트(130)와 접촉하도록 볼록한 제1 볼록부(122a)와, 베이스 플레이트(110)의 일면과 접촉하는 제1 오목부(122b)와, 이를 연결하는 제1 경사부(122c)를 구비할 수 있다. 제2 범프(123)는 제1 범프(122)에서 이웃하게 배치되고, 랜드 플레이트(130)와 접촉하도록 볼록한 제2 볼록부(123a)와, 베이스 플레이트(110)의 일면과 접촉하는 제2 오목부(123b)와, 이를 연결하는 제2 경사부(123c)를 구비할 수 있다. 또한, 제3 범프(124)는 제2 범프(123)에서 이웃하게 배치되고, 랜드 플레이트(130)와 접촉하도록 볼록한 제3 볼록부(124a)와, 베이스 플레이트(110)의 일면과 접촉하는 제3 오목부(124b)와, 이를 연결하는 제3 경사부(124c)를 구비할 수 있다.

이웃하는 범프 사이에는 슬롯(125)이 배치된다. 구체적으로, 제1 범프(122)와 제2 범프(123) 사이에는 제1 슬롯(125a)이 배치되고, 제2 범프(123)와 제3 범프(124) 사이에는 제2 슬롯(125b)이 배치되어 각각의 범프에 독립적인 탄성력이 형성될 수 있다.

범프 포일(120)에서 반경방향의 외측에 배치된 제3 범프(124)가 가장 길고, 반경방향의 내측에 배치된 제1 범프(122)가 가장 짧은 길이를 가질 수 있다. 예컨대. 제1 범프(122), 제2 범프(123) 및 제3 범프(124)의 순서대로 길이가 증가할 수 있다. 도 2에서 제1 범프(122)는 하나의 제1 볼록부(122a)를 가지고, 제2 범프(123)는 두개의 제2 볼록부(123a)를 가지며, 제3 범프(124)는 세개의 제3 볼록부(124a)를 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 범프 포일(120)의 설치 위치에 따라서 제1 범프(122), 제2 범프(123) 및 제3 범프(124)가 다양한 설정된 길이를 가질 수 있다.

도2 에서 보면, 제1 범프(122), 제2 범프(123) 및 제3 범프(124)는 단차 지도록 형성되나 본 발명의 가스 포일 베어링(100)은 이에 한정되지 않으며, 부채꼴 형태를 가질 수 있다.

랜드 플레이트(130)는 범프 포일(120)을 각각 커버하도록 배치된다. 랜드 플레이트(130)는 각각의 범프 포일에 대응하게 배치된다. 랜드 플레이트(130)의 일측은 베이스 플레이트(110)에 고정되는 고정부(131)를 가질 수 있고, 고정부(131)에서 연장되는 랜딩부(132)를 가질 수 있다. 고정부(131)는 용접 등의 방법으로 베이스 플레이트(110)에 고정된다. 랜드 플레이트(130)의 타측은 범프 포일(120)의 커넥터(121)를 향하여 연장된다. 랜드 플레이트(130)의 타측은 커넥터(121)의 상단에 배치되고, 범프 포일(120)과 접촉 가능하도록 배치된다.

랜드 플레이트(130)는 일측이 베이스 플레이트(110)에 일면에 고정되어 타측으로 연장되고, 범프 포일(120)은 랜드 플레이트(130)의 타측에 대응하는 상기 베이스 플레이트(110)의 일면 고정되어 랜드 플레이트(130)의 일측으로 연장된다. 다른 실시예로, 범프 포일(120)은 랜드 플레이트(130)의 일측(130a)에 대응하는 상기 베이스 플레이트(110)의 일면에 고정되어 랜드 플레이트(130)의 타측(130a)로 연장될 수 있다.

범프 포일(120) 및 랜드 플레이트(130) 중 적어도 하나는 외면에서 돌출되는 돌기(P) 또는 외면에서 함몰되는 딤플(D)을 구비할 수 있다.

돌기(P) 및/또는 딤플(D)의 배치는 가스 포일 베어링(100)의 동작에 영향을 미치므로, 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 아래와 같이 베이스 플레이트(110)와 범프 포일(120)의 특정 영역에 형성될 수 있다.

범프 포일(120)의 오목부와 볼록부에 의해서, 가스 포일 베어링(100)은 베이스 플레이트(110)와 범프 포일(120)에 의해서 정의되는 제1 터널(T1)을 구비한다. 또한, 가스 포일 베어링(100)은 범프 포일(120)과 랜드 플레이트(130)에 의해서 정의되는 제2 터널(T2)을 구비한다. (도 3 및 4를 참조)

범프 포일(120)의 제1 오목부(122b) 내지 제3 오목부(124b)는 베이스 플레이트(110)와 접촉한다. 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 제1 터널(T1)의 내측면에 배치될 수 있다.

가스 포일 베어링(100)이 미구동시에는 범프 포일(120)의 제1 오목부(122b) 내지 제3 오목부(124b)는 베이스 플레이트(110)의 C1영역에 접촉한다. 가스 포일 베어링(100)이 구동하면, 범프 포일(120)의 변형에 의해서 제1 오목부(122b) 내지 제3 오목부(124b)의 접촉 영역은 C2 영역으로 변화한다.

베이스 플레이트(110)에서는 범프 포일(120)의 변형에 의해서, 범프 포일(120)이 베이스 플레이트(110)와 접촉하지 않는 영역(J1, J2, J3)에 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치될 수 있다.

베이스 플레이트(110)에서는 범프 포일(120)의 오목부가 접촉하지 않는 영역에 돌기(P)나 딤플(D)이 배치되므로, 범프 포일(120)이 변형시에 범프 포일(120)의 접촉면은 간섭 없이 베이스 플레이트(110)를 따라 이동할 수 있다.

범프 포일(120)은 베이스 플레이트(110)와 접촉하지 않는 면이나, 랜드 플레이트(130)와 접촉하지 않는 면에 돌기(P)나 딤플(D)이 형성될 수 있다.

범프 포일(120)의 제1 볼록부(122a) 내지 제3 볼록부(124a)는 랜드 플레이트(130)와 접촉한다. 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 제2 터널(T2)의 내측면에 배치될 수 있다.

베이스 플레이트(110)와 마주보는 볼록부의 하면과 경사부의 하면에는 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치될 수 있다. 또한, 랜드 플레이트(130)와 마주보는 오목부의 상면과 경사부의 상면에는 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치될 수 있다. 특히, 랜드 플레이트(130)와 접촉하는 영역(C3)에는 돌기(P)나 딤플(D)이 배치되지 않으므로, 변형 시에 범프 포일(120)은 돌기(P)나 딤플(D)의 간섭 없이 랜드 플레이트(130)를 따라 이동할 수 있다.

다른 실시예로써, 범프 포일(120)의 커넥터(121)의 상부에는 돌기(P)나 딤플(D)이 배치되지 않는다. 커넥터(121)의 상부에는 랜드 플레이트(130)의 단부가 배치되어 끝단은 지지되지 않는다. 랜드 플레이트(130)의 단부는 유체의 정체 없이 빠르게 배출되므로, 랜딩부(132)의 진동이나 손상을 줄일 수 있다.

랜드 플레이트(130)에는 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치되지 않을 수 있다. 가스 포일 베어링(100)이 구동시에 외부 유체는 랜드 플레이트(130)와 접촉하므로, 랜드 플레이트(130)의 편평하게 유지하는 것이 중요하다. 돌기(P) 및/또는 딤플(D)에 의해서 랜드 플레이트(130)가 울퉁불퉁하게 형성될 수 있으며, 구동시에 절곡되거나 구겨질 수 있으므로, 랜드 플레이트(130)에는 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치되지 않는다.

돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 제1 터널(T1) 또는 제2 터널(T2)과 같이 반경방향의 터널에 형성되므로, 이를 통과하는 유체의 유동을 변화시킬 수 있다. 가스 포일 베어링(100)이 구동되면, 유체는 랜드 플레이트(130)를 따라 이동하는 제1 유동뿐만 아니라, 베이스 플레이트(110)와 랜드 플레이트(130) 사이의 제2 유동에 의해서 이동한다. 즉, 유체는 베이스 플레이트(110)와 범프 포일(120)이 형성하는 제1 터널(T1)과, 범프 포일(120)과 랜드 플레이트(130)가 형성하는 제2 터널(T2)을 통과한다.

제1 터널(T1) 또는 제2 터널(T2)을 통과하는 유체는, 즉 반경방향의 제2 유동은 가스 포일 베어링(100)에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있다. 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 터널 형상의 스페이스에서 유체가 접촉하는 표면적을 증가하여, 열이 교환되는 면적을 증가시킨다. 또한, 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 유체의 유동을 난류(亂流)로 변경시켜서 열이 효과적으로 전달 될 수 있다.

도 5는 도 1의 가스 포일 베어링(100)이 설치된 유체 기계(1)를 도시하는 단면도이고, 도 6은 도 5의 A 영역의 확대도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 유체 기계(1)는 로터(10), 임펠러 조립체(20), 하우징(30) 및 가스 포일 베어링(100)을 구비할 수 있다.

로터(10)는 길이방향을 회전축으로 회전할 수 있으며, 로터(10)의 단부에는 임펠러 조립체(20)가 설치될 수 있다. 로터(10)는 외주면에서 반경방향으로 연장되고, 로터(10)의 길이 방향으로 임펠러 조립체(20)와 이격된 디스크(15)를 구비할 수 있다. 로터(10)가 회전하면, 임펠러 조립체(20) 및 디스크(15)도 회전한다.

임펠러 조립체(20)는 로터(10)에 결합되는 블레이드(21)와, 블레이드(21)를 감싸는 쉬라우드(22)를 구비할 수 있다. 임펠러 조립체(20)는 외부에서 유입된 유체를 가압시킬 수 있다. 블레이드(21)에서 토출된 일부는 디스크(15) 및 가스 포일 베어링(100)을 따라 이동할 수 있다.

하우징(30)은 로터(10)의 외측을 감싸도록 배치된다. 하우징(30)은 디스크(15)와 기 설정된 간격(G)을 가지면서, 디스크(15)를 감싸도록 배치된다. 하우징(30)은 쉬라우드(22)에 고정되며, 임펠러 조립체(20)와 디스크(15) 사이의 상기 간격(G)에 십입되는 서포터(35)를 구비할 수 있다. 서포터(35)는 하우징(30)과 일체로 형성될 수 있다.

서포터(35)의 제1 부분(35a)은 임펠러 조립체(20)와 하우징(30)을 연결하도록 플랫하고, 제2 부분(35b)은 상기 간격(G)에 삽입되며 유체의 유동을 안내하는 경사면을 가질 수 있다.

가스 포일 베어링(100)은 디스크(15)와 하우징(30)의 간격(G)에 개재된다. 한 쌍의 가스 포일 베어링(100)은 디스크(15)의 양면에 배치되어, 디스크(15)와 하우징(30)을 연결하거나, 디스크(15)가 회전하도록 간극(g)을 형성할 수 있다.

도 5 내지 도 6을 참조하면, 유체 기계가 구동시에 임펠러 조립체(20)로 유입된 유체는 고압의 유체로 변환되어 쉬라우드(22)를 통해서 배출된다. 블레이드(21)를 통과한 고압 유체 중 일부는 서포터(35)의 제1 부분(35a)과 임펠러 조립체(20)에 의해 형성된 제1 유로(P1)에 유입되고, 서포터(35)의 제2 부분(35b)을 따라 이동한다. 유체는 제2 부분(35b)의 경사면을 따라 로터(10)를 향하도록 이동할 수 있다.

유체는 제3 유로(P3)를 따라 반경 방향으로 이동하면서 가스 포일 베어링(100)을 통과하고, 제4 유로(P4)에서 디스크(15)를 따라 유동 방향이 전환되고, 제5 유로(P5)를 따라 다른 가스 포일 베어링을 통과하여 배출된다.

가스 포일 베어링(100)은 디스크(15)와 하우징(30) 또는 디스크(15)와 서포터(35)의 상대적인 회전을 허용한다. 디스크(15)가 회전하면 유체는 랜드 플레이트(130)의 상면을 따라 이동하는 제1 유동(AF1)을 형성한다. 통과하는 유체는 랜드 플레이트(130)를 아래 방향으로도 가력하므로, 범프 포일(120)은 변형된다.

동시에, 베이스 플레이트(110)와 랜드 플레이트(130) 사이에 형성된 제1 터널(T1)과 제2 터널(T2)을 통과하는 제2 유동(AF2)이 형성된다. 제2 유동(AF2)은 반경방향으로 유동이 형성되므로, 유체 기계(1)가 구동시에 가스 포일 베어링(100)에서 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있다.

통상적으로 가스 포일 베어링의 구동시에 발생하는 열은 랜드 플레이트 위를 통과하는 제1 유동에 의해서 외부로 배출된다. 랜드 플레이트(130)의 아래에 배치된 범프 포일(120)과 베이스 플레이트(110) 사이의 공간에는 제1 유동(AF1)보다 상대적으로 많은 양의 제2 유동(AF2)이 이동한다. 제1 유동(AF1)은 발열 부분과 직접 접촉방식으로 열교환하나, 제2 유동(AF2)는 발열 부분과 간접 접촉방식으로 열교환한다. 제2 유동(AF2)은 유동량은 많으나, 간접 접촉 방식이여서 열을 신속하게 제거하는데 한계가 있다.

그러나, 본원 발명의 가스 포일 베어링(100) 및 이를 적용한 유체 기계(1)는 베이스 플레이트(110), 범프 포일(120)에 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 형성되어 있으므로, 열 교환 면적을 증가시킨다. 열 교환 면적이 증가되면, 베이스 플레이트(110)나 범프 포일(120)에서 생성된 열을 효과적으로 배출할 수 있다.

또한, 베이스 플레이트(110)와 범프 포일(120) 사이에 배치된 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 제2 유동(AF2)의 속도를 감소시킨다. 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 유체의 흐름을 방해하므로, 제2 유동(AF2)은 천천히 흐르게 되고, 충분한 열교환을 할 수 있다.

본원 발명의 가스 포일 베어링(100) 및 이를 적용한 유체 기계(1)는 범프 포일(120)의 구동을 고려하여 유효 적절한 위치에 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치된다. 가스 포일 베어링(100)이 구동되더라도, 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 범프 포일(120)의 이동을 방해하지 않고 신속하게 구동될 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

1: 유체 기계
100: 가스 포일 베어링
110: 베이스 플레이트
120: 범프 포일
130: 랜드 플레이트

Claims

베이스 플레이트;
상기 베이스 플레이트의 일면에 복수 개로 배치되는 범프 포일(Bump foil); 및
상기 범프 포일을 각각 커버하도록 배치되는 복수개의 랜드 플레이트;를 포함하고,
상기 범프 포일 및 상기 랜드 플레이트 중 적어도 하나는 외면에서 돌출되는 돌기 또는 외면에서 함몰되는 딤플을 가지는, 가스 포일 베어링.
제1 항에 있어서,
상기 돌기 또는 상기 딤플은
상기 베이스 플레이트와 상기 범프 포일이 형성하는 제1 터널의 내측면에 배치되는, 가스 포일 베어링.
제1 항에 있어서,
상기 돌기 또는 상기 딤플은
상기 범프 포일과 상기 랜드 플레이트가 형성하는 제2 터널의 내측면에 형성되는, 가스 포일 베어링.
제3 항에 있어서,
상기 랜드 플레이트에는 상기 돌기 또는 상기 딤플이 배치되지 않는, 가스 포일 베어링.
제1 항에 있어서,
상기 돌기 또는 상기 딤플은
상기 범프 포일과 상기 베이스 플레이트가 접촉하지 않는 영역에 배치되는, 가스 포일 베어링.