KR20200122498A - 반경하중 지지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반경하중 지지 장치에 관한 것으로서, 임펠러의 후면에 결합되어, 상기 임펠러와 일체로 회전하는 샤프트; 및 상기 샤프트의 반경방향 하중을 지지하는 지지하는 포일 래디얼 베어링을 포함하는 반경하중 지지 장치로서, 상기 포일 래디얼 베어링은 상기 샤프트의 외주면 중 적어도 일부분과 대향하도록, 상기 포일 래디얼 베어링의 내주면에 배치되는 탑포일을 포함하고, 상기 탑포일과 대향하는 상기 샤프트의 외주면에는 냉각 기체가 유동할 수 있는 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되는, 반경하중 지지 장치이다.
본 발명에 따르면, 포일 래디얼 베어링의 내주면과 대향하는 샤프트의 외주면에 냉각 기체의 유동을 위한 그루브를 형성함으로써, 추가적인 냉각 장치의 설치 없이도 샤프트를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 반경하중 지지 장치를 제공할 수 있다.

Description

반경하중 지지 장치{Radial Force Support Apparatus}

본 발명은 임펠러와 일체로 고속 회전하는 샤프트의 냉각 효과를 향상시킨 반경하중 지지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 샤프트의 외주면에 냉각 기체의 유로가 형성된 반경하중 지지 장치에 관한 것이다.

베어링(Bearing)은 압축기, 펌프, 터빈 등 로터(rotor, 회전체)를 포함하는 터보장치에서 샤프트의 하중을 지지하되, 샤프트와의 마찰을 최소화하여 로터의 회전 운동이 원활이 이루어지도록 돕는 장치이다. 특히 샤프트의 반경 방향 하중을 지지하기 위한 베어링을 래디얼 베어링(radial bearing)이라고 한다.

래디얼 베어링은 샤프트의 외경을 둘러싸는 환형으로 형성되고, 래디얼 베어링의 중심을 샤프트가 관통하는 형태로 설치된다. 따라서 래디얼 베어링은 샤프트의 위치를 고정시키고, 샤프트가 고속으로 회전하면서 반경방향으로 움직일 때 전달되는 하중을 지지한다.

가스 포일 래디얼 베어링(gas foil radial bearing, 이하 포일 래디얼 베어링이라 칭한다.)은 베어링과 샤프트 사이에 유막(oil flim)이 아닌 고압의 공기층(air film)을 형성하여 샤프트의 하중을 지지하는 베어링이다.

도 1 및 도 2는 종래의 포일 래디얼 베어링이 샤프트에 설치된 모습을 도시한 횡단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 범프 타입 포일 베어링(20)은 샤프트(10)와의 사이에서 고압의 기체막을 형성하는 탑포일(23) 및 탑포일(23)의 하부에서 탑포일(23)을 지지하는 범프 포일(22)을 포함한다(도 1). 리프 타입 포일 베어링(30)의 탑 포일(32) 역시 샤프트(10)와의 사이에서 기체막을 형성하되, 리프 타입 포일 베어링(30)은 복수의 탑포일(32)이 서로 중첩되는 형태로 설치된다(도 2). 리프 타입 포일 베어링(30)의 탑 포일(32)의 하부에는 탑 포일(32)의 지지를 위한 판 스프링(미도시)가 구비될 수 있다.

이처럼, 범프 타입 포일 래디얼 베어링(20) 및 리프 타입 포일 래디얼 베어링(30) 모두 샤프트(10)와 대향하여 배치되며, 샤프트(10)와의 사이에서 고압의 기체막을 형성하는 탑 포일(23, 32)을 포함한다. 이 고압의 기체막이 샤프트(10)로부터 전달되는 반경 방향 하중을 지지하는 역할을 한다. 포일 래디얼 베어링(20, 30)은 기체막을 이용하여 하중을 지지하므로, 유막을 이용하여 하중을 지하는 볼 베어링 등에 비해 하중 지지효과가 뛰어나다. 따라서 고속으로 회전하는 터보기계에 주로 사용된다.

고속으로 회전하는 샤프트(10)는 과열되기 쉽다. 샤프트(10)의 온도가 상승하면, 샤프트(10)와 인접하여 설치되는 베어링의 파손이 야기될 수 있고, 이는 터보 장치의 정상 구동을 방해하는 심각한 문제로 이어질 수 있다.

따라서 회전하는 샤프트(10)를 냉각시키기 위하여, 종래의 터보장치는 별도의 냉각 기체를 주입하는 장치를 추가적으로 구비하였다. 그러나 별도의 냉각 장치를 구비하는 방법은 비용의 상승을 초래한다는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위하여 베어링의 하우징(21, 31)에 통공을 형성하여 하우징의 내부로 냉각 기체를 유입시키는 방법을 사용한 종래의 터보 장치가 있으나, 이러한 방법은 냉각 기체가 발열체인 샤프트(10)의 근접 위치로 유입되는 것이 아니므로 냉각 효율이 낮다는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 10-2003-0029231

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 추가적인 냉각 장비의 설치 없이 샤프트의 과열을 방지하는 반경하중 지지 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 반경하중 지지 장치는, 임펠러의 후면에 결합되어, 상기 임펠러와 일체로 회전하는 샤프트; 및 상기 샤프트의 반경방향 하중을 지지하는 지지하는 포일 래디얼 베어링을 포함하는 반경하중 지지 장치로서, 상기 포일 래디얼 베어링은 상기 샤프트의 외주면 중 적어도 일부분과 대향하도록, 상기 포일 래디얼 베어링의 내주면에 배치되는 탑포일을 포함하고, 상기 탑포일과 대향하는 상기 샤프트의 외주면에는 냉각 기체가 유동할 수 있는 적어도 하나 이상의 그루브가 형성될 수 있다.

또한, 상기 그루브는 곡선으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 곡선으로 형성되는 그루브는, 상기 임펠러에서 상기 샤프트를 향하는 방향으로 바라볼 때, 상기 샤프트의 회전 방향과 반대 방향으로 휘어진 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 그루브는 직선으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 직선으로 형성되는 그루브는, 상기 샤프트의 축방향으로 형성된 직선을 상기 샤프트의 회전 방향과 반대 방향으로 기울어진 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 그루브의 횡단면은 반원, 사각형 또는 삼각형 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 그루브의 양단에는 상기 탑포일과 중첩되지 않는 개방부가 형성될 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따른 반경하중 지지 장치는 추가적인 냉각 장치의 설치 없이도 샤프트의 베어링 설치부를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 포일 래디얼 베어링이 샤프트에 설치된 모습을 도시한 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반경하중 지지 장치의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치에서 냉각 기체의 유동 방향을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치를 샤프트의 전방에서 바라본 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치를 샤프트의 후방에서 바라본 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방식은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

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 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치의 횡단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반경하중 지지 장치의 횡단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치는 임펠러(400)의 후면에 결합되어, 상기 임펠러(400)와 일체로 고속 회전하는 샤프트(100); 및 상기 샤프트(100)의 반경방향 하중을 지지하는 지지하는 포일 래디얼 베어링(200)을 포함하는 반경하중 지지 장치로서, 상기 포일 래디얼 베어링(200)은 상기 샤프트(100)의 외주면 중 적어도 일 부분과 대향하도록 배치되는 탑 포일(230)을 포함하고, 상기 탑 포일(230)과 대향하는 상기 샤프트(100)의 외주면에는, 냉각 기체가 유동할 수 있는 적어도 하나 이상의 그루브(110)가 형성될 수 있다.

임펠러(400)는 고속으로 회전하면서 외부의 기체를 흡입하여 저속 고압의 기체로 압축한다. 이때 샤프트(100)는 임펠러(400)의 후면에 결합하여 임펠러(400)와 일체로 회전하며, 모터의 동력을 임펠러(400)에 전달하는 역할을 한다.

이처럼 고속으로 회전하는 샤프트(100)의 반경 방향의 하중(radial force)을 지지하고 샤프트(100)의 위치를 고정시키기 위하여 래디얼 베어링이 사용된다. 이하에서는 반경 방향의 하중을 반경하중이라 칭한다. 반경하중을 지지하기 위한 래디얼 베어링은, 샤프트(100)의 외주면 중 일부분을 샤프트(100)의 외경을 따라 환형으로 감싸는 형상으로 설치된다.

본 발명의 반경하중 지지 장치는 포일 래디얼 베어링(200, 300)을 포함할 수 있다. 포일 베어링은 회전하는 샤프트(100)와의 사이에 유막(oil flim) 대신 기체막(air flim)을 형성하여 베어링에 전달되는 하중을 지지하는 베어링이다. 포일 베어링은 범프 타입(bump type)과 리프 타입(leaf type)으로 분류된다.

범프 타입 포일 베어링(200)은 샤프트(100)와의 사이에서 고압의 기체막을 형성하는 탑 포일(230)이 샤프트(100)의 외주면과 대향하도록 설치된다(도 3). 탑 포일(230)의 하부에는 골판지 형상의 범프 포일(220)이 설치되고, 범프 포일(220)은 샤프트(100)의 움직임에 따라 탑 포일(230)이 압착될 때 탑 포일(230)을 지지하는 역할을 한다. 샤프트(100)는 고속으로 회전함에 따라 열을 발생시키게 되는데, 샤프트(100)의 온도가 일정 기준 이상으로 상승하면 샤프트(100)와 인접하여 설치된 베어링의 파손을 야기할 수 있다. 베어링의 파손은 압축기 자체의 기능 상실로 이어질 수도 있으므로, 이러한 문제를 방지하기 위하여 샤프트(100)와 베어링 사이의 발열부를 냉각시킬 필요가 있다.

탑 포일(230)과 샤프트(100) 사이에 형성되는 공기층은 샤프트(100)의 하중을 지지하는 역할을 하는 동시에 샤프트(100)를 냉각시키는 역할을 할 수도 있다. 따라서 기체막이 두껍게 형성되면 냉각 효과가 향상될 수 있다. 그러나, 기체막의 두께가 일정 기준을 초과하면 기체 층이 충분한 압력을 확보하지 못해, 래디얼 베어링이 반경하중을 지지하는 데에 어려움이 발생할 수 있다. 따라서 샤프트(100)의 반경하중 지지라는 래디얼 베어링의 설치 목적을 고려할 때, 탑 포일(230)과 샤프트(100) 사이의 이격은 일정 범위 이하로 유지되어야만 한다.

이처럼 발멸체인 샤프트(100)와 직접 접촉하는 유동기체 즉, 탑 포일(230)과 샤프트(100) 사이를 유동하는 기체는 냉각 효율이 높은 반면, 확보할 수 있는 유동량에 한계가 있다. 상술한 바와 같이 기체막에 얇게 형성되어야 높은 압력으로 샤프트(100)를 지지할 수 있기 때문이다. 반면, 범프 포일(220) 사이사이를 유동하는 기체는 상대적으로 많은 유동량을 확보할 수 있지만, 발열체인 샤프트(100)와의 거리가 멀기 때문에 냉각 효율이 떨어진다. 따라서 샤프트(100)와 탑 포일(230) 사이를 유동하는 냉각 기체의 양을 증가시키는 것이 샤프트(100)의 과열 방지에 더 직접적인 해결책이 될 수 있다.

이를 위하여 본 발명의 반경하중 지지 장치는, 샤프트(100)와 탑 포일(230) 사이의 이격거리는 유지하면서도, 샤프트(100)와 탑 포일(230) 사이를 유동하는 냉각 기체의 양을 증가시키기 위해 샤프트(100)의 외주면에 적어도 하나 이상의 그루브(110)를 구비할 수 있다. 샤프트(100)의 외주면에 형성되는 그루브(110)는, 포일 래디얼 베어링(200)의 탑 포일(230)과 대향하는 부분에 형성된다. 이처럼 샤프트(100)의 외주면에 냉각 기체의 유로가 되는 그루브(110)를 형성함으로써, 본 발명의 반경하중 지지 장치는 추가적인 냉각 장치를 설치하지 않고도 샤프트(100) 상에서 래디얼 베어링이 설치된 부분의 과열을 방지할 수 있다.

리프 타입 포일 베어링(300)은 복수의 탑 포일(320)이 각각 샤프트(100)의 외주면과 대향하도록 설치되며, 각각의 탑 포일(320)은 서로 중첩되는 구조로 배치된다(도 4). 범프 타입 포일 베어링(200)과 마찬가지로, 리프 타입 포일 베어링(300)도 탑 포일(320)과 샤프트(100)의 사이에 고압의 기체막을 형성하고, 기체막이 샤프트(100)의 회동에따라 베어링으로 전달되는 하중을 지지한다. 이때 압착되는 탑 포일(320)을 지지하기 위하여 탑 포일(320)과 베어링의 하우징(310) 사이에 판스프링(미도시)이 배치된다.

리프 타입 포일 베어링 역시, 중첩되는 탑 포일(320) 사이로 많은 양의 기체가 유동할 수 있으나 이 때의 유동 기체는 샤프트(100)와의 거리가 멀어 냉각 효율이 낮다. 반면, 탑 포일(320)과 샤프트(100) 사이의 유동 기체는 샤프트(100)와 직접 접촉하므로 냉각 효율이 높지만, 하중의 지지를 위한 압력 형성을 위해 적은 양의 기체만 유동할 수 있다. 따라서, 리프 타입 포일 베어링도 범프 타입 포일 베어링과 마찬가지로 냉각 효과가 더 뛰어난 탑 포일(320)과 샤프트(100) 사이의 유동 기체량을 증가시킬 필요가 있다. 따라서 본 발명의 반경하중 지지 장치의 포일 래디얼 베어링(200, 300)은 범프 타입과 리프 타입의 포일 래디얼 베어링을 모두 포함한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 범프 타입의 포일 래디얼 베어링(200)을 예로 들어 설명하나, 리프 타입의 베어링의 사용을 배제하는 것은 아니다.

이하에서는 샤프트(100)에 형성된 그루브(110)의 형상에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치에서 냉각 기체의 유동 방향을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치를 샤프트의 전방에서 바라본 사시도이다.

도 5를 참조하면, 임펠러(400)의 후면으로 유출되는 고압의 기체는 기압차에 의해 샤프트(100)를 따라 후방으로 이동한다. 명확한 설명을 위하여 샤프트(100)의 양단 중 임펠러(400)와 결합한 일단을 샤프트(100)의 전단, 타단을 샤프트(100)의 후단이라고 칭하고, 샤프트(100)의 전단에서 후단을 향하는 방향을 후방, 후단에서 전단을 향하는 방향을 전방이라고 칭한다.

구체적으로, 임펠러(400)의 후면으로 유출된 기체는 샤프트(100)를 따라 후방으로 이동하다가 스러스트 러너(500)를 만나면 스러스트 러너(500)의 내경에서 스러스트 러너(500)의 외경을 향하여 이동하고, 그 후 스러스트 러너(500)의 외주면을 따라 이동한 후 다시 스러스트 러너(500)의 내경을 향하여 이동하고, 그 후 샤프트(100)를 따라 후방으로 이동한다.

샤프트(100)의 축하중을 지지하기 위한 스러스트 베어링은 상술한 스러스트 러너(500)와 대향하여, 스러스트 러너(500)의 전방과 후방에 설치된다. 샤프트(100)의 반경하중을 지지하기 위한 포일 래디얼 베어링(200)은 스러스트 러너(500) 및 스러스트 베어링의 후방에 설치된다. 도 5를 참조하면, 포일 래디얼 베어링(200)의 탑 포일(230)과 샤프트(100)의 사이를 유동하는 냉각 기체는, 샤프트(100)의 전단에서 후단을 향하는 방향으로 이동함을 알 수 있다.

냉각 기체의 이동 방향 및 샤프트(100)의 회전 방향을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트(100)의 외주면에 형성된 그루브(110)는 기체의 유동 저항을 저감시키는 형상을 가질 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트(100)의 외주면에 형성된 그루브(110)는 곡선으로 형성될 수 있다. 아울러 그루브(110)를 따라 이동하는 기체유동 저항을 최소화하기 위해, 그루브(110)는 임펠러(400)에서 샤프트(100)를 향하는 방향으로 바라볼 때 샤프트(100)의 회전 방향과 반대 방향으로 휘어진 형상을 가질 수 있다.

샤프트(100)의 전방에서 바라볼 때를 기준으로, 샤프트(100)가 시계 방향으로 회전할 때 샤프트(100)의 외주면에 형성된 그루브(110)는 반시계 방향으로 휘어진 곡선으로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이 임펠러(400) 후면의 기체는 샤프트(100)의 외주면을 따라 샤프트(100)의 전단에서 후단을 향하여 유동할 수 있다. 기체가 샤프트(100) 전단에서 후단을 향하여 샤프트(100)의 중심축과 평행한 직선형태로 유동할 때 샤프트(100)가 시계방향으로 회전한다면, 샤프트(100)의 외주면 상에서 냉각 기체가 그리는 이동 경로는 반시계 방향으로 휘어진 곡선 형태(a)가 될 것이다. 따라서 샤프트(100)의 외주면에 반시계 방향으로 휘어진 곡선 형태의 그루브(110)를 형성하면, 그루브(110)의 내부로 이동하는 기체의 유동 저항을 최소화 할 수 있다. 만약 그루브(110)의 형상이 시계방향 즉, 샤프트(100)의 회전 방향과 동일한 방향으로 휘어진 곡선으로 형성된다면, 기체의 유동 저항이 증가하여 단위 시간당 그루브(110) 내부를 유동하는 기체의 유량이 감소하게 될 것이다. 이는 샤프트(100)의 냉각 효율의 저하로 이어질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 샤프트(100)의 외주면에 형성된 그루브(110)는 직선으로 형성될 수도 있다. 상술한 바와 같이 샤프트(100)의 외주면을 따라 흐르는 기체는 샤프트(100)의 전방에서 후방으로 이동하고, 이때 샤프트(100)가 시계방향으로 회전하면 샤프트(100)의 외주면 상에서 기체의 이동 경로는 반시계 방향의 곡선을 그리게 된다. 따라서 샤프트(100)의 외주면 상에 형성된 직선의 그루브(110)도, 이와 같은 기체의 이동경로와 유사한 형상을 가지면 기체의 유동 저항을 감소시킬 수 있다. 즉 샤프트(100)의 외주면 상에서 직선으로 형성되는 그루브(110)는, 샤프트(100)의 중심축과 평행한 직선을 샤프트(100)의 회전 방향과 반대방향으로 기울인 형상을 가짐으로써 기체의 유동 저항을 감소시킬 수 있다.

그루브(110)를 따라 이동하는 냉각 기체의 유동 저항을 감소시킬 수 있다면, 그루브(110)는 상술한 형상뿐 아니라 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 그러나 그루브(110)는 탑 포일(230)과 샤프트(100) 사이에 형성되는 기체막의 압력장을 단속시키지 않는 형태로 형성되어야 한다. 특히 그루브(110)가 샤프트(100)의 축방향과 평행한 직선으로 형성된다면, 압력장의 단속이 유발될 수 있다.

샤프트(100)는 고속으로 회전하며 반경 방향의 하중을 포일 래디얼 베어링(200)에 전달한다. 샤프트(100)가 반경방향으로 이동할 때 샤프트(100)와 베어링의 최대 근접부에 가장 큰 압력이 가해지는데, 이러한 가압부는 베어링의 내주면 상에서 샤프트(100)의 축방향을 따라 폭이 좁은 직사각형 형상 또는 직선 형상으로 형성된다. 만약 샤프트(100)의 외주면에 형성되는 그루브(110)가 샤프트(100)의 축방향과 평행한 직선으로 형성된다면, 샤프트(100)의 반경방향 이동에 따라 직선 형상의 가압부와 그루브(110)의 위치가 완전히 중첩될 수 있다. 그루브(110)가 형성된 부분에서는 포일 래디얼 베어링(200)의 탑 포일(230)과 샤프트(100) 사이에 형성되는 기체막의 두께가 증가하여 압력의 부분적인 감소가 발생하는데, 베어링에 대한 가압부와 그루브(110)의 위치가 일부만 중첩되면 기체막의 평균 면압의 손실은 크지 않아 베어링의 지지 효과에는 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 베어링에 대한 가압부와 그루브(110)의 위치가 완전히 중첩된다면, 샤프트(100)를 지지하기 위한 압력장의 단속을 초래할 수 있다. 이 경우 베어링이 샤프트(100)의 반경하중을 지지하지 못하여 회전 장치의 안정적인 구동을 확보할 수 없다. 따라서 본 발명의 반경하중 지지 장치는 곡선이나 기울어진 직선 등의 형상으로 샤프트(100)의 외주면에 그루브(110)를 형성하여, 샤프트(100)를 지지하는 압력장의 단속을 방지한다.

샤프트(100)의 외주면에 형성된 그루브(110)는 하나 이상의 개수로 형성될 수 있다. 하나의 그루브(110)가 나선형으로 샤프트(100) 외주면을 둘러 싸며 형성될 수도 있고, 복수의 그루브(110)가 샤프트(100)의 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 이격 배치될 수도 있다. 그루브(110)는 샤프트(100)의 외주면 상에서 래디얼 베어링의 탑 포일(230)과 대응하는 위치에 형성된다. 이때, 그루브(110)는 베어링의 설치부와 대응되는 영역에서 냉각 유로가 균등하게 분포되고, 샤프트(100)와 냉각 기체 사이의 접촉 면적을 극대화 할 수 있는 형상으로 배치될 수 있다.

다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 샤프트(100)에 형성된 그루브(110)의 횡단면은 반원 형상을 가질 수 있다. 그루브(110)의 횡단면은 샤프트(100)가 회전할 때 발생하는 응력에 의해 변형을 초래하지 않는 형태라면 반원 형상에 한할 것은 아니고, 삼각형, 사각형 등의 형상으로 형성될 수도 있다.

이하에서는 냉각 기체의 원활한 유출입을 보장하기 위해 그루브(110)에 형성된 개방부에 대하여 살펴본다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반경하중 지지 장치를 샤프트의 후방에서 바라본 사시도이다.

도 7을 참조하면, 샤프트(100)의 외주면에 형성된 그루브(110)의 양단에는 탑 포일(230)과 중첩되지 않는 개방부(111, 112)가 형성될 수 있다. 그루브(110)는 포일 래디얼 베어링(200)과 마주보는 일면이 개방된 형상을 가진다. 그러나 샤프트(100)는 고속으로 회전하면서 포일 래디얼 베어링(200)의 탑 포일(230)과 매우 근접한 위치로 이동하며 탑 포일(230)을 압착시킬 수 있다. 샤프트(100)와 포일 래디얼 베어링(200)의 탑 포일(230) 사이에는 고압의 얇은 기체막이 형성되어 샤프트(100)의 하중을 지지하므로, 샤프트(100)와 탑 포일(230)이 물리적으로 접촉하는 것은 아니다. 그러나 탑 포일(230)이 샤프트(100)와 중첩되어 있는 부분에서는 샤프트(100)의 그루브(110)를 통해 냉각 기체가 유입되거나 유출되기 어렵다. 냉각 기체의 유입 및 유출이 원활하게 이루어지지 않는다면, 냉각 기체의 지속적인 유동을 확보할 수 없고 이는 냉각 효율의 저하로 이어질 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 포일 래디얼 베어링(200)의 탑 포일(230)은 그루브(110)의 양단 사이에서 배치되도록 설치될 수 있다. 이를 통해 그루브(110)의 양단은 탑 포일(230)과 중접되지 않는 개방부(111, 112)를 형성하여 냉각 기체의 유입구 및 유출구 역할을 수행할 수 있다. 샤프트(100)의 외주면을 따라 이동하는 기체의 흐름을 고려할 때, 하나의 그루브(110)에 있어 전방의 개방부(111)는 냉각 기체의 유입구가 되고, 후방의 개방부(112)는 냉각 기체의 유출구가 될 것이다.

상술한 바와 같이 그루브(110)의 양단에 개방부(111, 112)를 형상함으로써 냉각 기체의 원활한 유동을 확보하면, 임펠러(400)의 후면으로 더 많은 공기가 유출되도록 유도될 수 있다. 이는 회전체의 냉각 효과는 향상시키는 반면, 터보 장치의 압축 효율은 저감시키는 결과로 이어진다. 따라서 냉각 효과의 향상과 압축 효율의 손실 사이의 균형점을 찾기 위해, 샤프트(100)의 회전 속도 및 발열 온도 등을 고려하여 그루브(110)의 형상 크기 및 개방부의 크기 등을 적절하게 설계하여야 할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명의 반경하중 지지 장치는 샤프트(100)에 냉각 기체의 확를 위한 그루브(110)를 형성함으로써, 별도의 냉각 장치를 추가적으로 구비할 필요 없이 회전체의 과열을 방지할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 샤프트 20,30: 포일 래디얼 베어링
21,31: 하우징 22: 범프 포일
23,32: 탑 포일 100: 샤프트
110: 그루브 111: 전단 개방부
112: 후단 개방부 200,300: 포일 래디얼 베어링
210,310: 하우징 220: 범프 포일
230,320: 탑 포일 400: 임펠러
500: 스러스트 러너

Claims (7)

1. 임펠러의 후면에 결합되어, 상기 임펠러와 일체로 회전하는 샤프트; 및
   상기 샤프트의 반경방향 하중을 지지하는 지지하는 포일 래디얼 베어링을 포함하는 반경하중 지지 장치로서,
   상기 포일 래디얼 베어링은 상기 샤프트의 외주면 중 적어도 일부분과 대향하도록, 상기 포일 래디얼 베어링의 내주면에 배치되는 탑포일을 포함하고,
   상기 탑포일과 대향하는 상기 샤프트의 외주면에는 냉각 기체가 유동할 수 있는 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되는, 반경하중 지지 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 그루브는 곡선으로 형성되는, 반경하중 지지 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 곡선으로 형성되는 그루브는, 상기 임펠러에서 상기 샤프트를 향하는 방향으로 바라볼 때, 상기 샤프트의 회전 방향과 반대 방향으로 휘어진 형상을 갖는, 반경하중 지지 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 그루브는 직선으로 형성되는, 반경하중 지지 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 직선으로 형성되는 그루브는, 상기 샤프트의 축방향으로 형성된 직선을 상기 샤프트의 회전 방향과 반대 방향으로 기울어진 형상을 갖는, 반경하중 지지 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 그루브의 횡단면은 반원, 사각형 또는 삼각형 중 어느 하나의 형상을 갖는, 반경하중 지지 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 그루브의 양단에는 상기 탑포일과 중첩되지 않는 개방부가 형성되는, 반경하중 지지 장치.
   

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