KR20210077899A - 하이브리드 에어포일 저널베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베어링 하우징(10), 제1범프포일(21), 제2범프포일(22)이 이중으로 구성되어 있는 하이브리드 범프포일(20), 탑포일(30), 고정부(40) 및 삽입홈(50)을 포함하여 구성된 하이브리드 에어포일 저널 베어링에 관한 것이다.

Description

하이브리드 에어포일 저널베어링{AIR FOIL JOURNAL BEARING HAVING A HYBRID BUMP FOIL}

본 발명은 하이브리드 에어포일 저널베어링에 관한 것으로, 특히 이중으로 겹쳐진 구조로 구성된 하이브리드 범프포일을 구비한 하이브리드 에어포일 저널베어링에 관한 것이다.

베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전 가능하게 지지하는 기계 요소이다. 볼 베어링이나 롤러 베어링은 축과 베어링 사이에 볼, 롤러를 이용하여 접촉압력에 의해 축을 지지하는 방식이고, 마그네틱 베어링은 자기부상의 원리를 이용하여 축을 지지하는 방식이고, 에어포일 베어링은 탑 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식의 베어링이다.

에어포일 베어링은 회전축이 고속 회전할 때 회전축 또는 베어링 디스크와 접하는 포일 사이에 점성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 축 하중을 지지한다.

에어포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축을 지지하는데 효과적이므로, 터보압축기나 터보쿨러, 터보발전기, 공기압축기 등의 회전기기 내에서 고속으로 회전하는 회전축에 적용할 수 있다.

종래의 마그네틱 베어링은 자기부상의 원리를 이용한 것으로 기계적인 마찰, 마모가 없으므로 윤활이나 밀봉이 필요가 없으며, 에너지 손실이 적어서 반영구적으로 사용이 가능하다.

또한, 비접촉식 베어링으로 고속회전이 가능하며 전기적인 제어가 가능하여 회전축의 회전 정밀도를 고정도로 유지할 수 있고, 내외부의 진동 및 불균형에 대해 자동으로 밸런스를 유지할 수도 있다.

하지만, 이러한 마그네틱 베어링은 가격이 고가일 뿐만 아니라 반발하는 힘이 약하므로 반발력을 크게 하려면 베어링의 크기, 무게 및 가격상승이 문제가 발생되며, 자기부상원리를 이용하므로 제어를 위해서는 별도의 제어회로가 필요하며 방출자계로 인해 전자장애가 발생할 수 있다.

이에 반해 에어포일 베어링은 종래의 마그네틱 베어링의 자기부상원리 대신에 회전축과 베어링 하우징 사이의 공간에 얇은 박판 형태의 포일(foil)이 삽입되어 있으며, 회전축이 고속 회전하면서 형성된 공기층에 의해 회전축을 지지하는 방식의 베어링이다.

이러한 에어포일 베어링은 흔히 범프형(bump type)으로 불리는 단엽(single leaf)형태와 리프형(leaf type)이라 불리는 다엽(multi leaf)형태로 구성될 수 있는데, 범프형 에어포일 베어링은 하우징의 내주면에 단엽의 포일을 가지고 있으며, 리프형 에어포일 베어링은 하우징의 내주면에 다수의 슬롯을 일정간격으로 형성하여 두고, 이 슬롯에 다엽형상의 포일이 고정되어 원주방향으로 배열되고, 다엽 포일은 굽힘(bending)에 의한 신축성(resiliency)을 갖고 회전축을 지지하는 구조로 되어 있다.

범프형 에어포일 베어링은 범프의 탄력에 의해, 내구성 및 강성을 증가시킨 구조이지만, 단엽 에어포일 구조는 하중의 집중화로 회전축과의 틈새에 영향을 줌으로 회전축의 불안정성을 발생시키므로 설계와 생산이 까다로운 문제가 있다.

다엽 에어포일 구조의 베어링의 경우는 다엽 에어포일의 신축성에 의해 진동에 적응하는 능력이 우수한 반면에 포일로만 지지함에 따라 강성이 떨어져 하중지지능력이 부족하다는 단점을 가지고 있다.

이와 같이 하중지지능력이 떨어지게 되면 이러한 에어포일 베어링과 회전축 사이의 공기피막층이 약해져 결국, 불안정한 동작을 하게 되어 자주 수리를 해야 하는 단점이 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2019-0057833 (공고일자: 2016년05월29일, 발명의 명칭: 에어포일저널베어링, 출원인: 한온시스템주식회사)

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 리프형 탑포일과 두겹으로 겹쳐진 이중 범프포일을 가지는 하이브리드 에어포일모듈을 구비하여 회전축의 진동에도 잘 적응하고 하중지지능력도 향상된 하이브리드 에어포일 저널베어링을 제공하는 것이다.

본 발명의 한 특징에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링은 베어링 하우징(10), 제1범프포일(21), 제2범프포일(22)이 이중으로 구성되어 있는 하이브리드 범프포일(20), 탑포일(30), 고정부(40) 및 삽입홈(50)을 포함하여 구성되어 있다.

본 발명의 한 특징에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링은 베어링 하우징(10), 제1범프포일(21), 제2범프포일(22)이 이중으로 구성되어 있는 하이브리드 범프포일(20), 탑포일(30), 고정부(40) 및 삽입홈(50)을 포함하여 구성되어 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링의 정면을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링의 일부분을 확대시킨 구성도이다.
도4는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링의 탑포일과 범프포일이 정렬된 구성도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링의 탑포일의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링의 범프포일의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 범프포일이 장착된 하이브리드 에어포일 저널베어링의 범프포일의 부분도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링의 하중지지력을 측정한 실험 데이터이다.
도 9는 본 발명과 종래의 저널 베어링의 회전축과 탑포일 틈새 변화에 따른 압력 분포를 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

그러면 첨부한 도면 1 내지 도면 9를 참고로 하여 본 발명의 하이브리드 에어포일 저널베어링에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에어포일 저널베어링은 베어링 하우징(10), 제1범프포일(21), 제2범프포일(22)가 이중으로 구성된 하이브리드 범프포일(20), 탑포일(30), 고정부(40) 및 삽입홈(50)을 포함하여 구성되어 있다.

본 실시예에서는 8개의 하이브리드 범프포일(20)과 8개의 탑포일(30)로 구성을 하여 조립하였으나, 설계의 방향에 따라 탑포일 및 범프포일의 개수는 조절이 가능하다.

도 2내지 도 8는 본 발명의 탑포일(30)의 고정부(40)와 하이브리드 범프포일(20)이 삽입홈(50)에 조립 되어있는 것을 나타낸 것으로, 본 발명의 하이브리드 에어포일 저널베어링의 조립은 하우징(10)에 구비되어 있는 삽입홈(60)에 8개의 탑포일(30)과 8개의 하이브리드 범프포일(20)을 결합시키는 것으로 간단하게 조립과 분리를 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 향상된 하중지지력을 확인하기 위하여 실험한 내용으로, 단일 범프포일을 장착했을 때와 본 발명의 하이브리드 범프포일(20)을 장착 했을 때와의 결과를 나타낸 것이다.

이 실험은 면적이 183.94cm²가 되는 회전축을 단일 범프포일과 본 발명의 하이브리드 범프포일(20)을 각각 장착하여 견딜 수 있는 최대 하중을 측정한 것이다.

도 8에서도 알 수 있듯이 단일 범프포일의 경우 110kg까지 하중을 지지하였으며, 본 발명의 하이브리드 범프포일(20)의 경우 265kg까지 하중을 지지하였다.

이를 하중계수로 환산하면 단일 범프포일의 경우는 110kg / 183.94cm² = 0.598021 kg/cm²(≒0.6)가 되었으며, 본 발명의 하이브리드 범프포일의 경우는 265kg / 183.94cm² = 1.440687kg/cm²(≒1.4)가 되어 하중계수가 2.4배가 증가된 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 하이브리드 범프포일을 적용할 경우 반경방향의 하중을 지지하는 하중계수가 증가 되므로 회전축의 진동에도 잘 적응하고 하중지지능력도 향상된 하이브리드 에어포일 저널베어링을 제공 할 수 있다.

또한, 종래의 단일 범프포일은 회전축이 회전할 때 회전축의 반경방향으로 발생하는 하중으로 인해 탑포일이 마찰 되면서 범프포일이 하중을 흡수하게 되고, 이때 하중이 더욱 커지게 되면 단일 범프포일을 사용하는 에어포일 저널베어링의 경우 하중을 견디지 못하여 고장이 발생 할 수 있으나, 본 발명의 하이브리드 범프포일을 장착한 에어포일 저널베어링의 경우에는 종래기술과 달리 회전축이 회전할 때 회전축의 반경방향으로 하중이 발생하게 되면 탑포일(30)이 마찰이 되면서 제1범프포일(21)이 하중을 흡수하게 되고, 이때 하중이 더욱 커지게 되면 제2범프 포일(22)에서 하중을 지지하여 하중을 분산시킴으로써 상대적으로 큰 하중을 견딜 수 있으며, 회전축과 탑포일(30)의 마찰도 약화 시킬 수 있어 내구성도 증가시킬 수 있다.

도 9는 본 발명과 종래기술에 대한 틈새 변화에 따른 압력분포를 비교 설명한 것으로, 종래기술은 탑포일이 겹치게 구성하지 않아 점선으로 형성된 그래프처럼 압력 피크(peak)형상의 압력분포가 탑포일과 탑포일이 만나는 부분의 틈새가 커져서 지지압력이 작아진다.

이는 작은 틈새에서 형성된 피크 압력분포가 상대적으로 큰 틈새를 지나면서 공기층의 형성이 감소되어 압력분포가 작아지게 되므로 큰 하중을 지지하려 할 경우 이 부분이 파손이 될 수 있는 반면에, 본 발명의 경우 탑포일(30)과 탑포일(30)을 일정부분 겹치도록 구성하여 압력분포가 낮아지는 것을 방지하여 압력분포가 크고 균일하게 형성이 되도록 하여 종래기술에 비해 큰 하중을 지지할 수 있도록 구성하였다.

추가적으로, 고장 발생 시 본 발명의 하이브리드 범프포일이 적용 되었을 경우 높은 하중 흡수능력으로 인해 현장에서 교환이 가능하여 손쉽게 수리를 할 수 있으며, 수리 시간을 획기적으로 단축 시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 베어링 하우징 20: 하이브리드 범프포일
21: 제1범프포일 22: 제2범프포일
23: 범프포일 고정부 30: 탑포일
31: 탑포일포일부 32: 탑포일고정부
40(41~48): 고정부 50(51~58): 삽입홈
60: 회전축

Claims (3)

1. 베어링 하우징,
   제1범프포일, 제2범프포일이 이중으로 구성되어 있는 하이브리드 범프포일,
   탑포일,
   탑포일과 범프포일에 구비되어 있는 고정부, 및
   고정부가 삽입되어 고정되는 삽입홈
   을 포함하는 하이브리드 에어포일 저널베어링.
   
2. 제 1항에 있어서,
   하이브리드 범프포일의 개수는 8개로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어포일 저널베어링.
3. 제 1항에 있어,
   상기 탑포일은 탑포일의 일측이 인접해 있는 탑포일의 일측과 겹쳐지도록 구성되고 회전축의 회전방향과 동일한 방향으로 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에어포일 저널 베어링.

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