KR20220027205A

KR20220027205A - 유연성 포일 추력 베어링

Info

Publication number: KR20220027205A
Application number: KR1020227003227A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 파이; 바수데바 님마; 필립 헤워드
Original assignee: 블라던 제츠 홀딩스 리미티드
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2022-03-07
Also published as: WO2021001016A1; CN114502850A; JP2022549054A; PL3994367T3; EP3994367A1; US20220275827A1; EP3994367C0; EP3994367B1; ES2959609T3; WO2021001016A8; US11859659B2

Abstract

유연성 포일 추력 베어링 부조립체는: 유체 플레이트로서, 환형 교합 링 및 상기 유체 플레이트 교합 링으로부터 반경방향 내향으로 배치된 복수개의 유체 포일 요소들을 포함하는 유체 플레이트; 힘 전달 플레이트로서, 환형 교합 링 및 상기 힘 전달 플레이트 교합 링으로부터 반경방향 내향으로 배치된 복수개의 힘 전달 요소들을 포함하는 힘 전달 플레이트; 및 스프링 플레이트로서, 환형 교합 링 및 상기 스프링 플레이트 교합 링으로부터 반경방향 내향으로 배치된 복수개의 굴곡 요소들을 포함하는 스프링 플레이트를 포함하되: 상기 유체 플레이트, 상기 힘 전달 플레이트 및 상기 스프링 플레이트는, 중첩되는 힘 전달 요소들 및 굴곡 요소들의 대응하는 쌍에 의하여 각각의 유체 포일 요소가 축방향으로 지지되도록 적치 가능하다.

Description

유연성 포일 추력 베어링

본 개시서에 개시된 대상물은 일반적으로 유연성 포일 추력 베어링(compliant foil thrust bearing)들에 관한 것이다.

마이크로 터빈은 분산 에너지 자원에 활용될 수 있으며, 압축기, 연소기, 터빈 및 발전기를 채용함으로써 연료를 전력의 국소적 원천(local source of electric power)으로 변환할 수 있다. 그것들의 높은 작동 온도에 의해 오일 기반 수압 베어링들과 같은 종래 베어링들이 비실용적이게 되지만, 그것들의 높은 회전 속도는 공기 베어링들을 이용할 기회를 제공한다. 오일 시스템의 제거는 설계를 간소화하고 유지 관리의 요구사항을 줄인다.

반경방향 베어링들은 반경방향 부하를 지지하는 반면, 추력 베어링들은 축방향 부하를 지지한다. 유연성 유체 포일 추력 베어링들은 일반적으로: 추력 플레이트; 상기 추력 플레이트에 의해 축방향으로 지지되는 유연성 스프링 포일 부재들; 및 상기 스프링 포일 부재들에 의해 축방향으로 지지되는 유체 포일 요소들을 포함하는 유체 플레이트를 활용하며, 상기 유체 플레이트는 나머지 플레이트들을 통하여 회전하는 추력 원판을 축방향으로 지지한다.

회전 각속도의 증가(spin-up)에 뒤이어, 상기 회전하는 추력 원판은, 비회전 유체 플레이트와 상기 회전하는 추력 원판 사이에 생성되어 저마찰 유체역학적 공기 베어링을 유발하는 유체의 박막에 의하여 축방향으로 지지되며, 추가적으로 유체의 전달은 열 전달을 촉진한다.

상기 추력 원판이 전형적으로 평평한 반면, 상기 유체 포일 요소들은 전형적으로 원주 방향으로 경사지고 계단식으로 되며, 원주 방향으로의 이러한 표면 경사에 의해 상기 유체 막의 생성 및 상기 추력 원판에 가해지는 축방향 양력 효과가 유발된다. 따라서 상기 회전하는 추력 원판에 의해 가해지는 축 방향 부하는 상기 유체 막을 통하고, 상기 유체 플레이트를 통하며, 상기 유연성 스프링 포일 부재들을 통해 상기 추력 플레이트에 전달될 수 있는바, 이로써 상기 베어링 상에 가해지는 축방향 부하에 일치하는, 반대 방향의 동일한 반작용 축방향 힘이 제공된다. 이 힘의 전달 연쇄에 상기 유체 막이 존재함으로써, 그렇지 않았더라면 표면들 사이의 상대적 회전에 기인하여 발생할 수 있었던 마찰 손실을 현저히 줄일 수 있는 가능성이 제공된다.

따라서, 높은 회전 속도 및 작동 온도를 고려하여 기타 종래 형태의 베어링에 연관된 비실용성을 방지하기 위해 마이크로 터빈에 유연성 유체 포일 추력 베어링들이 채용될 수 있다.

일반적으로 기존의 유체 포일 추력 베어링의 설계에는 때때로 탄성 스프링 효과를 제공하는 비평면적 특징부를 채용한 일련의 분리된 플레이트들이 채용된다. 그러한 기존 설계는 과도한 제조 복잡도로 귀결될 뿐만 아니라, 특히 낮은 분당 회전수에서 과도한 마찰력의 생성 등을 통한 성능 저하의 문제도 겪는다.

따라서 기존 설계에 있어 위에서 설명된 결함들 중 하나 이상을 해결하는 유체 포일 추력 베이링을 제공하는 것이 바람직하다.

개시된 구성체들은 예시로써, 그리고 첨부 도면들을 참조하여, 이하에서 더 설명되는바, 그 첨부 도면들 중에서:
도 1에는 유연성 추력 베어링 부조립체 및 추력 플레이트를 포함하는 유연성 추력 베어링의 일 예시의 분해 사시도가 도시되며;
도 2에는 유체 포일 요소들을 포함하는 유체 플레이트의 예시가 도시되고;
도 3에는 반경방향 내향으로 연장되는 힘 전달 요소들을 포함하는 힘 전달 플레이트의 예시가 도시되며;
도 4에는 반경방향 내향으로 연장되는 굴곡 요소들을 포함하는 스프링 플레이트의 예시가 도시되고;
도 5에는 축방향으로 함입된 표면을 포함하는 추력 플레이트의 예시가 도시되며;
도 6a에는 유연성 추력 베어링의 예시가 도시되고 도 6b에는 이와 동일하나 상기 플레이트들을 관통하는 도면이 제공되며;
도 7a 및 도 7b에는 상기 유체 포일 플레이트에 있어서 아래 놓인 플레이트들이 노출되도록 절개된 영역이 보이는 유연성 추력 베어링의 상이한 도면들이 도시되고;
도 8a 및 도 8b에는 상기 유연성 포일 추력 베어링 부조립체의 밑면의 예시가 탭들을 연장된 위치 및 접힌 위치로 각각 유지한 채로 도시되며;
도 9a 및 도 9b에는 상기 추력 플레이트의 지지부들과 상기 스프링 플레이트의 굴곡 요소들 사이의 상호작용의 예시를 과장되게 보이는 도면(exaggerated view)이 도시된다.

도 1에는 유연성 포일 추력 베어링 부조립체(100) 및 추력 플레이트(200)을 포함하는 유연성 포일 추력 베어링의 예시가 도시된다.

상기 유연성 포일 추력 베어링 부조립체(100)는 유체 플레이트(110), 힘 전달 플레이트(120) 및 스프링 플레이트(130)를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 힘 전달 플레이트(120) 및 상기 스프링 플레이트(130)는 적어도 실질적으로 평면이다. 상기 유체 포일 플레이트(110)가 평면외(out-of-plane) 특징부들을 포함할 수 있는 반면, 상기 힘 전달 플레이트(120) 및 스프링 플레이트(130)는 평면적일 수 있다. 도시된 예시에서 상기 힘 전달 플레이트(120) 및 스프링 플레이트(130)가 고정된 단면 윤곽을 가지도록 형성된다. 유연성 포일 추력 베어링의 평면적이며 축방향으로 균일한 플레이트들의 제공으로써 제공되는 것은 제조의 현저한 간소화다. 특히, 상기 플레이트들은 판금으로부터 절개한 것(cut-outs)으로서 형성될 수 있다.

도시된 예시에서, 상기 유연성 포일 추력 베어링 부조립체(100)의 상기 플레이트들은 그것들의 중심을 관통하는 공통 축을 공유하도록 배치된다. 도 1의 예시에서, 이 공통 축은 그 플레이트 중심들을 통하여 수직으로 연장된다. 상기 추력 플레이트(200)는 상기 공통 축을 공유하도록 배치된다.

상기 유체 포일 요소들(114)은 상기 환형 교합 링(112)의 원주 둘레로 고르게 분포될 수 있다. 상기 유체 포일 요소들(114)은 반경방향으로 대향하는 쌍들로 형성될 수 있는바, 도 2에 도시된 바와 같다. 그러한 대칭 분포는, 특히, 대응되게 분포된 힘 전달 요소들(124) 및 굴곡 요소들(134)에 대한 대칭 분포와 함께, 균일한 원주방향 부하 분포를 용이하게 하는바, 이는 그렇지 않았더라면 손실 및 마모를 가중했을 임의의 국부화 응력의 집중에 대한 보호에 도움이 된다.

도 2에는 회전하는 추력 원판을 수용하기에 적합한 유체 플레이트(110)가 도시된다. 상기 유체 플레이트(110)는 환형 교합 링(112) 및 상기 유체 플레이트 교합 링(112)으로부터 반경방향 내향으로 배치된 유체 포일 요소들(114)을 포함한다. 상기 유체 포일 요소들(114)은 원주 방향으로 축방향 파상(axial undulation)을 제공하도록 구성된다. 이 원주방향 파상(circumferential undulation)은 인접한 추력 원판의 회전 시 유체 막의 생성을 담당하는바, 이 유체 막은 상기 회전하는 추력 원판을 축방향으로 지지하기 위한 것이다.

시동 중과 정상 가동 중 모두, 상기 회전하는 추력 원판에 의해 상기 유체 플레이트의 상면 상에 가해지는 축방향 힘은 일정하지 않다. 그러한 부하의 변동은 상기 유체 플레이트 밑면에 결합된 기저 스프링 메커니즘(underlying spring mechanism)의 형태로 유연성, 즉, 탄성을 제공함으로써 추력 베어링들에 수용된다.

상기 유체 플레이트(110)는 탭(tab)을 수용하기 위하여 상기 유체 플레이트의 반경방향 외측 에지 상에 제공된 노치들(118)을 포함할 수 있다. 대안으로서, 상기 유체 플레이트(110)는 하나 이상의 아래 놓인 플레이트들의 반경방향 외측 에지들 상에 제공된 대응하는 노치들에 의해 수용될, 미도시의, 탭들을 포함할 수 있다. 이 노치 및 탭 구성은 상기 추력 베어링 부조립체(100)의 하나 이상의 플레이트들 간의 유지를 용이하게 한다.

도 3에는 환형 교합 링(122), 및 상기 환형 교합 링(122)으로부터 반경방향 내향으로 배치된 힘 전달 요소들(124)을 포함하는 힘 전달 플레이트(120)가 도시된다. 상기 힘 전달 요소들(124)은 상기 환형 교합 링(122)으로부터 반경방향 내향으로 연장될 수 있다.

아래에서 더 상세하게 설명될 바와 같이 각각의 힘 전달 요소(124)는 관통 구멍들(126)을 포함할 수 있다. 이 예시에서 보인 바와 같이, 각각의 힘 전달 요소(124)는 격자를 형성하는 열린(126a) 관통 구멍 및/또는 폐쇄된(126b) 관통 구멍을 포함할 수 있다.

도시된 바와 같이, 상기 힘 전달 플레이트(120)는 탭을 수용하기 위하여 그 힘 전달 플레이트의 반경방향 외측 에지 상에 제공된 노치들(128)을 포함할 수 있다.

도 4에는 환형 교합 링(132), 및 상기 환형 교합 링(132)으로부터 반경방향 내향으로 배치된 굴곡 요소들(134)을 포함하는 스프링 플레이트(130)가 도시된다. 상기 굴곡 요소들(134)은 상기 환형 교합 링(132)으로부터 반경방향 내향으로 연장될 수 있다.

추력 베어링 부조립체(100)의 힘 전달 플레이트(120) 및 스프링 플레이트(130)는 함께, 유체 플레이트(110)의 상기 유체 포일 요소들(114)에 의해 발생되는 축방향 부하의 축방향 전달을 촉진한다. 특히, 상기 원주방향으로-이격된 유체 포일 요소들(114) 각각은 축방향으로 중첩되는 힘 전달 요소들(124) 및 굴곡 요소들(134)의 대응하는 쌍에 의하여 지지될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 힘 전달 요소들 및 굴곡 요소들의 중첩되는 쌍들은 오프셋(offset)된 원주방향 및/또는 반경방향 부분들을 포함할 수 있는바, 즉, 상기 힘 전달 요소들의 그 오프셋된 원주방향 및/또는 반경방향 부분들은, 상기 굴곡 요소들의 원주방향 및/또는 반경방향 부분들로부터 오프셋되거나, 혹은 (상기 굴곡 요소들의 원주방향 및/또는 반경방향 부분들과) 중첩되지 않는다.

도 7a의 구체적인 예시에서, 상기 힘 전달 요소들(124)은 상호연결된 원주방향 및 반경방향 부분들을 포함하고, 그 대응하는 굴곡 요소들(134)은 상호연결된 반경방향 부분들을 포함한다.

상기 힘 전달 요소들(124)의 상기 반경방향 부분들은 상기 굴곡 요소들(134)의 상기 반경방향 부분들에 대해 원주방향으로 오프셋되고, 상기 힘 전달 요소들(124)의 원주방향 부분들은 상기 굴곡 요소들(134)의 상기 반경방향 부분들과 접촉하도록 구성된다. 이 중첩되는 접촉은 원주방향으로 이격된 영역들에서 부조립체(100)의 상기 힘 전달 플레이트 및 스프링 플레이트(120 및 130)를 통한 축방향 힘의 전달을 촉진함으로써, 유체 플레이트(110)의 상기 원주방향으로 이격된 유체 포일 요소들(114)에 의해 가해지는 축방향 부하가 지지된다. 상기 힘 전달 요소들(124)과 굴곡 요소들(134) 사이의 중첩되는 접촉의 다른 형태들이 가능하다는 점이 인식될 것이다.

상기 힘 전달 요소들(124) 및 굴곡 요소들(134)은 원주방향으로 분리된 것일 수 있는바, 그럼으로써 적치 시 상기 추력 베어링 내에 원주방향으로 이격된 축방향 지지부 채널들(circumferentially spaced axial support channels)의 제공이 용이해진다.

아래에서 더 상세하게 설명될 바와 같이 각각의 굴곡 요소(134)는 반경방향으로 연장되는 부분들(135)을 포함할 수 있다. 이 반경방향으로- 연장되는 부분들은 상기 힘 전달 요소들(124) 내에 제공되는 축방향 관통 구멍들(126)과 중첩되도록 구성될 수 있는바, 그 축방향 관통 구멍들(126)은 상기 반경방향으로 연장되는 부분들(135) 위에 놓이도록 구성될 수 있다. 이는 상기 굴곡 요소들의 탄성 굴곡(resilient deflection)을 용이하게 한다.

각각의 굴곡 요소(134) 및/또는 각각의 힘 전달 요소(124)는 격자를 형성하는 열린 관통 구멍 및/또는 폐쇄된 관통 구멍(126, 136)을 포함할 수 있다. 도시된 예시에서, 상기 굴곡 요소들(124) 내에는 폐쇄된 관통 구멍들만이 존재하지만, 상기 힘 전달 플레이트(120)의 상기 힘 전달 요소들(124)에 대해 도시된 바와 같이 추가적인 열린 관통 구멍들이 제공될 수 있음이 인식될 것이다.

상기 스프링 플레이트(130)는 위에 놓이거나 아래에 놓인 플레이트로부터 탭을 수용하기 위하여 그 스프링 플레이트의 반경방향 외측 에지 상에 제공되는 노치들(138)을 포함할 수 있다. 도시된 예시에서, 상기 스프링 플레이트(130)는 탭들(138)을 포함한다. 상기 탭들(138)은 위에 놓인 힘 전달 플레이트(120) 및 유체 플레이트(110)의 노치들 안으로 둘러싸여 상기 추력 베어링 부조립체(100)의 플레이트들을 함께 고정 유지하도록 구성된다.

대안으로서 상기 유체 플레이트(110)는 상기 힘 전달 플레이트의 노치 및 상기 스프링 플레이트의 노치 안으로 둘러싸이도록 구성된 탭들을 포함할 수 있다.

도 5에는 환형 교합 표면(242), 및 상기 환형 교합 표면(242)으로부터 반경방향 내향으로 배치된 함입된 표면(244)을 포함하는 추력 플레이트(200)이 도시된다. 상기 함입된 표면(244)은 상기 환형 교합 표면(242)으로부터 축방향으로 함입된다. 도시된 예시에서, 상기 환형 교합 표면(242)은 상기 함입된 표면(244) 너머로 축방향 연장된다. 따라서 상기 추력 플레이트(140)의 두께는 반경방향으로 불균일한바, 상기 환형 교합 표면(242)을 포함하는 반경방향 외측 부분에서의 두께가 상기 함입된 표면(244)을 포함하는 반경방향 내측 부분의 두께보다 크다.

이는 실질적으로 평평한 추력 플레이트(140)가 제공되는 선행 기술 구성체들과 대조된다.

상기 축방향으로 함입된 표면(244)의 제공에 의해, 위에 놓인 굴곡 요소들(134)이 상기 추력 플레이트(140)를 향하여 축방향으로 상기 환형 교합 표면(242) 너머로 연장될 기회가 제시된다.

상기 굴곡 요소들(134)의 그와 같은 축방향 굴곡을 용이하게 함으로써 상기 스프링 플레이트에 의한 유연성의 제공이 가능해진다. 이런 식으로 상기 굴곡 요소들(134)은 반경방향 내향으로 연장되는 외팔보(cantilevers)의 역할을 하는 것으로 고려될 수 있다.

각각의 유체 포일 요소(114)는 아래 놓인 힘 전달 요소들(124) 및 굴곡 요소들(134)의 중첩된 쌍에 의해 축방향으로 지지될 수 있다. 따라서 미도시된 회전하는 추력 원판으로부터 상기 유체 막을 거쳐 가해지는 부하는 상기 유체 포일 요소(114)를 거쳐, 대응하는 힘 전달 요소(124)를 통하여, 대응하는 굴곡 요소(134)로 전달될 수 있는바, 그 대응하는 굴곡 요소가 상기 추력 플레이트(140)를 향하여 축 방향으로, 그리고 상기 추력 플레이트 내에 제공된 함입부에 의하여 형성된 그 함입된 공간 안으로, 탄성 굴곡됨이 야기될 수 있다.

도시된 예시에서, 상기 추력 플레이트(140)는 상기 환형 교합 표면(242)으로부터 반경방향 내향으로 배치된 지지부들(246)을 포함한다. 상기 지지부들은 상기 환형 교합 표면과 같은 높이인 것으로 제공될 수 있는바, 즉, 상기 지지부들은 상기 환형 교합 표면(242)에 의해 정의되는 평면 내에 실질적으로 놓인 축방향 위치에서 끝날 수 있다.

상기 지지부들(246)은 위에 놓인 굴곡 요소들(134)과 접촉하기 위한 볼록면을 포함할 수 있다. 그러한 볼록면의 제공은 각각의 지지부의 일면 또는 양면 주위에서 상기 굴곡 요소들(134)의 굽혀짐(bending)을 용이하게 한다.

상기 함입부(244) 및/또는 지지부들(246)의 깊이는 상기 굴곡 요소들(134)의 축 방향으로의 굴곡을 제한하는 기능을 한다. 이 경우에 상기 굴곡 요소들(134)은 각각의 지지부(246)의 일면 또는 양면 상에서 굴곡되도록 구성된다. 예를 들어, 지지부(246)가 굴곡 요소(134)의 반경방향 내측 단부의 반경방향 외측에 제공되는 경우, 상기 굴곡 요소가 상기 지지부(246)의 반경방향 외측 면 상과 반경방향 내측 면 상에서 굽혀질 수 있는 반면, 지지부(246)가 실질적으로 상기 굴곡 요소(134)의 반경방향 내측 단부에 배치된 경우에는 상기 굴곡 요소(134)가 상기 지지부(246)의 상기 반경방향 외측 면 상에 굽혀질 수 있다. 상기 축방향으로 함입된 표면(244)은, 상기 굴곡 요소들(134)의 충분한 굴곡에 뒤이은 그것들 사이의 접촉에 의하여 상기 굴곡 요소들(134)의 굴곡을 제한하는 기능을 수행할 수 있다.

예시된 도시에서, 상기 지지부들(246)은 환형이고 동심(co-centric)일 수 있다. 그러나, 상기 지지부들(246)은 다른 형태들을 취할 수 있다. 예를 들어, 상기 지지부들(246)은 각각의 굴곡 요소(134) 하면에서 환형 방향으로 연장될 수 있으며, 임의선택적으로 상기 지지부들 사이에 환형 불연속성(annular discontinuities)이 존재할 수 있다. 또는, 상기 지지부들(246)은 막대(rods)와 같은 다른 형상들의 형태를 취한다. 환형 지지부들의 제공은 제조를 간소화한다.

각각의 굴곡 요소(124)의 아래에 놓이도록 구성된 지지부(246)가 제공될 수 있다.

상기 하나 이상의 지지부들(246)은 각각의 굴곡 요소(134)의 반경방향 내측 에지의 반경방향 외측으로 배치되도록 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 지지부들(246)은 상기 스프링 플레이트(130)의 교합 표면(132)의 반경방향 내향으로, 그리고 상기 스프링 플레이트(130)의 반경방향 내측 에지의 반경방향 외향으로 배치될 수 있다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 힘 전달 요소들(124)은 상호연결된 원주방향 부분 및 반경방향 부분을 포함할 수 있다. 대응되고 아래에 놓이는 굴곡 요소들(134)은 상기 힘 전달 요소들(124)의 반경방향 부분들 사이 안에서 연장되도록 구성된 반경방향 부분들을 포함할 수 있다. 상기 힘 전달 요소들(124)의 원주방향 부분들은 상기 굴곡 요소들(134)의 반경방향 부분들과 접촉하도록 구성될 수 있다. 지지부들(246)은 상기 힘 전달 요소들(124)의 원주방향 부분들 사이에서 연장되고 상기 굴곡 요소들(134)의 반경방향 부분들과 접촉하도록 구성된 원주방향 부분들을 포함할 수 있다. 이런 식으로 중첩되는 원주방향/반경방향 접촉부들을 통한 힘 전달이 제공된다.

상기 힘 전달 요소들(124) 상의 하향 축방향 부하는 상기 힘 전달 요소들(124)의 원주방향 부분들을 통하여 상기 굴곡 요소들(134)에 전달될 수 있는바, 상기 힘 전달 요소들(124)의 원주방향 부분들은 굴곡 요소들(134)의 반경방향 부분들과 접촉하고, 이는 다시 지지부들(134)의 원주방향 부분들과 접촉하며, 추력 플레이트(200)의 상기 축방향으로 함입된 영역(244) 안으로 축방향으로 굴곡되도록 구성된다.

도 9a 및 도 9b에 주의를 돌리면, 그 도면들에는 상기 유연성 포일 추력 베어링 부조립체(100) 및 추력 플레이트(200)를 포함하는 유연성 포일 추력 베어링의 층상(layered) 구조를 보인 과장된 반경방향 단면이 도시된다.

고도가 높아지는 방향으로, 도 9a 및 도 9b에 도시된 Z-방향으로, 상기 함입된 표면(244), 지지부들(246), 굴곡 요소(134), 힘 전달 요소(124) 및 유체 포일 요소(114)가 도시되어 있다.

이 예시에서, 회전하는 추력 원판에 의하여 상기 유체 포일 요소(114) 위에 형성된 유체 막을 통하여 가해지는 부하는 상기 유체 포일 요소(114)로부터, 상기 대응하는 힘 전달 요소(124)를 통하여, 그리고 상기 대응하는 굴곡 요소(134)로 전달되며, 그것의 하나 이상의 부분들은 상기 지지부들(246) 위에서 축방향 관통 구멍(126) 안으로 굴곡되는바, 상기 축 방향으로의 그러한 굴곡은 도 9a로부터 도 9b로의 이행에서 보인다.

도 6a 및 도 6b에는 유연성 포일 추력 베어링(300), 및 그것의 플레이트들을 관통하는 시야가 제공된 유연성 포일 추력 베어링(300)이 각각 도시된다.

도 7a 및 도 7b에는 마찬가지로, 그러나 이번에는 절개된 부분(310)이 함입된 표면(244), 지지부들(246), 굴곡 요소들(134), 힘 전달 요소들(124) 및 유체 포일 요소들(114)을 드러낸 채로 유연성 포일 추력 베어링(300)이 도시된다.

그 절개된 부분들(310)은 유연성 포일 추력 베어링(300)의 이 예시에서 상기 유연성 포일 추력 베어링 부조립체(100)의 플레이트들과 추력 플레이트(200) 사이의 상대적인 상호작용을 보여준다.

도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b의 고려에 의해 분명해지는 바와 같이, 상기 유체 플레이트(110), 상기 힘 전달 플레이트(120) 및 상기 스프링 플레이트(130)는, 상기 유체 포일 요소들(114), 상기 힘 전달 요소들(124), 및 상기 굴곡 요소들(134)이 축방향으로 중첩되는 관계를 가지게 원주방향으로 서로 정렬되도록 수직으로 적치될 수 있다.

따라서 상기 부조립체(100)의 상기 플레이트들은, 각각의 유체 포일 요소(114)가 대응되고 축방향으로 중첩되는 힘 전달 요소들(124) 및 굴곡 요소들(134)의 쌍에 의해 축방향으로 지지되도록 적치될 수 있다.

도 1에 도시된 예시에서, 상기 유체 플레이트(110)는 상기 힘 전달 플레이트(120) 위에 놓이고, 상기 힘 전달 플레이트(120)는 상기 스프링 플레이트(130) 위에 놓인다. 상기 부조립체(100)와 추력 플레이트(200)가 결합된 경우에, 상기 스프링 플레이트는 상기 추력 플레이트(200) 위에 놓인다.

도 1의 예시에서 상정되는 적치의 순서는, 상기 스프링 플레이트(130)가 상기 추력 플레이트(200) 위에 위치하고, 상기 힘 전달 플레이트(120)가 상기 스프링 플레이트(130) 위에 위치하며, 마지막으로 상기 유체 플레이트(110)가 상기 힘 전달 플레이트(120) 위에 위치하는 것이다. 적치 중 또는 적치 후, 상기 플레이트들은, 상기 유체 포일 요소들(114)이 중첩되는 힘 전달 요소들(124) 및 굴곡 요소들(134)의 대응하는 쌍들에 의하여 축방향으로 지지되도록 배향될 수 있다.

상기 플레이트들은, 각각의 유체 포일 요소(114)가 대응하는 힘 전달 요소(124) 위에 놓이고, 그 힘 전달 요소(124)가 대응하는 굴곡 요소(134) 위에 놓이도록 배향 가능하다. 이런식으로 각각의 유체 포일 요소(114)로부터 전달된 힘이 상기 대응하는 힘 전달 요소(124)를 통하여 상기 대응하는 굴곡 요소(134)로 전달될 수 있다. 상기 굴곡 요소(134)에 가해진 힘은 상기 굴곡 요소(134)로 하여금 상기 스프링 플레이트 교합 링(132)에 대하여 축방향으로 변위되게 할 수 있다. 축방향에 있어서 변위의 방향은 상기 유체 플레이트(110)로부터 벗어난다.

몇몇 선행 기술 구현례들에 있어서 골이 진(corrugated) 포일이 사용중 소성 변형(plastic deformation)을 일으키는 경향을 가진 유연성을 촉진하도록 제공되는 반면, 본 개시서에 설명된 예시들에 따르면, 본 개시서에 개시된 힘 전달 메커니즘에 기인한 그러한 소성 변형에 대항하는 보호의 가능성이 용이하게 되어 있다.

본 개시서에 개시된 예시들에는, 추력 플레이트(200) 상에 직접 위치하기 위한 유연성 포일 추력 베어링 부조립체(100)이 제공되어 있는바, 이로써 최소 개수의 플레이트들이 제공되므로 더 많은 개수의 플레이트들이 채용된 경우에 비하면 제조 복잡도 및 성능 분산(performance variation)이 줄어든다.

힘 전달 요소(124)와 대응하는 굴곡 요소(134) 사이의 상호작용에 특별한 주의가 기울여진다.

특히, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 상기 힘 전달 요소들(124) 및/또는 상기 굴곡 요소들(134)은 축방향 관통 구멍들(126, 136)을 포함할 수 있다. 이 축방향 관통 구멍들은 열리거나 그리고/또는 폐쇄된 축방향 관통 구멍들일 수 있다. 상기 힘 전달 요소들(124) 및/또는 상기 굴곡 요소들(134)은 축방향 관통-구멍들을 포함한 격자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 힘 전달 요소(124)는 축방향 관통 구멍들(126)을 한정짓는 격자를 포함할 수 있다.

상기 굴곡 요소들(134), 또는 그것들의 적어도 부분들은 상기 힘 전달 요소들(124)의 상기 축방향 관통 구멍들(126) 내에서 연장 가능하도록 구성될 수 있다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 힘 전달 요소들(124) 내에 제공된 축방향 관통 구멍들(126)은 상기 힘 전달 요소들(124) 내에 형성된 상기 관통 구멍들(126) 안으로의 상기 굴곡 요소들(134)의 축방향 변위를 용이하게 한다.

각각의 힘 전달 요소(124)는 힘 전달 요소 격자를 포함할 수 있고 각각의 대응하는 굴곡 요소(134)는 중첩되고 오프셋된 굴곡 요소 격자를 포함할 수 있다. 이런 식으로 상기 힘 전달 요소 및 굴곡 요소 격자들을 중첩시키고 오프셋시킴으로써 축 방향으로 그것들 간의 상대적인 변위가 용이해지는바, 이는 부하를 탄성 전달(resiliently transferring)하고 상기 유연성 포일 추력 베어링에 유연성을 제공하기 위한 목적이다.

본 개시서에 제공된 예시들에 특정 전달 요소(124) 및 굴곡 요소(134)의 형상들이 보여진 반면, 그 전체적인 원리는 형상의 관점에서 다양한 변형물에 적용 가능하다는 점이 인식될 것이다.

상기 추력 플레이트(200)의 지지부들(246)은 상기 힘 전달 플레이트(120)의 축방향 관통 구멍들(126) 및/또는 상기 스프링 플레이트(130)의 축방향 관통 구멍들(136)과 축방향으로 중첩되도록 구성될 수 있는바, 특히 도 7a 및 도 7b에서 볼 수 있는 바와 같다.

상기 굴곡 요소들(134)의 반경방향 부분들은 상기 힘 전달 플레이트(120)의 축방향 관통 구멍들(125)과 축방향으로 중첩되로곡 구성될 수 있는바, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같다.

따라서 상기 추력 플레이트(200)의 지지부들(246) 및/또는 굴곡 요소들(134)의 부분들 및 힘 전달 요소들(124)의 부분들은, 간격들(gaps) - 그 안으로 상기 굴곡 요소들(134)의 부분들이 연장될 수 있는 - 을 제공하도록 축방향으로 들어맞을(axially intermeshed) 수 있다. 그와 같은 연장은 상기 플레이트들 사이의 상대적인 움직임을 용이하게 하는바, 유연성이 부여된다.

도 7a 및 도 7b에 도시된 예시에서 상기 힘 전달 요소들(124)은 원주방향으로 연장되는 부분들에 의하여 상호연결되는 반경방향으로 연장되는 부분들을 포함한다. 상기 힘 전달 요소들(124)은 아래에 놓인 굴곡 요소들(134)과 중첩된다. 상기 굴곡 요소들(134)은 상기 대응하는 힘 전달 요소들(124)의, 위에 놓인 반경방향으로 연장되는 부분들 사이에서 연장되도록 구성된 반경방향으로 연장되는 부분들을 포함한다. 상기 힘 전달 요소들(124)의 상기 원주방향으로 연장되는 부분들은 상기 대응하는 굴곡 요소들(134)의, 상기 위에 놓인 반경방향으로 연장되는 부분들과 접촉한다. 상기 위에 놓인 추력 플레이트(200)의 환형 지지부들(246)은 상기 힘 전달 요소들(124)의 원주방향 부분들 사이에서 연장된다. 이런 형태의 상호연결은 개별 용례들에 대한 고도의 설정변경성이 있는(highly configurable) 우수한 탄성 특성을 촉진한다.

도 8a 및 도 8b에는 상기 스프링 플레이트(130)의 탭들(138)이 연장된 배향과 접힌 배향으로 도시된다. 이에 따라 상기 플레이트들이 - 그렇다면 상기 탭들(138)이 나머지 플레이트들 위에서 접혀져 그 나머지 플레이트들을 제자리에 유지시키는 채로 - 함께 적치될 수 있다.

상기 스프링 플레이트(130)의 두께보다 큰 두께를 가진 상기 힘 전달 플레이트(120)가 제공될 수 있고, 이는 임의선택적으로 상기 유체 플레이트(110)의 두께보다 더 클 수도 있는바, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같다. 상기 스프링 플레이트의 두께보다 더 큰 두께를 가진 힘 전달 플레이트의 제공은 상기 힘 전달 플레이트의 왜곡에 연관된 성능 열화에 대항한 보호장치가 된다는 점이 식별되었다. 힘 전달 플레이트의 증가된 두께는 상기 유체 플레이트의 더 넓은 작동 구역(working area)에 걸쳐 힘을 고르게 분산시키는 데에 도움이 된다.

상기 유체 플레이트는 0.076mm와 0.127mm 사이의 두께를 가질 수 있다. 상기 힘 전달 플레이트(120)는 0.125mm와 0.25mm 사이, 또는 0.127mm와 0.25mm 사이의 두께를 가질 수 있다. 상기 스프링 플레이트(130)는 0.076mm와 0.127mm 사이의 두께를 가질 수 있다.

청구항으로 된 예시들을 포함하여 본 개시서에 개시된 예시들 각각은 어느 하나의 예시에 따른 유연성 포일 추력 베어링을 포함하는 가스 터빈 시스템, 예컨대, 마이크로 터비니 시스템 내에 제공될 수 있다. 가스 터빈 시스템에 그러한 유연성 포일 추력 베이링을 채용함으로써, 마찰 손실 및 열 관리의 개선에 기인하여 향상된 성능 특성, 및 제조 간소화를 선사하는 가스 터빈 시스템이 제공된다.

본 개시서에 개시된 예시들이 한정적인 것이 아니라 수많은 수정 및 대체가 가능하다는 점이 인식될 것이다.

Claims

유연성 포일 추력 베어링 부조립체로서:
유체 플레이트로서, 환형 교합 링 및 상기 유체 플레이트 교합 링으로부터 반경방향 내향으로 배치된 복수개의 유체 포일 요소들을 포함하는 유체 플레이트;
힘 전달 플레이트로서, 환형 교합 링 및 상기 힘 전달 플레이트 교합 링으로부터 반경방향 내향으로 배치된 복수개의 힘 전달 요소들을 포함하는 힘 전달 플레이트; 및 스프링 플레이트로서, 환형 교합 링 및 상기 스프링 플레이트 교합 링으로부터 반경방향 내향으로 배치된 복수개의 굴곡 요소들을 포함하는 스프링 플레이트
를 포함하되:
상기 유체 플레이트, 상기 힘 전달 플레이트 및 상기 스프링 플레이트는, 중첩되는 힘 전달 요소들 및 굴곡 요소들의 대응하는 쌍에 의하여 각각의 유체 포일 요소가 축방향으로 지지되도록 적치 가능한, 유연성 포일 추력 베어링 부조립체.
제1항에 있어서:
상기 힘 전달 요소들은 축방향 관통 구멍들을 포함하는, 유연성 포일 추력 베어링 부조립체.
제2항에 있어서:
상기 굴곡 요소들은 대응하는 힘 전달 요소들의 상기 축방향 관통 구멍들과 중첩되도록 배치되는 부분들을 포함하는, 유연성 포일 추력 베어링 부조립체.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서:
상기 굴곡 요소들은 반경방향으로 연장되는 부분들을 포함하고;
상기 힘 전달 요소들은 대응하는 굴곡 요소들의 반경방향으로 연장되는 부분들 사이에서 연장되도록 배치된 반경방향으로 연장되는 부분들을 포함하는, 유연성 포일 추력 베어링 부조립체.
제4항에 있어서:
상기 힘 전달 요소들은 상기 굴곡 요소들의 상기 반경방향으로 연장되는 부분들과 접촉하도록 배치된 원주방향으로 연장되는 부분들을 포함하는, 유연성 포일 추력 베어링 부조립체.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서:
상기 힘 전달 플레이트는 실질적으로 평면적이며; 그리고/또는
상기 스프링 플레이트는 실질적으로 평면적인, 상기 유연성 포일 추력 베어링 부조립체.
유연성 포일 추력 베어링을 위한 추력 플레이트로서:
환형 교합 표면; 및
상기 환형 교합 표면으로부터 반경방향 내향으로 배치된 함입된 표면을 포함하는, 추력 플레이트.
제7항에 있어서:
상기 함입된 표면으로부터 축방향으로 연장되는 하나 이상의 지지부들을 포함하는, 추력 플레이트.
제8항에 있어서:
각각의 지지부는 환형 방향(annular direction)으로 연장되는, 추력 플레이트.
제8항 또는 제9항에 있어서:
각각의 지지부는 볼록면을 포함하는, 추력 플레이트.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서:
각각의 지지부는 상기 함입된 표면으로부터 위치 - 실질적으로 상기 환형 교합 표면에 의하여 한정되는 평면 내에 놓인 위치 - 까지 축방향으로 연장되는, 추력 플레이트.
유연성 포일 추력 베어링으로서:
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 유연성 포일 추력 베어링 부조립체; 및
제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 추력 플레이트
를 포함하는, 유연성 포일 추력 베어링.
추력 플레이트 상의 추력 원판을 회전 가능하게 지지하는 방법으로서:
축방향으로 함입된 표면을 포함하는 추력 플레이트를 제공함;
반경방향 내향으로 연장되는 굴곡 요소들을 포함하는 스프링 플레이트를 상기 추력 플레이트 상에 적치함;
상기 굴곡 요소들과 중첩되도록 배치된 반경방향 내향으로 연장되는 힘 전달 요소들을 포함하는 힘 전달 플레이트를 상기 스프링 플레이트 상에 적치함;
상기 힘 전달 요소들과 중첩되도록 배치된 유체 포일 요소들을 포함하는 유체 플레이트를 상기 힘 전달 플레이트 상에 적치함
을 포함하되:
상기 추력 원판으로부터 전달된 축방향 힘은, 각각의 유체 포일 요소를 통하고, 대응하는 아래에 놓인 힘 전달 요소를 통하여, 대응하는 아래에 놓인 굴곡 요소로 전달되고, 상기 굴곡 요소는 상기 추력 플레이트의 상기 함입된 표면을 향하여 축방향으로 굴곡되는, 방법.
제13항에 있어서:
상기 추력 플레이트는, 상기 축방향으로 함입된 표면으로부터 축방향으로 연장되고 상기 굴곡 요소들과 접촉하도록 배치된 하나 이상의 지지부들을 포함하는, 방법.
제14항에 있어서:
상기 하나 이상의 지지부들이 환형 방향으로 연장되는, 방법.