KR20230144616A - 다중 베어링 표면 및 접촉각 정의부를 갖는 레이디얼 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3개의 포일 팩을 구비하는 레이디얼 포일 베어링에 관한 것이다.

Description

다중 베어링 표면 및 접촉각 정의부를 갖는 레이디얼 포일 베어링

레이디얼 포일 베어링은 샤프트의 공기역학적 장착을 위한 것으로 샤프트와 레이디얼 포일 베어링 사이에 하중 지지 가스/에어 쿠션이 형성된다. 작동 모드는 유체역학적 유체 베어링의 작동 모드와 유사하지만, 샤프트가 유체역학적 유체 베어링의 유체 쿠션에 의해 지지되지 않고 에어 쿠션을 통해 레이디얼 포일 베어링에 의해 지지된다는 차이점이 있다. 두 가지 기능적 형태는 샤프트의 회전 운동만이 하중 지지 쿠션의 형성으로 이어진다는 공통점이 있다.

포일 베어링은 회전 샤프트와 고정 하우징 구성요소 사이에 플렉시블 탄성 구조믈을 갖는다는 점에서 종래의 공기역학적 베어링과 상이하다. 이러한 특징은 포일 베어링이 종래의 에어 베어링보다 낮은 강성을 나타내지만, 예를 들어, 베어링 시트의 오정렬 오류 또는 샤프트와 하우징의 상이한 열팽창으로 인해 발생하는 에어 갭의 기하학적 변화에 적응할 수 있으므로, 많은 응용분야에서 실제로 더 높은 작동 안정성을 가능하게 함을 의미한다.

하중 지지 에어 쿠션을 형성하기 위해, 레이디얼 포일 베어링은 일반적으로 고정 샤프트와 접촉하는 상단 포일 및 상단 포일과 베어링의 외부 링 사이에 방사상으로 배치된 파형 포일을 가지며, 이는 반경 방향으로 탄성적으로 편향될 수 있다. 따라서, 원칙적으로, 레이디얼 포일 베어링은 서로 접촉하는 2개의 포일 및 레이디얼 포일 베어링이 하우징에 수용될 수 있도록 포일을 지지하는 외부 링을 갖는다. 외부 링은 레이디얼 포일 베어링의 포일이 삽입되는 하우징과 일체로 형성될 수도 있다.

샤프트가 레이디얼 포일 베어링에 대해 회전 운동으로 설정되면, 정지 상태에 의해 정의된 에어 갭에 존재하는 공기가 변위된다. 샤프트의 특정 속도 이상에서, 상단 포일과 샤프트 사이에 샤프트가 미끄러질 수 있는 에어 쿠션이 형성된다. 이와 관련하여, 파형 포일과 방사형 스프링 효과가 있는 포일 팩은 공압의 변동이나 반경 방향의 샤프트 진동이 베어링에 영향을 미치지 않도록 하여 에어 쿠션 하중 지지를 유지한다.

종래 기술에서, 포일 베어링의 다양한 설계가 알려져 있다. 레이디얼 포일 베어링 외에도, 축 방향 하중 지지력을 제공할 수 있는 축 방향 포일 베어링도 있다. 베어링 포일의 배치 및 기하학적 설계는 다양하며 각각의 응용분야에 맞게 조정된다.

EP 2 942 537 A1은 3개의 파형 포일 및 거의 원주를 이루는 상단 포일을 가진 레이디얼 포일 베어링을 보여주며, 파형 포일은 후크 형상의 단부에 의해 외부 링의 자체 슬롯에 각각 후크 연결되고 상단 포일은 양 단부가 서로 맞닿은 상태로 슬롯 중 하나에 삽입된다.

EP 3 387 275 A1은 상부 포일 및 파형 포일로 구성된 3개의 팩이 있는 레이디얼 포일 베어링을 보여주며, 각각의 팩은 포일의 각각의 단부에서 외부 링의 슬롯에 삽입된다.

CN 209 990 776 U는 파형 포일 및 상단 포일 둘 모두가 거의 완전히 원주형으로 설계되고 각각은 두 포일 모두가 공통 슬롯에 삽입되는 각진 단부를 갖는 레이디얼 포일 베어링을 보여준다. 이 연결은 이어서 클램핑 방식으로 나사로 고정된다.

기능적 하중 지지력을 최적화하기 위해, 포일을 경제적으로 배치하는 것은 문제가 있는 것으로 입증되었다.

따라서 본 발명의 목적은 경제적인 포일 배치를 가능하게 하고 레이디얼 포일 베어링의 기능을 개선하는 레이디얼 포일 베어링을 설계하는 것이다.

본 목적은 청구항 제1항의 특징에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 해결책은 외부 링, 적어도 하나의 파형 포일 및 적어도 하나의 상부 포일을 갖는 레이디얼 포일 베어링을 특징으로 하며, 파형 포일은 외부 링과 상단 포일 사이에 방사상으로 배치되고, 파형 포일과 상단 포일로부터 3개의 포일 팩이 형성되어 외부 링의 내주면을 따라 연속적으로 배치되고, 레이디얼 포일 베어링은 하나의 회전 방향으로만 작동 가능하며, 각각의 상단 포일의 제1 단부는 외부 링에 견고하게 연결되고 제1 단부의 반대편에 있는 각각의 상단 포일의 제2 단부는 자유롭게 움직일 수 있으며, 지지될 샤프트는 상단 포일의 자유롭게 움직일 수 있는 제2 단부의 정의된 각도 범위 내에서 상단 포일과 접촉할 수 있다.

외부 링에 대한 제1 단부의 견고한 연결은 이 제1 단부가 외부 링에 고정적으로 연결되도록 하는 것이다. 이는, 예를 들어, 저항/스폿 용접 또는 레이저 용접에 의해 달성될 수 있다.

레이디얼 포일 베어링의 포일은 얇고 탄력 있는 판금 스트립으로 형성되고 레이디얼 포일 베어링의 축 방향보다 레이디얼 포일 베어링의 원주 방향에서 큰 기하학적 표현을 갖는다.

본 발명은 이미 저속에서 지지되는 샤프트의 불안정성을 최소화한다. 또한 공기 흐름의 분리 가장자리는 가장 높은 압력이 형성되는 하중 지지 영역 밖으로 이동한다. 이는 레이디얼 포일 베어링이 더 낮은 리프트 오프 속도에서 작동할 수 있게 한다.

본 발명에 따른 레이디얼 포일 베어링의 최적화된 설계는 지지될 샤프트에 연결된 압축기 로터의 동적 진동 거동을 최적화하고 압축기의 더 원활한 작동을 보장한다. 이러한 로터 동적 불안정성은 레이디얼 포일 베어링 및 정의된 각도 접촉 영역을 최적화함으로써 여기에서 최소화된다.

본 발명에 따른 레이디얼 포일 베어링은 외부 링과 함께 압축기의 리셉터클에 삽입될 수 있으며, 압축기는 연료 전지, 바람직하게는 자동차, 즉, 이동식 차량에 장착된 연료 전지에 가스를 공급하기 위해 제공된다. 대안적으로, 본 발명에 따른 레이디얼 포일 베어링을 갖는 이러한 압축기는 고정식 연료 전지에 제공될 수 있다.

레이디얼 포일 베어링은 내부에 부품이 없는 엔벨로핑 원을 가지며, 이는 지지될 샤프트와 결합할 때 최대 허용 설치 공간 역할을 한다.

본 발명의 일 구현예는 지지될 샤프트 또는 엔벨로핑 원과 상단 포일의 제2 단부 사이의 접촉이 선형이고 축 방향으로 연장되는 것을 제공한다. 접촉선의 위치는 자유 단부로부터 상단 포일의 원주 길이의 1/3 내에 있으며, 접촉선은 상단 포일의 총 원주 연장 길이의 +/- 15%의 허용 오차로 제공된다. 베어링이 올바른 위치에 상응하게 장착된 경우, 이 접촉은 샤프트가 회전하지 않을 때 샤프트와 상단 포일 사이의 접촉에도 상응한다. 이 접촉의 양 측에 원주 방향으로 초승달 형상 갭이 형성된다. 지지될 샤프트의 속도가 증가하면, 포일 체결 부분에 인접한 초승달 형상 갭에 하중 지지 에어 쿠션이 형성된다. 각인된 압력과 포일의 유연성으로 인해, 접촉은 평면 연장 및 거의 일정한 레이디얼 갭 높이가 있는 갭으로 바뀌며, 이는 전술된 각도 범위 주위로 두 원주 방향 모두로 연장되고 하중 지지 가스/에어 쿠션을 형성한다.

본 발명에 따른 일 구현예에서, 하나의 포일 팩의 상단 포일은 방사상 거리에서 원주 방향으로 뒤따르는 포일 팩의 상단 포일과 중첩된다. 방사상 거리에서의 이 중첩은, 제1 상단 포일이 제1 단부에서 체결 탭에 의해 외부 링에 부착되는 방식으로 2개의 연속 포일의 방사상 인터리브에서 이어지며, 체결 탭은 본 발명에 따른 각도 범위가 배치된 원주 방향으로 제1 상단 포일 바로 뒤에 뒤따르는 제2 상단 포일의 베어링 표면보다 더 큰 피치 원에 배치된다. 이는 레이디얼 포일 베어링의 직경을 더 작게 만들 수 있는 정도로 모든 연속 각도 범위의 원주 방향 하중 지지력을 개선한다.

유리하게, 이에 따라 원주 방향 베어링 표면이 증가되고 또한 개별 포일 팩 사이의 원주 방향으로 설치 공간을 훨씬 더 잘 활용할 수 있다. 포일 팩의 상단 포일의 자유(제2) 단부는 원주를 따라 이어지는 포일 팩의 상단 포일의 고정(제1) 단부와 반경 방향 거리에서, 상호 접촉 없이 또는 대안적으로 평면 접촉을 갖고 중첩될 수 있다.

2개의 연속 상단 포일 사이의 원주 거리는 작동 중, 특히 레이디얼 포일 베어링 또는 샤프트의 진동이 발생하는 경우에 서로 접촉하지 않는 방식으로 치수 설정된다. 그러나, 원주 거리는 또한 에어 쿠션이 파열되는 것을 방지하기 위한 것이다(예를 들어, 거리는 포일의 단부에서 발생하는 난류를 기반으로 한다).

레이디얼 포일 베어링의 유리한 구현예에서, 개별 상단 포일 아크 길이의 합은 외부 링의 내주보다 크고 이에 따라 하나의 포일 팩의 상단 포일은 원주 방향으로 뒤따르는 포일 팩의 상단 포일과 접촉하여 중첩된다. 이는 또한 레이디얼 포일 베어링의 직경을 더 작게 만들 수 있는 정도로 모든 연속 각도 범위의 원주 방향 하중 지지력을 개선한다. 특히, 레이디얼 포일 베어링의 중심에 대한 중첩에 의해 제1 상단 포일을 커버하는 제2 상단 포일은 이와 관련하여 제1 상단 포일에 의해 지지된다.

유리하게는, 상단 포일의 반경 중심, 지지될 샤프트 또는 엔벨로핑 원과 상단 포일 사이의 접촉부, 및 레이디얼 포일 베어링의 베어링 중심은 가상 직선 상에 놓인다. 처음에 설명된 바와 같이, 작동 시, 선형 접촉부는 상단 포일과 지지될 샤프트 사이의 베어링 표면이 된다.

또한, 이 직선을 따른 상단 포일의 반경 중심은 샤프트 반경의 0.5% 내지 7%만큼 레이디얼 포일 베어링의 베어링 중심에 대해 편심될 수 있다. 따라서, 상단 포일 반경은 엔벨로핑 원 반경보다 상응하게 더 크다. 전술된 기하학적 설계로 인해, 엔벨로핑 원과 상단 포일 사이의 접촉선과 포일 체결 지점 사이의 상단 포일과 샤프트 사이에 초승달 형상 갭이 형성된다. 생성된 초승달 형상은 웨지 갭의 최적화된 형태를 나타내며, 이를 통해 상단 포일에서 샤프트를 들어 올리는 데 필요한 공압이 이미 낮은 속도에서 형성되고 접촉 영역에서 파형 포일의 약간의 방사상 편향만으로도 대면적을 형성하기에 충분하고 이에 따라 하중 지지 베어링 표면을 형성한다. 연료 전지 압축기의 소위 유휴 속도는 설명된 기하학적 구조에 의해 감소될 수 있고 따라서 소비 감소가 달성될 수 있다.

본 발명의 맥락에서 "외부 링"은 별개의 구성요소로서("외부 구성요소"로서) 하우징에 삽입될 수 있거나, 또는 하우징과 일체로 형성된 외부 링이 하우징 보어로서 존재하도록 하우징과 일체로 형성될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 다중 부품 설계("외부 구성요소") 및 단일 부품 또는 통합 설계("하우징 보어")는 "외부 링"이라는 용어로 합쳐진다. 이와 관련하여, 레이디얼 포일 베어링의 필수 특징은 지지될 샤프트 또는 엔벨로핑 원이 정의된 각도 범위에서 포일 팩 또는 상단 포일과 접촉한다는 것이다.

본 발명에 따른 해결책은 하중 지지력 자체의 품질뿐만 아니라 지지될 샤프트의 지지를 개선한다. 이는 정적 상태에서 샤프트의 가능한 가장 중심적인 위치 설정, 가능한 최저 리프트 오프 속도, 작동 시 가능한 최대 하중 지지력 및 압축기의 전체 속도 범위에서 가능한 최상의 동적 로터 안정성을 포함한다. 이 포일 팩의 여러 개가 외부 링 내주면의 내주에 걸쳐 위치 설정되는 경우, 3개 이상의 포일 팩은 정적 상태에서 샤프트의 중심 위치를 최적화하고, 여러 원주 지점에서 샤프트가 지지될 수 있도록 하여 동작 범위를 감소시킴으로써 동적 로터 안정성을 개선한다.

유리하게 원주 방향으로 연속적으로 배치된 3개의 포일 팩을 갖는 레이디얼 포일 베어링은 하나의 회전 방향으로만 움직일 수 있고 따라서 단일 방향으로 설계된다. 특히 작동 중에, 회전 방향을 역전하는 것은 불가능하고 그렇게 해서는 안 된다. 이 설계로 인해, 본 발명에 따른 레이디얼 포일 베어링은 오직 한 방향의 샤프트 회전만을 가능하게 한다. 이는 또한 지지될 샤프트의 회전 방향이 레이디얼 포일 베어링의 작동 회전 방향에 상응하도록 레이디얼 포일 베어링의 방향성 설치를 필요로 한다.

유리하게는, 레이디얼 포일 베어링에는 레이디얼 포일 베어링이 작동되고 이 정보와 함께 리셉터클에도 설치되는 허용 회전 방향을 나타내는 표시가 제공된다. 대안적으로 또는 추가로, 레이디얼 포일 베어링이 리셉터클의 원주 위치에 삽입되어 지지될 샤프트가 정지 상태에 있을 때 중량 힘에 의해 본 발명에 따른 레이디얼 포일 베어링의 각도 범위 중 하나에서 접촉을 찾을 수 있도록, 표시는 본 발명에 따른 각도 범위의 위치/지점을 나타낼 수 있다.

본 발명의 예시적인 구현예는 다음의 도면을 사용하여 더 상세히 설명된다.

도 1은 외부 링(2), 파형 포일(3) 및 상단 포일(4)을 갖는 레이디얼 포일 베어링(1)을 도시하며, 파형 포일(3)과 상단 포일(4)은 포일 팩(8)을 형성한다. 3개의 포일 팩(8)이 외부 링(2)의 원주 주위에 연속적으로 패턴화되고 서로에 대해 일정한 거리로 배치된다. 이와 관련하여, 레이디얼 포일 베어링(1)의 원주 방향에서 보았을 때 파형 형상을 갖는 파형 포일(3)은 외부 링(2)의 내주면(5)과 접촉한다. 외부 링(2)의 반대편 파형 포일(3)의 측부에서 상단 포일(4)은 파형 포일(3)과 접촉한다. 파형 포일(3)의 파형 형상은 상단 포일(4)이 외부 링(2)을 향해 편향되게 한다(즉, 파형 포일(3)의 방사상 팽창이 편향에 의해 감소된다). 이 편향은 파형 포일(3)의 치수를 원주 방향으로 길게 한다.

각각의 포일 팩(8)은 공통 제1 단부(6)에서 외부 링(2)에 견고하게 연결된 상단 포일(4) 및 파형 포일(3)을 갖는다. 포일 팩(8) 및 이에 따른 포일(3, 4)의 다른 제2 단부(7)는 원주 방향 및 반경 방향으로 움직일 수 있다. 그러나, 제2 단부(7)는 외부 링(2)의 내주면(5)과 접촉한다(상단 포일(4)은 파형 포일(3)을 통해 간접적으로 접촉하고 파형 포일(3) 자체는 외부 링(2)에 직접적으로 접촉함).

지지될 샤프트(9)의 회전 방향(11)은 시계 방향으로 도시되어 있다(즉, 샤프트(9)의 외주에 있는 가상의 고정점이 먼저 포일 팩(8)의 고정된 제1 단부(6)를 통과하고 이어서, 회전이 진행됨에 따라, 이 포일 팩(8)의 관련 자유 단부(7)를 통과함). 3개의 포일 팩(8)은 외부 링(2) 내부에 거의 120°의 원주 방향 오프셋으로 배치된다.

도 1에 도시된 도면에서, 샤프트(9)는 배치의 도식적 표현으로 인해 레이디얼 포일 베어링(1)에서 "띄워져"있다. 실제로, 샤프트(9)가 정지 상태에 있을 때, 샤프트(9)는 중량 힘으로 인해 포일 팩(8) 중 하나, 특히 관련된 상단 포일(4)과 접촉부(13)를 형성한다. 이 접촉부(13)는 도 1 및 도 2의 예시와 달리 본 발명에 따른 각도 범위(10) 내에서 "6시 위치"에 배치되는 것이 유리하다. 샤프트(9)가 회전되고 상태가 정지 상태에서 작동 상태로 변경되면, 도 2에 도시된 웨지 갭(12)이 형성되어 샤프트(9)와 상단 포일(4) 사이에 바람직한 가스 압력이 형성되고 샤프트(9)는 선형 접촉부(13)의 영역에서 반경 방향으로 상단 포일(4)로부터 들어올려질 수 있다. 플렉시블 상단 포일(4) 및 파형 포일(3)은 평면 및 하중 지지 가스/에어 쿠션을 형성한다.

본 발명에 따른 접촉부(13)는 각도 범위(10) 내에 놓인다. 각도 범위(10)의 중심은 라디안으로 상단 포일 원주의 1/3만큼 회전 방향(11)과 반대편으로 상단 포일(4)의 경계 에지의 자유 단부(7)로부터 떨어져 위치한다. 각도 범위(10)의 한계는, 각각의 경우에, 이 중심으로부터 양 측으로 멀어지게 라디안 단위로 상단 포일 원주의 15%이다.

또한, 도 2에 따르면, 접촉부(13), 레이디얼 포일 베어링(1)의 중심, 및 샤프트(9) 또는 엔벨로핑 원에 대한 접촉부(13)가 만들어지는 상단 포일(4)의 반경 중심이 공통 직선(14)에 놓이는 것을 도시한다. 유리하게는, 초승달 형상 갭(12)은 따라서 상단 포일(4)의 전체 원주 길이의 2/3의 연장에 걸쳐 형성될 수 있다.

선형 접촉부(13)는 자유 단부(7)로부터 라디안 단위의 절대값(16)을 가지며, 이는 상단 포일(4)의 원주 길이의 1/3과 동일하다. 각도 범위(10)는 이 접촉부(13) 주위에 형성되며, 이는 선형 접촉부(13)에 대한 허용 영역으로 제공된다.

1 레이디얼 포일 베어링
2 외부 링
3 파형 포일
4 상단 포일
5 내주면
6 제1 단부(고정)
7 제2 단부(자유)
8 포일 팩
9 샤프트
10 각도 범위
11 회전 방향
12 초승달 형상 갭
13 접촉 샤프트/상단 포일
14 직선
15 엔벨로핑 원
16 라디안 단위의 절대값/자유 단부로부터의 거리

Claims (8)

1. 레이디얼 포일 베어링(1)으로서,
   - 외부 링(2), 적어도 하나의 파형 포일(3) 및 적어도 하나의 상단 포일(4)을 구비하며,
   - 파형 포일(3)은 외부 링(2)과 상단 포일(4) 사이에 방사상으로 배치되고,
   - 파형 포일(3)과 상단 포일(4)로부터 3개의 포일 팩(8)이 형성되어 외부 링(2)의 내주면에 걸쳐 연속적으로 배치되며,
   레이디얼 포일 베어링(1)은 하나의 회전 방향(11)으로만 작동 가능하며, 각각의 상단 포일(4)의 제1 단부(6)는 외부 링(2)에 견고하게 연결되고 제1 단부(6)의 반대편에 있는 각각의 상단 포일(4)의 제2 단부(7)는 자유롭게 움직일 수 있으며, 지지될 샤프트(9)는 상단 포일(4)의 자유롭게 움직일 수 있는 제2 단부(7)의 각도 범위(10) 내에서 상기 상단 포일과 접촉할 수 있거나, 레이디얼 포일 베어링(1)의 엔벨로핑 원(15)은 각도 범위(10) 내에서 적어도 하나의 상단 포일(4)과 접촉하며, 하나의 포일 팩(8)의 상단 포일(4)은 방사상 거리에서 원주 방향으로 뒤따르는 포일 팩(8)의 상단 포일(4)과 중첩되는 것을 특징으로 하는 레이디얼 포일 베어링(1).
2. 제1항에 있어서, 지지될 샤프트(9) 또는 엔벨로핑 원(15)과 상단 포일(4)의 제2 단부(7) 사이의 접촉부(13)는 선형이고 축 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 레이디얼 포일 베어링(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 개별 상단 포일 아크 길이의 합은 외부 링(2)의 내주보다 크고 이에 따라 하나의 포일 팩(8)의 상단 포일(4)은 원주 방향으로 뒤따르는 포일 팩(8)의 상단 포일(4)과 접촉하여 중첩되는 것을 특징으로 하는 레이디얼 포일 베어링(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상단 포일(4)의 반경 중심, 지지될 샤프트(9) 또는 엔벨로핑 원과 상단 포일(4) 사이의 접촉부(13), 및 레이디얼 포일 베어링(1)의 베어링 중심은 가상 직선(14) 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 레이디얼 포일 베어링(1).
5. 제4항에 있어서, 가상 직선(14) 상의 상단 포일(4)의 반경 중심은 상기 엔벨로핑 원의 중심으로부터 엔벨로핑 원(15)의 반경의 0.5% 내지 7%의 거리에 있고 상단 포일(4)의 반경은 이에 상응하여 엔벨로핑 원(15)의 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 레이디얼 포일 베어링(1).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 지지될 샤프트(9) 또는 엔벨로핑 원(15)과 상단 포일(4) 사이의 접촉부(13)는 상단 포일(4)의 총 원주 길이의 1/3 영역에 배치되고, 상기 영역은 상기 상단 포일의 제2 단부(7)로부터 연장되어 각도 범위(10)를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 포일 베어링(1).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각도 범위(10)는 상단 포일(4)의 자유 단부(7)로부터 상기 상단 포일 원주의 1/3에서 상단 포일(4) 원주 길이의 15%를 뺀 값에 상응하는 라디안 단위 절대값의 거리에 위치하고, 이로부터 상단 포일(4) 원주 길이의 30%의 라디안 단위의 절대값만큼 연장되는 것을 특징으로 하는 레이디얼 포일 베어링(1).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 레이디얼 포일 베어링(1)은 레이디얼 포일 베어링(1)의 접촉부(13) 중 적어도 하나 및 샤프트(9)의 중량 힘의 유효 방향에 따라 정확한 위치에 설치할 수 있도록 하는 적어도 하나의 설치 표시가 있는 것을 특징으로 하는 레이디얼 포일 베어링(1).