KR20240062521A - 터보기기용 에어베어링 - Google Patents

Abstract

터보기기에 사용되는 에어베어링이 소개된다. 에어베어링은 하우징; 제1 엔드 및 제1 엔드로부터 원주방향으로 말려진 제2 엔드를 갖는 탑포일; 하우징과 탑포일 사이에 개재된 범프포일; 및 하우징의 축방향 적어도 일단에 체결 고정되어 탑포일 및 범프포일의 축방향 이탈을 제한하는 리테이너 링을 포함한다. 제1 엔드와 제2 엔드 사이에 갭이 마련되며, 리테이너 링과 탑포일 사이에 범프포일과 연통되는 간극이 마련된다.

Description

터보기기용 에어베어링{Air Bearing For Turbomachinery}

본 발명은 터보송풍기, 터보압축기, 터보팽창기 등 로터와 유체 간 에너지를 전달하는 터보기기에 사용되는 에어베어링에 관한 것이다.

터보기기의 로터는 구름운동하는 볼 베어링에 의해 접촉 지지되거나, 또는 에어베어링이나 마그네틱 베어링에 의해 비접촉식으로 지지된다. 비접촉식 베어링은 윤활유가 필요 없으며 마찰이나 소음이 적어 축회전하는 터보기기의 로터 지지에 적합하다.

에어베어링은 기체를 윤활제로 사용하는 동압 베어링(Hydrodynamic gas bearing)으로, 회전하는 로터와 베어링 사이에서 기체 필름이 빌드업되어 로터가 부상되도록 한다. 에어베어링은 동력손실이 적고 고속 안정성이 우수하여 고속의 회전기기에 사용된다.

에어베어링은 1970년대 항공기의 객실 공조용 냉각터빈이나 공기순환장치에 사용되었고, 에어베어링의 부하지지능력이 향상됨에 따라 점차 터보 펌프, 모터 블로어, 히트 펌프, 터보 컴프레서, 마이크로 가스터빈, 터보 차져 등에도 사용되고 있다.

에어베어링은 부하지지능력이나 감쇠를 상당히 향상시킬 수 있으며 강성 또한 쉽게 조절 가능하기 때문에 동적 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 열변형, 정렬 불량, 기계적 가공오차 등 기계적 변형에 대한 적응성이 좋아 사용하기에 편리하다.

에어베어링은 저속 영역에서 고체 마찰, 로터와 베어링 간의 마찰을 피할 수 없다. 따라서 저속에서 로터와 베어링 사이의 마찰계수를 줄이고 베어링의 신뢰성이나 내구성을 향상시키기 위해 MoS₂와 같은 고체 마찰제로 베어링 표면을 코팅하기도 한다.

도 1에 저널 에어베어링의 일례가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 저널 에어베어링은 로터(1)와 하우징(2) 간의 틈새에 배치되어 회전축에 수직한 방향으로 로터(1)를 지지한다. 저널 에어베어링은 로터(1)를 직접 지지하는 탑포일(3)과 실질적인 댐핑 성능을 발휘하는 범프포일(4)를 구비한다. 범프포일(4)은 도 1에서 아치형 구조이나, 캔틸레버형 등 다른 형태로 구성될 수 있다.

탑포일(3)은 그 일단은 하우징(2)의 내주면에 고정되고 타단은 자유단이다. 이러한 에어베어링은 일방향 회전하는 로터의 지지가 가능하다. 도 1의 로터(1)가 반시계 방향 회전하다가 반대로 시계 방향 회전하면 탑포일(3)이 자유단 측에서부터 로터(1)에 의해 말리는 현상이 발생하고 에어베어링의 하중 지지능력은 상실된다.

터보블로어가 압력을 상승시켜 에어를 공급하던 중 정지할 때, 잔류 또는 리크된 여압의 공기에 의해 블로어가 조금씩 역회전을 하는 경우가 있다. 수 mm만 움직여도 무거운 로터와 탑포일 간에 큰 마찰이 발생하고, 이러한 현상이 반복되는 경우 탑포일의 코팅이 벗겨지고 심한 경우 탑포일이 영구변형되거나 피로파괴될 수 있다.

에어베어링의 회전 방향성 문제는 탑포일의 양단을 하우징에 고정하고 자유단을 없애는 것으로 해결될 수 있을 것이다. 예로서 탑포일의 자유단을 하우징에 마련된 홈에 끼우거나 하우징에 별도 마련된 고정부재를 이용하여 고정할 수 있을 것이다. 개선된 다른 방안으로 한국특허 제1968658호의 양방향 에어베어링이 제안된 바 있다.

통상적으로 저널 에어베어링의 탑포일은 두께 0.2mm~0.3mm 정도의 박판으로 제작된다. 박판 탑포일은 유연하지만, 큰 무게의 로터에 의해 쉽게 탑포일 및 범프포일이 휘어지고 변형될 수 있어 내구성이나 수명 측면에서 불리하다. 탑포일을 더 두껍게 하여 구조적 강성을 크게 할 수 있다면, 내구성 및 수명 향상 뿐만 아니라 제조원가의 절감 이익 또한 기대할 수 있다.

에어베어링은 많은 장점에도 불구하고, 갑작스런 단발적인 큰 외란에 의해 범프포일에 영구변형(범프포일의 높이가 낮아지는 변형)이 발생하고, 이로 인해 베어링 기능이 상실되고 주요 부품들의 파손에 이르게 되는 문제가 있다. 1차적으로 범프포일의 영구변형을 제한함으로써, 임펠러, 샤프트 등 주요 부품의 손상에 이르는 2차 피해를 방지할 필요가 있다.

본 발명은 종래기술과 관련된 위와 같은 단점들을 해소한 터보기기용 저널베어링을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항들에 의해서도 이해될 수 있을 것이다.

위 목적들은 청구범위에 기재된 발명들, 구성들에 의해 달성된다. 본 발명의 터보기기용 에어베어링은 특징적으로 중공의 하우징; 하우징 내에 설치되며, 제1 엔드 및 제1 엔드로부터 원주방향으로 말려진 제2 엔드를 갖는 탑포일, 제1 엔드와 제2 엔드 사이에 갭이 마련됨; 하우징과 탑포일 사이에 개재된 범프포일; 및 하우징의 축방향 적어도 일단에 체결 고정되어 탑포일 및 범프포일의 축방향 이탈을 제한하는 리테이너 링을 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 탑포일은 종래보다 두꺼운 0.5mm~4mm의 두께의 플레이트로 제작되며, 둥글게 말린 실린더 형태의 구조를 갖는다. 범프포일은 축방향 일단과 타단이 개방된 원통형으로 형성된다.

본 발명에 의하면, 상기 리테이너 링과 탑포일 사이에 범프포일과 연통되는 간극이 마련된다. 간극을 통해 탑포일과 하우징 사이 공간의 열이 원활이 배출된다.

본 발명에 의하면, 상기 탑포일의 축방향 일단 테두리에 슬롯이 마련된다. 리테이너 링은 방사방향 안쪽으로 돌출된 키플레이트를 구비하며, 슬롯에 끼워진 키플레이트에 의해 범프포일의 회전이 제한된다.

본 발명에 의하면, 상기 키플레이트에는 슬릿이 형성된다. 범프포일은 키플레이트의 슬릿에 끼워질 수 있도록 축방향으로 돌출된 칼라를 구비한다. 키플레이트와 슬릿에 의해 범프포일이 하우징 내에서 위치 고정된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 탑포일이 강성을 갖도록 두껍게 제작될 수 있어 에어베어링의 잦은 변형 및 손상이 방지되고, 에어베어링의 수명 연장이 가능하다.

또한 본 발명에 의하면, 포일들의 고정을 위해 베어링 하우징의 내주면에 홈가공을 하거나 포일들에 절곡부를 형성할 필요가 없다. 에어베어링의 제작이 손쉬워지고, 제작 비용의 절감이 가능하다.

또한 본 발명에 의하면, 하우징 및 포일들이 단순한 구조로 형성되므로 열팽창 등으로 인한 변형 시 종래보다 상대적으로 대칭성이 유지될 수 있고, 에어베어링의 로터 댐핑 성능 및 안정성이 우수하다.

도 1은 저널 에어베어링의 예를 보여준다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에어베어링을 보여준다.
도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 에어베어링을 보여준다.
도 5는 도 4에 도시된 에어베어링의 부분확대도이다.

이하 본 발명의 여러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징들에 대한 직관적인 이해를 위해 과장되거나 개략적으로 도시될 수 있다.

본 문서에서, 별도 한정이 없거나 본질적으로 허용될 수 없는 것이 아닌 한, 두 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 표현들, 예로서 '상', '연결'과 같은 표현들은 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재되는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표시는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.

도 2 및 도 3에 실시예에 따른 터보기기용 저널 에어베어링이 도시되어 있다. 도 2는 에어베어링의 부품들을 보인 분해사시도, 도 3은 부품들 조립 후의 에어베어링을 보인 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 에어베어링은 중공의 베어링 하우징(30), 하우징(30) 내에 설치되는 탑포일(10) 및 범프포일(20), 그리고 하우징(30)의 축방향 일단(31)과 타단(32)에 설치된 리테이너 링(40a,40b: 40)을 구비한다. 축방향은 하우징(30) 내에 설치되는 로터(미도시)의 회전축 방향을 의미한다.

하우징(30)은 축방향의 일단(31)과 타단(32)이 개방된 원통형 구조를 갖는다. 종래 하우징(30)의 내주면에는 탑포일이나 범프포일의 일단을 끼워 고정하기 위한 홈이나 슬롯 등이 축방향으로 형성된다. 그러나, 실시예에 의하면 이러한 홈 가공이 불필요하며, 따라서 하우징(30)은 단순한 원통 형상(내주면 기준)으로 제작될 수 있고 열팽창 시에도 대칭성이 유지될 수 있다.

탑포일(10)은 로터(미도시)를 직접 지지하는 부품으로, 탑포일(10)과 로터 사이에 빌드업된 공기 필름에 의해 로터가 부상된다. 종래보다 두꺼운 0.5mm~4mm의 두께의 플레이트로 제작되며, 둥글게 말린 실린더 형태의 구조를 갖는다.

탑포일(10)은 원주방향으로 제1 엔드(10a)와 제2 엔드(10b)를 갖는다. 제2 엔드(10b)는 제1 엔드(10a)로부터 원주방향으로 말려져 있고, 제1 엔드(10a)와 제2 엔드(10b) 사이에 갭(13)이 마련된다. 이 갭(13)은 터보기기 운전 중 발생하는 열로 인한 로터, 하우징(30) 및 탑포일(10)의 열팽창량을 보상한다.

탑포일(10)의 축방향 일단(11)과 타단(12)은 개방되어 있다. 일단(11)과 타단(12)의 각 테두리에는 슬롯(14)이 형성된다. 슬롯(14)은 적어도 1개 이상, 바람직하게는 원주방향을 따라 2개 이상 마련된다. 실시예에 의하면, 슬롯(14)은 테두리에서 축방향으로 각지게 커팅된 형상을 갖는다.

범프포일(20)은 하우징(30)의 내주면과 탑포일(10) 사이에 개재되며, 로터로부터의 충격을 완화 및 댐핑하는 스프링 역할을 한다. 범프포일(20)은 축방향 일단(21)과 타단(22)이 개방된 원통형으로 제작되며, 댐핑을 위한 범프 구조를 갖는다. 범프포일(20)의 일단(21)과 타단(22)의 각 테두리에는 축방향으로 돌출된 칼라(23)가 마련된다.

리테이너 링(40)은 하우징(30)의 일단(31)에 체결 고정되며, 탑포일(10) 및 범프포일(20)의 축방향 이탈을 제한한다. 하우징(30)의 타단(32)에는 리테이너 링(40) 대신 하우징(30) 자체에 해당 기능을 갖는 리브 구조가 마련될 수 있다. 다만 바람직한 실시예에 의하면, 하우징(30)의 축방향 대칭성, 제작 및 조립 편의성 등을 위해 하우징(30)의 일단(31)과 타단(32) 각각에 리테이너 링(40)이 체결 고정된다.

리테이너 링(40)은 방사방향 안쪽, 즉 중심축 방향으로 돌출되어, 탑포일(10)의 축방향 이탈을 방지하는 키플레이트(41)를 구비한다. 조립 과정에 키플레이트(41)는 탑포일(10)에 마련된 슬롯(14)에 끼워져, 탑포일(10)의 원주방향 움직임을 제한한다. 키플레이트(41)에 의해 탑포일(10)의 축방향 및 원주방향으로의 움직임이 제한된다. 키플레이트(41)는 슬롯(14)에 대응하여 적어도 1개 이상, 바람직하게는 원주방향을 따라 2개 이상 마련된다.

키플레이트(41)에는 슬릿(42)이 형성된다. 조립 과정에 범프포일(20)의 칼라(23)가 슬릿(42)에 끼워진다. 칼라(23)는 슬릿(42)에 내로 완전히 삽입되지 않을 수 있다. 슬릿(42)에 의해 칼라(23)가 걸림 고정되어 범프포일(20)의 축방향 및 원주방향 움직임이 제한된다. 키플레이트(41)의 방사방향 선단에 슬롯(14)이 걸림 고정되어 탑포일(10)이 위치 고정되고, 칼라(23)와 슬릿(42) 간의 상호 걸림 작용에 의해 범프포일(20)이 위치 고정된다.

종래 저널 에어베어링에서 탑포일이나 범프포일이 하우징에 고정되지 않은 경우, 운전 중 로터와의 마찰에 의해 하우징 내에서 탑포일이나 범프포일이 로터를 따라 도는 문제가 있었다. 탑포일이나 범프포일의 회전 움직임은 로터에 대한 댐핑을 불안정하게 하며, 포일의 변형 손상을 야기한다. 실시예에 의하면, 탑포일(10) 및 범프포일(20)이 하우징(30) 내에 손쉽게 위치고정될 수 있다. 또한, 탑포일이나 범프포일을 고정하기 위해 하우징 내주면에 홈 가공을 하거나, 탑포일이나 범프포일의 일단을 절곡 가공할 필요가 없다.

도 3을 참조하면, 리테이너 링(40)과 탑포일(10) 사이에 범프포일(20)과 연통되는 간극(3)이 마련된다. 운전 중 스테이터 등에서 발생하는 열을 제거하기 위해 터보기기 내부로 냉각공기가 유입된다. 간극(3)을 통해 냉각공기가 탑포일(10)과 하우징(30) 내주면 사이의 공간으로 유입 및 유출된다. 에어베어링의 냉각을 위해, 에어베어링은 리테이너 링(40)에 간극(3)이 폐쇄하지 않도록 구성된다.

도 4 및 도 5에 또 하나의 실시예에 따른 에어베어링이 도시되어 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 에어베어링은 중공의 하우징(30), 하우징(30) 내주면에 설치된 탑포일 및 범프포일(20), 그리고 하우징(30)의 축방향 일단과 타단에 설치된 리테이너 링(40)을 구비한다. 리테이너 링(40)에는 원주방향을 따라 관통홀(4)이 마련되고, 하우징(30)에는 관통홀(4)에 대응하는 체결홀이 마련된다. 관통홀(4)을 통해 볼트(5)가 체결되어, 리테이너 링(40)이 하우징(30)에 고정된다.

리테이너 링(40)은 키플레이트(41)를 구비하며, 키플레이트(41)에 의해 탑포일(10) 및 범프포일(20)이 하우징(30) 내에서 위치 고정된다. 탑포일(10)은 축방향으로 길게 형성된 오프닝(13)을 갖는다. 범프포일(20)은 탑포일(10)과 하우징(30) 내주면 사이에 개재된다. 범프포일(20)과 탑포일(10)은 각각 하우징(30)의 내주면에 고정하기 위한 절곡부가 불필요하며, 단순히 원통형으로 말려진 단순한 구조를 갖는다.

이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 소개된 특징들 또는 요소들은 다양한 형태로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.

보호하고자 하는 발명의 범위가 청구항들에 기재된다. 청구항에 기재된 요소들은, 발명의 본질 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.

10: 탑포일 10a: 원주방향의 제1 엔드
10b: 원주방향의 제2 엔드 11: 축방향의 일단
12: 축방향의 타단 13: 갭
14: 슬롯 20: 범프포일
23: 칼라 30: 하우징
31: 하우징의 축방향 일단 32: 하우징의 축방향 타단
40: 리테이너 링 41: 키플레이트

Claims (3)

1. 중공의 하우징;
   상기 하우징 내에 설치되며, 제1 엔드 및 제1 엔드로부터 원주방향으로 말려진 제2 엔드를 갖는 탑포일, 제1 엔드와 제2 엔드 사이에 갭이 마련됨;
   상기 하우징과 탑포일 사이에 개재된 범프포일; 및
   상기 하우징의 축방향 적어도 일단에 체결 고정되어 탑포일 및 범프포일의 축방향 이탈을 제한하는 리테이너 링을 포함하며,
   상기 리테이너 링과 탑포일 사이에 범프포일과 연통되는 간극이 마련된 터보기기용 에어베어링.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 탑포일의 축방향 일단 테두리에 슬롯이 마련되고,
   상기 리테이너 링은 방사방향 안쪽으로 돌출된 키플레이트를 구비하며, 슬롯에 끼워진 키플레이트에 의해 범프포일의 회전이 제한되는 터보기기용 에어베어링.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 키플레이트에 슬릿이 형성되고,
   상기 범프포일은 키플레이트의 슬릿에 끼워질 수 있도록 축방향으로 돌출된 칼라를 구비하는 터보기기용 에어베어링.

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