WO2021010673A1

WO2021010673A1 - 에어 포일 저널 베어링

Info

Publication number: WO2021010673A1
Application number: PCT/KR2020/009102
Authority: WO
Inventors: 김경동; 김동현
Original assignee: 주식회사 뉴로스
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2021-01-21
Also published as: CN113056618A; CN113056618B; KR102097347B1

Abstract

본 발명의 에어 포일 저널 베어링은 가장 내측에 배치된 제1탑 포일의 외주면 및 제1탑 포일의 바로 외측에 배치된 제2탑 포일의 내주면 중 어느 하나에 마찰을 줄일 수 있는 표면처리층이 형성되어, 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성된 에어 포일 저널 베어링의 포일들의 마모를 방지하고 진동을 감소시킬 수 있는 에어 포일 저널 베어링에 관한 것이다.

Description

에어 포일 저널 베어링

본 발명은 로터의 하중을 지지하도록 구성된 포일들의 마모를 방지하고 진동을 감소시킬 수 있는 에어 포일 저널 베어링의 구조에 관한 것이다.

베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키며 동시에 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축이 회전될 수 있도록 하는 기계요소이다.

그리고 베어링 중 에어 포일 베어링은 로터(또는 회전축)의 고속 회전에 따라 로터 또는 베어링 디스크와 접하는 포일 사이에 점성을 가지는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 하중을 지지하는 베어링이다.

이러한 에어 포일 베어링 중 에어 포일 저널 베어링은 로터에 수직인 방향인 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성되는 베어링이며, 에어 포일 스러스트 베어링은 로터의 회전축 방향인 로터의 축방향 하중을 지지하도록 구성되는 베어링이다.

일반적인 에어 포일 저널 베어링은 도 1과 같이 베어링 하우징(1)의 중공(1a)의 내주면(1b)을 따라 범프 포일(2)이 설치되며, 범프 포일(2)의 내측에 탑 포일(3)이 배치되도록 구성되며, 탑 포일(3)의 내측에 로터(4, 또는 회전축)가 배치되어 탑 포일(3)의 내주면과 로터(4)의 외주면이 이격된 상태로 로터가 회전될 수 있도록 구성된다. 그리고 범프 포일(2) 및 탑 포일(3)은 원주방향의 단부가 반경방향 외측으로 절곡된 형태의 절곡부가 형성되며 절곡부(2a, 3a)는 베어링 하우징(1)에 형성된 홈(1c)에 삽입되어 고정되며, 이에 따라 로터의 회전 시 범프 포일(2) 및 탑 포일(3)이 원주방향으로 회전되거나 밀려나지 않고 베어링 하우징(1)에 고정되도록 하고 있다.

그런데 이와 같은 종래의 에어 포일 저널 베어링은 로터가 정지된 상태에서는 로터가 자중에 의해 탑 포일의 내주면 하측에 접촉되어 지지되어 있다가, 로터가 회전되면서 기동될 때 공기의 압력이 증가하면서 로터가 탑 포일의 내면 하측으로부터 부상하여 위쪽으로 떠오르는데, 부상되기 전 회전되는 로터와 접촉되는 탑 포일의 내주면에 마찰이 발생하고 이로 인해 로터와 접촉되는 탑 포일의 내주면에 마모가 발생한다. 또한, 로터가 고속으로 회전하다가 정지되려고 하는 경우 공기의 압력이 낮아지면서 로터가 탑 포일의 내주면 하측에 접촉되면서 착지되는데, 로터가 착지되면서 정지하기까지 탑 포일의 내주면과 마찰이 일어나 이에 따른 탑 포일 내주면에 마모가 발생하게 된다. 이때, 탑 포일은 로터와의 마찰에 의해 마모가 발생하고 또한 마찰로 인해 로터에 진동이 발생할 수 있다.

이와 같이 종래의 에어 포일 저널 베어링은 로터의 기동 및 정지가 반복되면 회전되는 로터와 탑 포일과의 마찰이 발생으로 인한 마모가 발생하고 진동에 의해 마모가 더욱 커지게 되어 베어링의 내구성 및 수명을 저하시킨다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

KR 10-1068542 B1 (2011.09.22.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성된 에어 포일 저널 베어링의 포일들의 마모를 방지하고 진동을 감소시킬 수 있는 에어 포일 저널 베어링을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에어 포일 저널 베어링은, 로터가 배치되는 중공이 형성되며, 폭방향 양측이 개방되게 형성되는 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 일단이 상기 베어링 하우징에 결합되어 고정된 범프 포일; 및 상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 각각의 일단이 상기 베어링 하우징에 결합되어 고정된 두 겹 이상의 탑 포일; 을 포함하고, 상기 탑 포일들 중 반경방향으로 가장 내측에 배치된 제1탑 포일의 외주면 및 상기 제1탑 포일의 바로 외측에 배치된 제2탑 포일의 내주면 중 어느 하나에는 표면처리층이 형성되며, 상기 표면처리층의 마찰계수는 상기 표면처리층이 형성되는 면의 마찰계수보다 작게 형성될 수 있다.

또한, 상기 표면처리층은 제1탑 포일과 제2탑 포일이 서로 겹쳐진 각도 범위 내에 형성될 수 있다.

또한, 상기 베어링 하우징의 중심에서 중력방향으로 로터의 상측을 0도라 하였을 때, 상기 표면처리층의 일단에서부터 타단까지 형성 각도가 120도 내지 240도 범위를 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2탑 포일은 일단에서부터 타단까지의 형성 각도가 120도 내지 240도 범위를 포함하는 길이로 형성될 수 있다.

또한, 상기 표면처리층의 면적은 제1탑 포일의 외주면 면적의 80% 이하로 형성될 수 있다.

또한, 상기 베어링 하우징에는 중공에 연통되어 오목하게 키홈이 형성되고, 상기 범프 포일, 제1탑 포일 및 제2탑 포일은 각각 일단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부들이 형성되어, 상기 키홈에 절곡부들이 삽입되어 결합될 수 있다.

또한, 상기 범프 포일은 복수개로 형성되며, 범프 포일들은 원주방향을 따라 이격되게 배치되어 베어링 하우징에 각각 결합되어 고정될 수 있다.

또한, 상기 제1탑 포일과 제2탑 포일은 베어링 하우징에 결합되어 고정된 일단들을 기준으로 원주방향으로 서로 반대방향으로 연장 형성될 수 있다.

본 발명은 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성된 에어 포일 저널 베어링의 포일들의 마모 및 진동을 감소시킬 수 있어, 에어 포일 저널 베어링의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 단면도.

도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 사시도 및 단면도이다.

도 4는 종래의 에어 포일 저널 베어링을 적용해 로터의 기동 및 정지를 1만회 반복한 후 로터와 접촉되어 마모된 탑 포일의 상태를 나타낸 사진이다.

도 5는 본 발명의 에어 포일 저널 베어링을 적용해 로터의 기동 및 정지를 1만회 반복한 후 로터와 접촉되어 마모된 제1탑 포일의 상태를 나타낸 사진이다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 사시도 및 단면도이다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 에어 포일 저널 베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

일례로, 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링은 크게 베어링 하우징(100), 범프 포일(200), 제1탑 포일(400) 및 제2탑 포일(300)로 구성될 수 있다.

베어링 하우징(100)은 내측에 축방향으로 관통하도록 양면이 관통된 중공(110)이 형성되며, 중공(110)과 연통되도록 내주면의 상측에서 반경방향으로 오목하게 축방향인 길이방향을 따라 연속하여 키홈(120)이 형성될 수 있다.

범프 포일(200)은 베어링 하우징(100)의 중공(110) 내측에 배치되며, 범프 포일(200)은 원주방향 일단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(210)가 형성되어, 절곡부(210)가 키홈(120)에 삽입되어 배치될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)은 베어링 하우징(100)의 내주면에 밀착되어 원주방향을 따라 배치될 수 있으며, 범프 포일(200)은 두께가 얇은 판형으로 형성되되 말린 내측으로 볼록하게 돌출된 다수개의 탄성 범프(201)들이 원주방향을 따라 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 범프 포일(200)은 도시된 바와 같이 복수개로 형성되어 원주방향을 따라 이격되게 배치될 수 있다. 이때, 복수개의 범프 포일(200)들은 각각 일단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(210)가 각각 형성되고, 베어링 하우징(100)에는 키홈(120)이 복수개 형성되어, 범프 포일(200)들의 절곡부(210)가 키홈(120)에 각각 삽입되어 고정될 수 있다. 즉, 범프 포일(200)은 원주방향을 따라 하나로 연속되게 연결되어 있는 형태가 아니라 분할된 형태로 형성되어 원주방향을 따라 이격 배치된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 범프 포일(200)은 베어링 하우징(100)에 고정된 일단으로부터 반시계 방향으로 연장 형성될 수 있다.

제1탑 포일(400)은 범프 포일(200)의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 원주방향 일단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(410)가 형성되어, 절곡부(410)가 키홈(120)에 삽입되어 제1탑 포일(400)이 고정될 수 있다. 그리고 제1탑 포일(400)은 내측에는 로터(500)가 삽입되어 배치될 수 있으며, 제1탑 포일(400)의 내주면에는 로터(500)의 회전 시 접촉에 의한 마찰을 줄일 수 있도록 테프론 등으로 코팅막이 형성될 수 있다. 그리하여 로터(500)가 제1탑 포일(400)의 내측에서 회전될 때 유동되는 공기의 압력에 의해 로터(500)가 제1탑 포일(400)에서 이격된 상태가 되도록 부상되어 로터(500)가 원활하게 회전될 수 있다. 또한, 제1탑 포일(400)은 베어링 하우징(100)에 고정된 일단으로부터 시계 방향으로 연장 형성될 수 있다.

제2탑 포일(300)은 제1탑 포일(400)과 범프 포일(200)의 사이에 개재되어 원주방향을 따라 형성되며, 원주방향 일단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(310)가 형성되어, 절곡부(310)가 중력방향으로 로터(500)의 상측인 키홈(120)에 삽입되어 제2탑 포일(300)이 고정될 수 있다. 즉, 제2탑 포일(300)은 범프 포일(200)의 내측에 배치되어 제2탑 포일(300)의 외주면이 범프 포일(200)의 내측면에 밀착되고, 제2탑 포일(300)의 내측에 제1탑 포일(400)이 배치되어 제2탑 포일(300)의 내주면에 제1탑 포일(400)의 외주면이 밀착되는 구조로 형성될 수 있다. 또한, 제2탑 포일(300)은 베어링 하우징(100)에 고정된 일단으로부터 반시계 방향으로 연장 형성될 수 있으며, 타단인 자유단이 중력방향으로 로터(500)의 하측에 위치할 수 있다. 또한, 제2탑 포일(300)과 제1탑 포일(400)은 서로 반대 방향으로 연장되어 있는 구조로 형성될 수 있다.

여기에서 탑 포일들 중 반경방향으로 가장 내측에 배치된 제1탑 포일(400)의 외주면 및 제1탑 포일(400)의 바로 외측에 배치된 제2탑 포일(300)의 내주면 중 어느 하나에는 표면처리층이 형성되며, 일례로 도시된 바와 같이 제2탑 포일(300)의 내주면에 표면처리층(320)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 표면처리층(320)의 마찰계수는 상기 표면처리층(320)이 형성되는 면인 제2탑 포일(300) 내주면의 마찰계수보다 작게 형성될 수 있다. 도면에서는 제2탑 포일(300)의 내주면에 표면처리층(320)이 형성된 실시예를 나타내었으나, 제1탑 포일(400)의 외주면에 표면처리층이 형성될 수도 있다. 또한, 표면처리층은 포일의 면에 마찰을 줄일 수 있는 물질을 도포 또는 도금하여 형성되거나, 피막 처리 등 다양한 방법으로 표면처리층이 형성될 수 있다.

이에 따라 본 발명은 로터(500)가 정지되어 있다가 회전되면서 기동될 때 회전되는 로터(500)와 접촉되는 제1탑 포일(400)의 내주면에 마찰이 발생하여 제1탑 포일(400)이 원주방향으로 움직이게 되는데, 이때 제2탑 포일(300)의 내주면에 형성된 표면처리층(320)으로 인해 제1탑 포일(400)과 제2탑 포일(300)간에 상대적으로 슬립이 원활하게 일어나면서 로터(500)와 제1탑 포일(400)간의 마찰이 줄어들게 된다. 그리하여 본 발명은 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성된 에어 포일 저널 베어링을 구성하는 포일들의 마모 및 진동이 감소되며, 특히 로터와 접촉되어 마찰이 발생하는 제1탑 포일의 내주면에 형성된 코팅막 및 제1탑 포일의 내주면이 마모되는 것을 현저하게 감소시킬 수 있어, 에어 포일 저널 베어링의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 표면처리층(320)은 중력방향으로 로터의 하측에 대응되는 위치에 형성될 수 있으며, 베어링 하우징(100)의 중심에서 중력방향으로 로터(500)의 상측을 각도 0도 라고 하였을 때, 표면처리층(320)은 일단에서부터 타단까지의 형성 각도가 120도 내지 240도 범위를 포함하여 형성될 수 있다. 즉, 표면처리층(320)의 최소 형성 범위는 도시된 120도에서부터 240도까지의 범위를 포함하여 형성될 수 있으며, 그 이상의 범위까지 형성될 수 있다. 그리하여 로터(500)의 하중에 의해 탑 포일들이 눌리는 부분에서 탑 포일들 간의 마찰을 감소시킬 수 있다.

또한, 제2탑 포일(300)은 일단에서부터 타단까지의 형성 각도가 120도 내지 240도 범위를 포함하는 길이로 형성될 수 있다. 즉, 제2탑 포일(300)의 내주면에 표면처리층(320)이 형성될 수 있으므로, 표면처리층(320) 형성 범위에 대응되는 범위에 걸쳐 제2탑 포일(300)이 형성될 수 있다.

일례로 도시된 바와 같이 제2탑 포일(300)의 일단인 절곡부(310)가 배치된 위치를 0도로 하였을 때, 제2탑 포일(300)은 절곡부(310)를 기준으로 반시계 방향으로 연장 형성되어 제2탑 포일(300)의 타단 위치가 240도 이상에 위치하도록 형성될 수 있다. 또는 제2탑 포일(300)은 일단인 절곡부(310)가 0도에서 120도 사이에 배치되어 베어링 하우징(100)에 고정되고 타단의 위치가 240도 이상에 위치하도록 형성될 수도 있다. 이외에도 제2탑 포일(300)은 다양하게 형성될 수 있다.

또한, 표면처리층(320)은 제2탑 포일(300)의 내주면에 형성되되, 제2탑 포일(300)의 내주면 전체에 표면처리층(320)이 형성될 수 있으며, 이에 따라 표면처리층을 코팅하는 작업이 용이할 수 있다. 또는 표면처리층이 제1탑 포일(400)의 외주면에 형성되는 경우에는, 제2탑 포일(300)의 형성 각도 범위에 대응되는 위치에서 제1탑 포일(400)의 외주면에 표면처리층이 형성될 수 있다.

그리하여 표면처리층이 존재하는 부분에서는 제1탑 포일(400)과 제2탑 포일 간의 마찰이 줄어들고, 아울러 표면처리층이 없는 부분에서는 제1탑 포일(400)의 외주면이 제2탑 포일(300)의 내주면 또는 범프 포일(200)과 직접 접촉되어 에어 포일 저널 베어링의 진동 감쇠 요소 중 하나인 마찰 감쇠(Friction damping)에 의해 진동이 줄어들 수 있다. 결론적으로, 본 발명에서는 120도 내지 240도 범위를 포함하여 형성된 표면처리층에 의해 제1탑 포일과 제2탑 포일 간의 마찰이 감소됨과 더불어 진동 감쇠 성능이 동시에 향상되는 복합적인 효과에 의해, 제1탑 포일 내주면의 코팅막 마모가 현저하게 감소될 수 있어 에어 포일 저널 베어링의 내구성이 향상될 수 있다.

또한, 표면처리층(320)은 제1탑 포일(400)과 제2탑 포일(300)이 서로 겹쳐진 각도 범위 내에 형성될 수 있으며, 제2 탑 포일(300)의 내주면 전체에 표면처리층(320)이 형성될 수 있다. 만약 제1탑 포일(400)의 외주면에 표면처리층이 형성되는 경우에는 제2탑 포일(300)에 대응되는 각도 범위 또는 그 이상의 범위에 표면처리층이 형성될 수 있다.

또한, 표면처리층(320)의 면적은 제1탑 포일(400)의 외주면 면적의 80% 이하로 형성될 수 있다. 이는 표면처리층의 면적이 너무 넓을 경우 진동 감쇠 요소 중 하나인 마찰 감쇠가 줄어들어 진동에 의해 에어 포일 저널 베어링의 동적 안정성이 불안정해지므로, 상기한 바와 같이 표면처리층(320)의 면적이 형성될 수 있다.

도 4는 종래의 에어 포일 저널 베어링을 적용해 로터의 기동 및 정지를 1만회 반복한 후 로터와 접촉되어 마모된 탑 포일의 상태를 나타낸 사진이며, 도 5는 본 발명의 에어 포일 저널 베어링을 적용해 로터의 기동 및 정지를 1만회 반복한 후 로터와 접촉되어 마모된 제1탑 포일의 상태를 나타낸 사진이다.

도시된 바와 같이 종래의 에어 포일 저널 베어링은 로터의 전방 및 후방을 지지하는 한 쌍의 에어 포일 저널 베어링 모두에서 탑 포일의 마모가 심해 코팅막이 닳아 없어진 부분이 존재하고 그 부분에서 탑 포일 자체인 금속부분까지 마모가 발생한 것을 알 수 있다. 반면, 본 발명의 에어 포일 저널 베어링은 제1탑 포일의 원주방향으로 중앙부 영역에서 고르게 마모가 발생되었으며 제1탑 포일의 내주면에 형성된 코팅막이 완전히 닳아서 없어진 부분이 없으며, 코팅막에 스크래치 형태의 마모만 발생한 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 에어 포일 저널 베어링은 종래에 비해 로터와 접촉되어 마찰이 발생되는 탑 포일의 마모가 감소된 것을 알 수 있다.

<실시예 2>

도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링은 상기한 제1실시예와 다른 구성요소들은 같고 제2탑 포일만 다른 구조이다. 제2탑 포일(300)은 복수장으로 형성되어 적층되며, 반경방향으로 가장 안쪽에서부터 바깥쪽으로 가면서 내측 제2탑 포일(300-1), 중간 제2탑 포일(300-2) 및 외측 제2탑 포일(300-3)이 순서대로 배치되어 적층될 수 있다. 즉, 탑 포일이 총 4겹으로 형성된 구성이 될 수 있다. 그리고 일례로 표면처리층(320)은 내측 제2탑 포일(300-1)의 내주면에 형성될 수 있으며, 이외에도 제1탑 포일(300)의 외주면에 표면처리층이 형성될 수도 있다.

본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

[부호의 설명]

100 : 베어링 하우징

110 : 중공, 120 : 키홈

200 : 범프 포일

201 : 탄성 범프, 210 : 절곡부

300 : 제2탑 포일

310 : 절곡부, 320 : 표면처리층

300-1 : 내측 제2탑 포일, 310-1 : 절곡부

300-2 : 중간 제2탑 포일, 310-2 : 절곡부

300-3 : 외측 제2탑 포일, 310-3 : 절곡부

400 : 제1탑 포일, 410 : 절곡부

500 : 로터

Claims

로터가 배치되는 중공이 형성되며, 폭방향 양측이 개방되게 형성되는 베어링 하우징;

상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 일단이 상기 베어링 하우징에 결합되어 고정된 범프 포일; 및

상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 각각의 일단이 상기 베어링 하우징에 결합되어 고정된 두 겹 이상의 탑 포일; 을 포함하고,

상기 탑 포일들 중 반경방향으로 가장 내측에 배치된 제1탑 포일의 외주면 및 상기 제1탑 포일의 바로 외측에 배치된 제2탑 포일의 내주면 중 어느 하나에는 표면처리층이 형성되며,

상기 표면처리층의 마찰계수는 상기 표면처리층이 형성되는 면의 마찰계수보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
제1항에 있어서,

상기 표면처리층은 제1탑 포일과 제2탑 포일이 서로 겹쳐진 각도 범위 내에 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
제1항에 있어서,

상기 베어링 하우징의 중심에서 중력방향으로 로터의 상측을 0도라 하였을 때, 상기 표면처리층의 일단에서부터 타단까지 형성 각도가 120도 내지 240도 범위를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
제3항에 있어서,

상기 제2탑 포일은 일단에서부터 타단까지의 형성 각도가 120도 내지 240도 범위를 포함하는 길이로 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
제1항에 있어서,

상기 표면처리층의 면적은 제1탑 포일의 외주면 면적의 80% 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
제1항에 있어서,

상기 베어링 하우징에는 중공에 연통되어 오목하게 키홈이 형성되고,

상기 범프 포일, 제1탑 포일 및 제2탑 포일은 각각 일단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부들이 형성되어,

상기 키홈에 절곡부들이 삽입되어 결합된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
제1항에 있어서,

상기 범프 포일은 복수개로 형성되며, 범프 포일들은 원주방향을 따라 이격되게 배치되어 베어링 하우징에 각각 결합되어 고정된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
제1항에 있어서,

상기 제1탑 포일과 제2탑 포일은 베어링 하우징에 결합되어 고정된 일단들을 기준으로 원주방향으로 서로 반대방향으로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.