WO2021101210A1 - 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링 - Google Patents

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WO2021101210A1
WO2021101210A1 PCT/KR2020/016170 KR2020016170W WO2021101210A1 WO 2021101210 A1 WO2021101210 A1 WO 2021101210A1 KR 2020016170 W KR2020016170 W KR 2020016170W WO 2021101210 A1 WO2021101210 A1 WO 2021101210A1
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floating sleeve
bearing
sleeve
protrusion
floating
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류근
정현성
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한양대학교 에리카산학협력단
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    • F16C2300/20—Application independent of particular apparatuses related to type of movement
    • F16C2300/22—High-speed rotation

Definitions

  • the present invention relates to a floating sleeve hybrid fluid bearing. More specifically, a floating sleeve capable of securing dynamic stability of a bearing system under extreme operating conditions such as high load, high vibration, high temperature, extremely low temperature, bearing and shaft misalignment, etc. It relates to sleeve hybrid fluid bearings.
  • the external pressurized fluid bearing has the advantage of securing high load bearing capacity and high rigidity by supplying high pressure fluid from the outside to the lubricating surface of the bearing, and minimizing friction and wear between the shaft and bearing even in the absence of relative motion. .
  • external pressurized fluid bearings have limitations in that they are easily damaged because it is difficult to secure a clearance of the bearing under extreme operating conditions such as high load, high vibration, high temperature, cryogenic temperature, and bearing and shaft misalignment.
  • foil bearings have the advantage of having improved stiffness and damping coefficient than that of general hydrodynamic bearings by applying a number of spring-attenuating elements (bump foil and top foil) inside the bearing sleeve, and are thus widely applied to small ultra-high speed rotating machines. have.
  • foil bearings do not have adequate load-bearing capacity during initial driving and stop of the rotating shaft, so wear on the bearing surface continues, and design, manufacturing, and assembly processes are complicated.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a floating sleeve hybrid fluid bearing capable of securing dynamic stability of a bearing system under extreme operating conditions such as high load, high vibration, high temperature, extremely low temperature, bearing and shaft misalignment, etc. I have to.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a floating sleeve hybrid fluid bearing capable of implementing and tuning characteristics of a bearing suitable for a user's needs.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the present invention provides a floating sleeve hybrid fluid bearing.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing includes: a bearing housing mounted in a ring-coupled form to an outer diameter surface of a rotating shaft; And mounted between the rotation shaft and the bearing housing, having a gap between the rotation shaft and the bearing housing, and rotation is restricted by the bearing housing when the rotation shaft rotates, and one side in the circumferential direction is opened in the radial direction. It may include a floating sleeve.
  • the bearing housing includes: a housing body whose center is open in the axial direction so that the rotation shaft can be inserted; And at least one guide groove formed on the inner diameter surface of the housing body, formed in a depth direction from the inner diameter surface of the housing body, and variably contacting the outside of the floating sleeve according to the rotation direction of the rotation shaft.
  • the floating sleeve includes: a sleeve body having an outer diameter smaller than an inner diameter of the housing body, the center of which is opened in the axial direction so that the rotation shaft can be inserted; An opening provided on one side of the sleeve body in the circumferential direction and formed in a form to communicate radially inner and outer sides of the sleeve body; And at least one protrusion formed on the outer diameter surface of the sleeve body, the protrusion formed radially outward from the outer diameter surface of the sleeve body, and accommodated in the guide groove.
  • the inner surface of the guide groove and the outer surface of the protrusion have a clearance, and the protrusion has a relative position within the guide groove according to the rotation direction of the rotation shaft. It can be changed.
  • the floating sleeve includes: a pocket formed in a depth direction at a position corresponding to the protrusion on an inner diameter surface of the sleeve body; A fitting mounting hole provided on one side of the protrusion in the axial direction, and on which a fitting for connection with an external fluid supply device is mounted; A flow path formed by being connected to the sleeve body and the inside of the protrusion, and communicating the fitting mounting hole and the pocket; And an orifice formed at an end of the flow path positioned on the pocket side.
  • the orifice may be formed to be perpendicular or inclined with respect to the rotation axis.
  • a squeeze film damper is further included, and the squeeze film damper is provided in a gap between the bearing housing and the floating sleeve, and may be provided as at least one layer of a fluid lubricating film.
  • a compliant spring damper is further included, and the compliant spring damper is provided in a gap formed between the bearing housing and the floating sleeve, and may be provided with at least one or more layers of bump foil.
  • the compliant spring damper may include a gap adjusting foil provided in a length direction of the bump foil on both sides of a gap formed by the bearing housing and the floating sleeve in a width direction.
  • At least one bearing housing is formed on the inner diameter surface of the housing body, is formed in a depth direction from the inner diameter surface of the housing body, and one end of the bump foil or the gap adjustment foil in the length direction is inserted. It may further include a slot.
  • a bearing housing mounted in a ring-coupled form to an outer diameter surface of a rotating shaft; And mounted between the rotation shaft and the bearing housing, having a gap between the rotation shaft and the bearing housing, and rotation is restricted by the bearing housing when the rotation shaft rotates, and one side in the circumferential direction is opened in the radial direction. It may include a floating sleeve.
  • the gap of the bearing is actively converted under extreme operating conditions such as high load, high vibration, high temperature, extremely low temperature, bearing and shaft misalignment, etc., thereby avoiding or delaying pneumatic hammer instability.
  • a floating sleeve hybrid fluid bearing capable of innovatively improving the stability of the system and expanding its operating area can be provided.
  • a floating sleeve hybrid fluid bearing may be provided.
  • a floating sleeve hybrid fluid bearing capable of bidirectional rotation while having a simple structure may be provided.
  • a floating sleeve hybrid fluid bearing that can be used as both a hydrostatic bearing or a hydrodynamic bearing may be provided according to a rotation speed and an operating condition.
  • a floating sleeve hybrid fluid bearing that is easy to process and assemble and easy to maintain can be provided by having a simple coupling structure between the bearing housing and the floating sleeve.
  • a floating sleeve hybrid fluid bearing capable of implementing and tuning bearing characteristics tailored to the user's needs. Can be provided.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention may be used as a bearing replacement for a conventional turbine/compressor/pump system.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cut-away cross-sectional perspective view of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a bearing housing of a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a floating sleeve of a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a relative position of a protrusion received in a guide groove when a rotation shaft is stopped in a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 and 9 are schematic diagrams illustrating a change in a relative position of a protrusion received in a guide groove according to a rotation direction of a rotation shaft in a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a fluid supply path of a floating sleeve in a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a floating sleeve hybrid fluid bearing according to another embodiment of the present invention.
  • first, second, and third are used to describe various elements, but these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another element. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. In addition, in the present specification,'and/or' has been used to mean including at least one of the elements listed before and after.
  • connection is used to include both indirectly connecting a plurality of constituent elements and direct connecting.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view of FIG. 1
  • FIG. 3 is a cut-away cross-sectional perspective view of FIG. 1
  • FIG. 4 is an embodiment of the present invention.
  • It is a schematic diagram showing a floating sleeve hybrid fluid bearing according to
  • FIG. 5 is a perspective view showing a bearing housing of a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a floating sleeve hybrid according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view of FIG. 1
  • FIG. 3 is a cut-away cross-sectional perspective view of FIG. 1
  • FIG. 4 is an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the relative position of a protrusion received in a guide groove when a rotation shaft is in a stationary state in a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a change in the relative position of a protrusion received in a guide groove according to a rotation direction of a rotation shaft in a floating sleeve hybrid fluid bearing according to an embodiment of the present invention.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing it is a schematic diagram for explaining the fluid supply path of the floating sleeve.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 is a bearing that can be used as both a hydrostatic bearing or a hydrodynamic bearing according to a rotational speed and an operating condition.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 may be formed to include a bearing housing 110 and a floating sleeve 120.
  • the bearing housing 110 may be mounted in a ring-coupled form to the outer diameter surface of the rotation shaft S.
  • the bearing housing 110 may be mounted on the outer diameter surface of the rotating shaft S via the floating sleeve 120. That is, the bearing housing 110 may serve to protect the floating sleeve 120 from an external environment.
  • the bearing housing 110 may be formed including a housing body 111 and a guide groove 112.
  • the housing body 111 forms the exterior of the bearing housing 110.
  • the housing body 111 may have a center open in the axial direction so that the rotation shaft S can be inserted.
  • the housing body 111 may be provided in a hollow cylindrical shape or a ring shape.
  • the guide groove 112 may be formed on the inner diameter surface of the housing body 111.
  • the guide groove 112 may be formed in a depth direction from the inner diameter surface of the housing body 111.
  • a plurality of guide grooves 112 may be formed on the inner diameter surface of the housing body 111.
  • the plurality of guide grooves 112 may be spaced apart from each other in the circumferential direction on the inner diameter surface of the housing body 111.
  • the protrusion 123 of the floating sleeve 120 to be described later may be accommodated in the guide groove 112. Accordingly, the guide groove 112 may be formed in the same or similar shape to accommodate the protrusion 123 of the floating sleeve 120.
  • the guide groove 112 and the protrusion 123 of the floating sleeve 120 may be assembled very loosely (see FIG. 7 ). That is, the guide groove 112 and the protrusion 123 of the floating sleeve 120 may have a clearance. This is, in a state in which the floating sleeve 120 is assembled to the bearing housing 110, freely depending on dynamic and static load conditions and alignment, assembly conditions, thermal equilibrium conditions, etc. acting on the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 This is to prevent the floating sleeve 120 from being constrained to the bearing housing 110 when the floating sleeve 120 is expanded, as well as to determine the position of the 120).
  • the guide groove 112 variably contacts the outer side of the floating sleeve 120, more specifically, the protrusion 123 of the floating sleeve 120 according to the rotation direction of the rotation shaft S, and thus, the floating sleeve 120 The rotation of can be constrained.
  • the bearing housing 110 may further include a slot 113.
  • the slot 113 may be formed on the inner diameter surface of the housing body 111.
  • the slot 113 may be formed in a depth direction from the inner diameter surface of the housing body 111.
  • a plurality of slots 113 may be formed on the inner diameter surface of the housing body 111.
  • the plurality of slots 113 may be spaced apart from each other in the circumferential direction on the inner diameter surface of the housing body 111.
  • the plurality of slots 113 may be spaced apart from each other in the circumferential direction on the inner surface of the housing body 111 in a form of a pair.
  • the plurality of slots 113 may be formed on one side and the other side of the guide groove 112 in the circumferential direction, respectively.
  • the slot 113 serves to fix it.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 may further include a squeeze film damper.
  • the squeeze film damper reduces vibration by adding damping to the bearing by the squeeze film damping effect that occurs in the fluid lubricated oil film.
  • the squeeze film damper according to an embodiment of the present invention may be provided in a gap formed between the bearing housing 110 and the floating sleeve 120.
  • Such a squeeze film damper may be provided as a fluid lubricating film (F).
  • the fluid lubricating film F may be provided as a single film or a multi-layer in which two or more films are overlapped.
  • the floating sleeve 120 may be mounted between the rotation shaft S and the bearing housing 110. At this time, the floating sleeve 120 may have a gap between it and the rotation shaft (S). In addition, the floating sleeve 120 may have a gap between it and the bearing housing 110.
  • the floating sleeve 120 may be floating between the rotating shaft S and the bearing housing 110.
  • the floating sleeve 120 is supplied to the gap between the rotation shaft (S) and the gap between the bearing housing 110 and the rotation shaft (S) and the bearing housing 110 by a fluid lubricating film (F) acting as a squeeze film damper. It can be freely floated between.
  • the fluid may include any one of oil, air, gas, and cryogenic fluid.
  • the floating sleeve 120 floats freely between the rotation shaft S and the bearing housing 110, rotation is restricted by the bearing housing 110 when the rotation shaft S rotates. Can be.
  • the floating sleeve 120 is a case where the fluid lubricating film F approaches the minimum oil film thickness under extreme operating conditions such as high load, high vibration, high temperature, and misalignment of bearings and shafts. , It may have a form that is not completely closed and one side is open so as to actively open and prevent breakage. That is, the floating sleeve 120 may have a structure capable of freely expanding within the elastic range of the material.
  • one side in the circumferential direction may be opened in the radial direction.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 includes the rotating shaft S and the floating sleeve under extreme operating conditions such as high load, high vibration, high temperature, extremely low temperature, bearing and shaft misalignment, etc.
  • the gap between 120 can be actively transformed.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 according to an embodiment of the present invention can innovatively improve the stability of the bearing system by avoiding or delaying pneumatic hammer instability, and improving the operating area. Can be expanded.
  • the floating sleeve 120 may include a sleeve body 121, an opening 122, and a protrusion 123.
  • the sleeve body 121 may have its center open in the axial direction so that the rotation shaft S can be inserted. That is, the sleeve body 121 may be formed in a cylindrical or ring shape.
  • the sleeve body 121 may have an outer diameter smaller than the inner diameter of the housing body 111. Accordingly, the sleeve body 121 may be inserted into the inner diameter surface of the housing body 111.
  • the inner diameter surface of the sleeve body 121 may have a complete circle. However, this is only an example, and the inner diameter surface of the sleeve body 121 may be formed in a lobe shape, an offset shape, or an ellipse shape in order to improve the dynamic stability of the rotating body.
  • the opening 122 may be provided on one side of the sleeve body 121 in the circumferential direction.
  • the opening 122 may be formed to communicate the inner and outer sides of the sleeve body 121 in the radial direction.
  • the floating sleeve 120 is not completely closed, but may have an open shape, and extreme operations such as high load, high vibration, high temperature, extremely low temperature, bearing and shaft misalignment, etc. In the condition, the gap with the rotating shaft S can be actively transformed so that breakage is prevented.
  • At least one protrusion 123 may be formed on the outer diameter surface of the sleeve body 121.
  • the protrusion 123 may be formed to protrude radially outward from the outer diameter surface of the sleeve body 121.
  • the protrusion 123 may be accommodated in the guide groove 112 provided in the bearing housing 110.
  • the protrusion 123 may be provided in the shape of a hexahedron having a square cross section. However, this is only an example, and the protrusion 123 may protrude from the outer diameter surface of the sleeve body 121 in various shapes such as a sphere or a hemisphere.
  • the protrusion 123 is disposed in the guide groove 112 provided in the bearing housing 110.
  • the inner surface of the guide groove 112 and the outer surface of the protrusion 123 may have a clearance.
  • the relative position of the protrusion 123 in the guide groove 112 may be changed according to the rotation direction of the rotation shaft S.
  • the floating sleeve 120 has a clearance in the guide groove 112 provided in the bearing housing 110 through the protrusion 123 received, the rotation shaft S is a clock or Even if it rotates counterclockwise, it is not interlocked with it and can be maintained in a fixed state.
  • the floating sleeve 120 may further include a fitting mounting hole 124, a flow path 125, a pocket 126, and an orifice 127. I can.
  • the fitting mounting hole 124 may be provided on the protrusion 123. Specifically, the fitting equipment 124 may be provided on one side of the protrusion 123 in the axial direction.
  • the fitting mounting hole 124 may be equipped with a fitting (10 in FIG. 1) for connection with an external fluid supply device (not shown).
  • the pocket 126 may be provided on the inner diameter surface of the sleeve body 121.
  • the pocket 126 may be provided in a depth direction from the inner diameter surface of the sleeve body 121.
  • the pocket 126 may be provided at a position corresponding to the protrusion 123. Accordingly, a plurality of pockets 126 may be provided in the circumferential direction from the inner diameter surface of the sleeve body 121.
  • the pocket 126 may have a rectangular shape in order to improve the load bearing capacity, rigidity, and damping coefficient of the floating sleeve hybrid fluid bearing 100.
  • this is only an example, and the pocket 126 may be formed in a leaf (leaf), hexagonal or elliptical shape.
  • portions of the inner diameter surface of the sleeve body 121 other than the pocket 126 may be formed in the form of a herringbone groove or a spiral groove in order to improve load-bearing capacity.
  • the flow path 125 may be formed by being connected to the inside of the sleeve body 121 and the protrusion 123.
  • the flow path 125 may be formed in a form in which the fitting mounting hole 124 and the pocket 126 communicate with each other so that the fluid injected from the outside can be supplied to the pocket 126.
  • the pocket 126 is formed in a depth direction on the inner diameter surface of the sleeve body 121, and the fitting mounting hole 124 is a protrusion provided on the outer diameter surface of the sleeve body 121 ( As it is formed on one side of the axial direction of 123), the flow path 125 may be formed in a structure in which one side in the length direction is bent.
  • the orifice 127 may be formed at an end of the flow path 125 located on the pocket 126 side. Accordingly, the fluid supplied to the floating sleeve 120 through the fitting 10 may be supplied to the pocket 126 through the flow path 125 and the orifice 127.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 is an external pressurized bearing when the fluid is continuously supplied to the pocket 126 through the fitting 10, the flow path 125, and the orifice 127. In other words, it operates as a hydrostatic bearing. External pressurized bearings prevent friction and wear on the bearing surface during initial drive and stop, thereby increasing the life and durability of the bearing, and under operating conditions that require bearing characteristics such as high load, high rigidity, and high damping. Can be used.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 is in the pocket 126 when the rotating shaft S is stably rotating at high speed, that is, when it is not necessary to operate as an external pressure bearing. By reducing or stopping the amount of fluid being forcibly supplied, it can also be operated as a hydrodynamic bearing.
  • the protrusion 123 provides a wider processing area than processing a relatively very thin circular sleeve when processing the flow path 125 and the orifice 127 connected to supply external fluid. Therefore, if the protrusion 123 is provided, the processing cost of the orifice 127 can be reduced, and the processing time can also be shortened.
  • the orifice 127 may be formed vertically with respect to the rotation axis S or the pocket 126. However, this is only an example, and the orifice 127 may be formed to be inclined at a predetermined angle to improve the dynamic stability of the rotating body.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a floating sleeve hybrid fluid bearing according to another embodiment of the present invention.
  • a floating sleeve hybrid fluid bearing 100 includes a bearing housing 110, a floating sleeve 120, and a compliant spring damper 130. Can be formed.
  • the compliant spring damper 130 has a spring characteristic and a friction damping characteristic at the same time.
  • the compliant spring damper 130 maintains the characteristics of the damper even under high temperature conditions due to the high-speed rotation of the rotating shaft S, so that a constant damping ability can be continuously maintained.
  • the compliant spring damper 130 may be provided in a gap between the bearing housing 110 and the floating sleeve 120.
  • the compliant spring damper 130 according to another embodiment of the present invention may be provided as a bump foil 131.
  • the bump foil 131 may be formed of one or one layer. However, this is only an example, and the bump foil 131 is a double bump foil 131 made of two layers or a multiple bump foil made of multiple layers depending on the damping characteristics required for the floating sleeve hybrid fluid bearing 100, durability requirements, etc. It may also be provided with 131.
  • the bump foil 131 may be provided in a gap between the bearing housing 110 and the floating sleeve 120 so as to be symmetrical in the circumferential direction. Through this, the same stiffness and attenuation may be provided even if the rotation shaft S rotates in any direction.
  • a plurality of bump foils 131 may be provided in a circumferential direction in a gap formed between the bearing housing 110 and the floating sleeve 120. At this time, one end of each bump foil 131 in the longitudinal direction may be inserted into and fixed to the slot 113 provided in the bearing housing 110.
  • the compliant spring damper 130 may include a plurality of gap adjusting foils 132, 133, 134 to adjust a gap and apply a preload.
  • the plurality of gap control foils 132, 133, 134 are provided on both sides of the gap formed by the bearing housing 110 and the floating sleeve 120 in the width direction, that is, wrap the bump foil 131 in the length direction thereof. I can.
  • the first gap adjusting foil 132 may be provided between the bump foil 131 and the bearing housing 110 in the longitudinal direction of the bump foil 131.
  • the second gap adjusting foil 133 may be provided between the bump foil 131 and the floating sleeve 120 in the longitudinal direction of the bump foil 131.
  • a third gap adjusting foil 134 may be provided to be fixed in a direction opposite to the second gap adjusting foil 133. This is, when the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 is operated, the second gap adjusting foil 133 and the third gap adjusting foil 134 move in opposite directions, thereby generating a large frictional motion, thereby increasing the damping force. have.
  • the first gap adjusting foil 132, the second gap adjusting foil 133, and the third gap adjusting foil 134 are also provided at one end in the longitudinal direction of the bearing housing 110.
  • Each or more than one of the slots 113 may be inserted and fixed.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 in the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 according to another embodiment of the present invention, hysteresis damping is added through the compliant spring damper 130 to improve dynamic stability of the bearing system.
  • the floating sleeve hybrid fluid bearing 100 according to another embodiment of the present invention can implement a bearing characteristic that meets the user's needs by adjusting the stiffness and attenuation of the compliant spring damper 130, and tuning of the characteristic is also possible. You can make it possible.
  • the compliant spring damper 130 is illustrated in the shape of the bump foil 131, but this is only an example, and the compliant spring damper 130 includes a viscoelastic damper, an elastomer damper, and a wave. Springs, massel expanders, wire mesh dampers, coil springs, tolerance rings, cantilever beam foils, wing foils, etc. can be applied.

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Abstract

플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링이 제공된다. 상기 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링은, 회전축의 외경면에 링 결합되는 형태로 장착되는 베어링 하우징; 및 상기 회전축과 상기 베어링 하우징 사이에 장착되되, 상기 회전축과 상기 베어링 하우징 각각의 사이에 간극을 가지며, 상기 회전축의 회전 시 상기 베어링 하우징에 의해 회전이 구속되고, 원주 방향 일측이 반경 방향으로 개방되어 있는 플로팅 슬리브를 포함할 수 있다.

Description

플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링
본 발명은 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 고 하중, 고 진동, 고온, 극 저온, 베어링과 축 불정렬 등과 같은 극한의 작동 조건에서 베어링 시스템의 동적 안정성을 확보할 수 있는 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에 관련된 것이다.
최근 에너지 및 추진, 동력과 관련된 산업 분야에서 극한 작동 환경에서 운용될 수 있는 초고속 회전 기계에 대한 수요가 늘어나면서 고성능, 고효율 유체 베어링 기술이 크게 주목받고 있다. 이는, 고속 및 고효율 터빈, 압축기, 펌프 시스템을 개발하고 운용하는데 있어서 베어링이 차지하는 비중이 매우 크기 때문이다. 특히, 작동 유체를 윤활제로 사용하는 외부 가압 베어링과 포일 베어링은 현재 유체 베어링 기술 분야에서 매우 큰 관심을 받고 있으며, 이를 적용한 제품 개발에 많은 글로벌 기업들이 투자를 지속적으로 하고 있다.
외부 가압 유체 베어링은 외부에서 고압의 유체를 베어링의 윤활 표면으로 공급하여 높은 하중 지지력과 높은 강성을 확보하고, 상대 운동이 없는 상태에서도 축과 베어링의 마찰과 마모를 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다.
그러나 외부 가압 유체 베어링은 고 하중, 고 진동, 고온, 극저온, 베어링과 축 불정렬 등 극한의 작동 조건에서 베어링의 간극 확보가 어려워 쉽게 파손되는 한계를 가지고 있다.
한편, 포일 베어링은 베어링 슬리브 내부에 다수의 스프링-감쇠 요소(범프 포일 및 탑 포일)를 적용하여 일반적인 유체 동압 베어링 보다 향상된 강성과 감쇠 계수를 가지는 장점을 가지고 있어 소형 초고속 회전 기계에 최근 많이 적용되고 있다.
그러나 포일 베어링은 회전축의 초기 구동 및 정지 시 적절한 하중 지지력을 가지지 못해 베어링 표면에 마모가 지속적으로 발생하며, 설계 및 제작, 조립 공정이 복잡한 단점을 가지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 고 하중, 고 진동, 고온, 극 저온, 베어링과 축 불정렬 등과 같은 극한의 작동 조건에서 베어링 시스템의 동적 안정성을 확보할 수 있는 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 사용자의 요구에 맞는 베어링의 특성 구현 및 튜닝이 가능한 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링은, 회전축의 외경면에 링 결합되는 형태로 장착되는 베어링 하우징; 및 상기 회전축과 상기 베어링 하우징 사이에 장착되되, 상기 회전축과 상기 베어링 하우징 각각의 사이에 간극을 가지며, 상기 회전축의 회전 시 상기 베어링 하우징에 의해 회전이 구속되고, 원주 방향 일측이 반경 방향으로 개방되어 있는 플로팅 슬리브를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베어링 하우징은, 상기 회전축의 삽입이 가능하도록 중심이 축 방향으로 개방되어 있는 하우징 본체; 및 상기 하우징 본체의 내경면에 적어도 하나 형성되되, 상기 하우징 본체의 내경면으로부터 깊이 방향으로 형성되며, 상기 회전축의 회전 방향에 따라 상기 플로팅 슬리브의 외측과 가변 접촉되는 가이드 홈을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플로팅 슬리브는, 상기 회전축의 삽입이 가능하도록 중심이 축 방향으로 개방되되, 상기 하우징 본체의 내경보다 작은 외경을 가지는 슬리브 본체; 상기 슬리브 본체의 원주 방향 일측에 구비되며, 상기 슬리브 본체의 반경 방향 내측과 외측을 연통시키는 형태로 형성되는 개구부; 및 상기 슬리브 본체의 외경면에 적어도 하나 형성되되, 상기 슬리브 본체의 외경면으로부터 반경 방향 외측으로 돌출 형성되며, 상기 가이드 홈에 수용되는 돌출부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가이드 홈에 상기 돌출부가 수용되는 경우, 상기 가이드 홈의 내면과 상기 돌출부의 외면은 유격을 가지며, 상기 돌출부는 상기 회전축의 회전 방향에 따라 상기 가이드 홈 내에서 상대적 위치가 변화될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플로팅 슬리브는, 상기 슬리브 본체의 내경면 중 상기 돌출부와 대응되는 위치에서 깊이 방향으로 형성되는 포켓; 상기 돌출부의 축 방향 일측면에 구비되며, 외부의 유체 공급 장치와의 연결을 위한 피팅이 장착되는 피팅 장착구; 상기 슬리브 본체와 상기 돌출부의 내부에 이어져 형성되며, 상기 피팅 장착구와 상기 포켓을 연통시키는 유로; 및 상기 포켓 측에 위치하는 상기 유로의 단부에 형성되는 오리피스를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 오리피스는 상기 회전축에 대하여 수직 또는 경사지게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 스퀴즈 필름 댐퍼를 더 포함하며, 상기 스퀴즈 필름 댐퍼는 상기 베어링 하우징과 상기 플로팅 슬리브가 이루는 간극에 제공되되, 적어도 한 층 이상의 유체 윤활막으로 제공될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 컴플라이언트 스프링 댐퍼를 더 포함하며, 상기 컴플라이언트 스프링 댐퍼는 상기 베어링 하우징과 상기 플로팅 슬리브가 이루는 간극에 제공되되, 적어도 한 겹 이상의 범프 포일로 제공될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 컴플라이언트 스프링 댐퍼는 상기 베어링 하우징과 상기 플로팅 슬리브가 이루는 간극의 폭 방향 양측에 상기 범프 포일의 길이 방향으로 제공되는 간극 조절 포일을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 베어링 하우징은 상기 하우징 본체의 내경면에 적어도 하나 형성되되, 상기 하우징 본체의 내경면으로부터 깊이 방향으로 형성되며, 상기 범프 포일 또는 간극 조절 포일의 길이 방향 일측 단부가 삽입되는 슬롯을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 회전축의 외경면에 링 결합되는 형태로 장착되는 베어링 하우징; 및 상기 회전축과 상기 베어링 하우징 사이에 장착되되, 상기 회전축과 상기 베어링 하우징 각각의 사이에 간극을 가지며, 상기 회전축의 회전 시 상기 베어링 하우징에 의해 회전이 구속되고, 원주 방향 일측이 반경 방향으로 개방되어 있는 플로팅 슬리브를 포함할 수 있다.
이에 따라, 고 하중, 고 진동, 고온, 극 저온, 베어링과 축 불정렬 등과 같은 극한의 작동 조건에서 베어링의 간극이 능동적으로 변환됨으로써, 뉴매틱 햄머 불안정성(Pneumatic hammer instability)을 회피하거나 지연시켜 베어링 시스템의 안정성을 혁신적으로 향상시킬 수 있고, 그 운전 영역을 확장시킬 수 있는 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 매우 우수한 감쇠 능력을 가짐으로써, 고 하중, 고 진동, 고온, 극 저온, 베어링과 축 불정렬 등과 같은 극한의 작동 조건에서 베어링 시스템의 동적 안정성을 확보할 수 있는 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 간단한 구조를 가지면서도 양방향 회전이 가능한 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 회전 속도 및 작동 조건에 따라 유체 정압 베어링 또는 유체 동압 베어링으로 모두 사용 가능한 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 베어링 하우징과 플로팅 슬리브의 간단한 결합 구조로 이루어짐으로써, 가공 및 조립이 쉽고 유지보수가 용이한 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 베어링 하우징과 플로팅 슬리브 사이에 삽입되어 고정되는 컴플라이언트 스프링 댐퍼의 강성과 감쇠를 조절함으로써, 사용자의 요구에 맞는 베어링 특성 구현 및 튜닝이 가능한 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링이 제공될 수 있다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링은 기존의 터빈/압축기/펌프 시스템의 베어링 대체용으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 1의 절개 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링의 베어링 하우징을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링의 플로팅 슬리브를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에서, 회전축이 정지 상태일 때 가이드 홈에 수용된 돌출부의 상대적 위치를 나타낸 모식도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에서, 회전축의 회전 방향에 따른, 가이드 홈에 수용된 돌출부의 상대적 위치 변화를 나타낸 모식도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에서, 플로팅 슬리브의 유체 공급 경로를 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 1의 절개 단면 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 나타낸 모식도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링의 베어링 하우징을 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링의 플로팅 슬리브를 나타낸 사시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에서, 회전축이 정지 상태일 때 가이드 홈에 수용된 돌출부의 상대적 위치를 나타낸 모식도이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에서, 회전축의 회전 방향에 따른, 가이드 홈에 수용된 돌출부의 상대적 위치 변화를 나타낸 모식도들이며, 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에서, 플로팅 슬리브의 유체 공급 경로를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 회전 속도 및 작동 조건에 따라 유체 정압 베어링 또는 유체 동압 베어링으로 모두 사용 가능한 베어링이다.
이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 베어링 하우징(110) 및 플로팅 슬리브(floating sleeve)(120)를 포함하여 형성될 수 있다.
베어링 하우징(110)은 회전축(S)의 외경면에 링 결합되는 형태로 장착될 수 있다. 이때, 베어링 하우징(110)은 플로팅 슬리브(120)를 매개로 회전축(S)의 외경면에 장착될 수 있다. 즉, 베어링 하우징(110)은 플로팅 슬리브(120)를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 베어링 하우징(110)은 하우징 본체(111) 및 가이드 홈(112)을 포함하여 형성될 수 있다.
하우징 본체(111)는 베어링 하우징(110)의 외관을 이룬다. 하우징 본체(111)는 회전축(S)의 삽입이 가능하도록 중심이 축 방향으로 개방되어 있을 수 있다. 예를 들어, 하우징 본체(111)는 속이 빈 원통형 또는 링 형상으로 구비될 수 있다.
가이드 홈(112)은 하우징 본체(111)의 내경면에 형성될 수 있다. 가이드 홈(112)은 하우징 본체(111)의 내경면으로부터 깊이 방향으로 형성될 수 있다. 이때, 가이드 홈(112)은 하우징 본체(111)의 내경면에 복수 개 형성될 수 있다. 복수 개의 가이드 홈(112)은 하우징 본체(111)의 내경면에 원주 방향으로 이격 형성될 수 있다.
가이드 홈(112)에는 후술되는 플로팅 슬리브(120)의 돌출부(123)가 수용될 수 있다. 이에 따라, 가이드 홈(112)은 플로팅 슬리브(120)의 돌출부(123)가 수용될 수 있도록, 이와 동일 또는 유사한 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 가이드 홈(112)과 플로팅 슬리브(120)의 돌출부(123)는 매우 느슨하게 조립될 수 있다(도 7 참조). 즉, 가이드 홈(112)과 플로팅 슬리브(120)의 돌출부(123)는 유격을 가질 수 있다. 이는, 플로팅 슬리브(120)가 베어링 하우징(110)에 조립된 상태에서, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)에 작용하는 동적, 정적 하중 조건 및 정렬, 조립 조건, 열적 평형 조건 등에 따라 자유롭게 플로팅 슬리브(120)의 위치가 결정되도록 할 뿐 아니라, 플로팅 슬리브(120)의 팽창 시, 플로팅 슬리브(120)가 베어링 하우징(110)에 구속되지 않도록 하기 위함이다.
가이드 홈(112)은 회전축(S)의 회전 방향에 따라 플로팅 슬리브(120)의 외측, 보다 상세하게는 플로팅 슬리브(120)의 돌출부(123)와 가변 접촉되고, 이에 따라, 플로팅 슬리브(120)의 회전이 구속될 수 있다.
한편, 베어링 하우징(110)은 슬롯(slot)(113)을 더 포함할 수 있다.
슬롯(113)은 하우징 본체(111)의 내경면에 형성될 수 있다. 슬롯(113)은 하우징 본체(111)의 내경면으로부터 깊이 방향으로 형성될 수 있다. 이때, 슬롯(113)은 하우징 본체(111)의 내경면에 복수 개 형성될 수 있다. 복수 개의 슬롯(113)은 하우징 본체(111)의 내경면에 원주 방향으로 이격 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 슬롯(113)은 쌍을 이루는 형태로 하우징 본체(111)의 내경면에 원주 방향으로 이격 형성될 수 있다. 또한, 복수 개의 슬롯(113)은 가이드 홈(112)의 원주 방향 일측 및 타측에 각각 형성될 수도 있다.
이러한 슬롯(113)은 컴플라이언트 스프링 댐퍼(도 11의 130)가 적용되는 경우, 이를 고정시키는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 스퀴즈 필름 댐퍼(squeeze film damper)를 더 포함할 수 있다. 스퀴즈 필름 댐퍼는 유체 윤활 상태의 유막에서 발생하는 스퀴즈막 작용(squeeze film damping effect)에 의해 베어링에 감쇠를 부가해서 진동을 저감시킨다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼는 베어링 하우징(110)과 플로팅 슬리브(120)가 이루는 간극에 제공될 수 있다.
이러한 스퀴즈 필름 댐퍼는 유체 윤활막(F)으로 제공될 수 있다. 이때, 유체 윤활막(F)은 단일막 또는 둘 이상의 막이 겹쳐진 다중막으로 구비될 수 있다.
이와 같이, 베어링 하우징(110)과 플로팅 슬리브(120)가 이루는 간극에 유체 윤활막(F)으로 이루어진 스퀴즈 필름 댐퍼가 구비됨에 따라, 하우징 본체(111)의 내경면에 형성되는 슬롯(113)은 생략될 수 있다.
다시, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 플로팅 슬리브(120)는 회전축(S)과 베어링 하우징(110) 사이에 장착될 수 있다. 이때, 플로팅 슬리브(120)는 회전축(S)과의 사이에 간극을 가질 수 있다. 또한, 플로팅 슬리브(120)는 베어링 하우징(110)과의 사이에 간극을 가질 수 있다.
즉, 플로팅 슬리브(120)는 회전축(S)과 베어링 하우징(110) 사이에서 플로팅(floating)될 수 있다. 이때, 플로팅 슬리브(120)는 회전축(S)과 이루는 간극 및 베어링 하우징(110)과 이루는 간극에 공급되어 스퀴즈 필름 댐퍼로 작용하는 유체 윤활막(F)에 의해 회전축(S)과 베어링 하우징(110) 사이에서 자유롭게 플로팅될 수 있다. 여기서, 유체는 오일, 공기, 가스, 극저온 유체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브(120)는 회전축(S)과 베어링 하우징(110) 사이에서 자유롭게 플로팅되는 가운데, 회전축(S)의 회전 시 베어링 하우징(110)에 의해 회전이 구속될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브(120)는 고 하중, 고 진동, 고온, 베어링과 축의 불정렬 조건과 같은 극한의 작동 조건에서 유체 윤활막(F)이 최소 유막 두께에 근접할 경우, 능동적으로 벌어져 파손이 방지되도록, 완전히 닫혀지지 않고, 한쪽이 열려 있는 형태를 가질 수 있다. 즉, 플로팅 슬리브(120)는 소재의 탄성 범위 이내에서 자유로운 팽창이 가능한 구조를 가질 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브(120)는 원주 방향 일측이 반경 방향으로 개방되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 고 하중, 고 진동, 고온, 극 저온, 베어링과 축 불정렬 등과 같은 극한의 작동 조건에서 회전축(S)과 플로팅 슬리브(120) 사이의 간극이 능동적으로 변환될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 뉴매틱 햄머 불안정성(Pneumatic hammer instability)을 회피하거나 지연시켜 베어링 시스템의 안정성을 혁신적으로 향상시킬 수 있고, 그 운전 영역을 확장시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브(120)는 슬리브 본체(121), 개구부(122) 및 돌출부(123)를 포함하여 형성될 수 있다.
슬리브 본체(121)는 회전축(S)의 삽입이 가능하도록 중심이 축 방향으로 개방될 수 있다. 즉, 슬리브 본체(121)는 원통형 또는 링 형상으로 형성될 수 있다.
이때, 슬리브 본체(121)는 하우징 본체(111)의 내경보다 작은 외경을 가질 수 있다. 이에 따라, 슬리브 본체(121)는 하우징 본체(111)의 내경면으로 삽입될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 슬리브 본체(121)의 내경면은 완전한 원형을 가질 수 있다. 하지만, 이는 일례일 뿐, 슬리브 본체(121)의 내경면은 회전체의 동역학적 안정성을 향상시키기 위해 로브 형태나 오프셋 형태 또는 타원 형태로도 형성될 수 있다.
개구부(122)는 슬리브 본체(121)의 원주 방향 일측에 구비될 수 있다. 개구부(122)는 슬리브 본체(121)의 반경 방향 내측과 외측을 연통시키는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 개구부(122)를 통해, 플로팅 슬리브(120)는 완전히 닫혀지지 않고, 한쪽이 열려 있는 형태를 가질 수 있으며, 고 하중, 고 진동, 고온, 극 저온, 베어링과 축 불정렬 등과 같은 극한의 작동 조건에서, 파손이 방지되도록, 회전축(S)과의 간극이 능동적으로 변환될 수 있다.
돌출부(123)는 슬리브 본체(121)의 외경면에 적어도 하나 형성될 수 있다. 돌출부(123)는 슬리브 본체(121)의 외경면으로부터 반경 방향 외측으로 돌출 형성될 수 있다.
베어링 하우징(110)과 플로팅 슬리브(120)가 조립되는 경우, 돌출부(123)는 베어링 하우징(110)에 구비되는 가이드 홈(112)에 수용될 수 있다.
돌출부(123)가 가이드 홈(112)에 수용되는 경우, 회전축(S)이 회전하더라도 플로팅 슬리브(120)의 회전은 구속될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 돌출부(123)는 단면이 사각형인 육면체 형태로 구비될 수 있다. 하지만, 이는 일례일 뿐, 돌출부(123)는 구 또는 반구 등 다양한 형태로 슬리브 본체(121)의 외경면에 돌출될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에서, 베어링 하우징(110)과 플로팅 슬리브(120)가 조립되는 과정에서, 돌출부(123)가 베어링 하우징(110)에 구비되는 가이드 홈(112)에 수용되는 경우, 가이드 홈(112)의 내면과 돌출부(123)의 외면은 유격을 가질 수 있다.
이에 따라, 돌출부(123)는 회전축(S)의 회전 방향에 따라 가이드 홈(112) 내에서 상대적 위치가 변화될 수 있다.
도 8을 참조하면, 회전축(S)이 오른쪽 방향(시계 방향)으로 회전하는 경우, 플로팅 슬리브(120)의 슬리브 본체(121)와 돌출부(123)도 동일한 방향으로 회전하게 된다. 이때, 돌출부(123)는 가이드 홈(112) 내에서 오른쪽으로 이동하다가, 고정되어 있는 가이드 홈(112)의 오른쪽 내벽면에 접촉하게 된다. 즉, 돌출부(123)는 최초 위치에서 오른쪽으로 이동하게 된다. 이때, 돌출부(123)는 가이드 홈(112)의 오른쪽 내벽면과 유격되었던 거리만큼 이동하게 된다.
이에 따라, 돌출부(123)의 더 이상의 이동은 차단된다. 이를 통해, 회전축(S)이 회전하더라도 플로팅 슬리브(120)는 회전하지 않고 고정된 상태로 유지될 수 있다.
도 9를 참조하면, 마찬가지로, 회전축(S)이 왼쪽 방향(반 시계 방향)으로 회전하는 경우, 플로팅 슬리브(120)의 슬리브 본체(121)와 돌출부(123)도 동일한 방향으로 회전하게 된다. 이때, 돌출부(123)는 가이드 홈(112) 내에서 왼쪽으로 이동하다가, 고정되어 있는 가이드 홈(112)의 왼쪽 내벽면에 접촉하게 된다. 즉, 돌출부(123)는 최초 위치에서 왼쪽으로 이동하게 된다. 이때, 돌출부(123)는 가이드 홈(112)의 왼쪽 내벽면과 유격되었던 거리만큼 이동하게 된다.
이에 따라, 돌출부(123)의 더 이상의 이동은 차단된다. 이를 통해, 회전축(S)이 회전하더라도 플로팅 슬리브(120)는 회전하지 않고 고정된 상태로 유지될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브(120)는 베어링 하우징(110)에 구비되는 가이드 홈(112)에 유격을 가지면서 수용되는 돌출부(123)를 통해, 회전축(S)이 시계 또는 반 시계 방향으로 회전하더라도 이에 연동되지 않고 고정된 상태로 유지될 수 있다.
도 6 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브(120)는 피팅 장착구(124), 유로(125), 포켓(126) 및 오리피스(127)을 더 포함하여 형성될 수 있다.
피팅 장착구(124)는 돌출부(123)에 구비될 수 잇다. 구체적으로, 피팅 장장구(124)는 돌출부(123)의 축 방향 일측면에 구비될 수 있다. 이러한 피팅 장착구(124)에는 외부의 유체 공급 장치(미도시)와의 연결을 위한 피팅(fitting)(도 1의 10)이 장착될 수 있다.
포켓(126)은 슬리브 본체(121)의 내경면에 구비될 수 있다. 포켓(126)은 슬리브 본체(121)의 내경면으로부터 깊이 방향으로 구비될 수 있다. 이때, 포켓(126)은 돌출부(123)와 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 이에 따라, 포켓(126)은 슬리브 본체(121)의 내경면에서 원주 방향으로 복수 개 구비될 수 있다. 그 결과, 플로팅 슬리브(120)와 회전축(S) 사이는 회전축(S)의 외경면 둘레 방향으로 공급되는 유체에 의해 원활하게 윤활될 수 있다.
여기서, 포켓(126)은 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)의 하중 지지력 및 강성, 감쇠 계수를 향상시키기 위해, 사각형 형태로 이루어질 수 있다. 하지만, 이는 일례일 뿐, 포켓(126)은 나뭇잎(리프), 육각형 또는 타원 형태로 이루어질 수도 있다.
한편, 슬리브 본체(121)의 내경면 중 포켓(126) 이외의 부분은 하중 지지력 향상을 위해, 헤링본 그루브 또는 스파이럴 그루브 형태로 이루어질 수 있다.
도 10을 참조하면, 유로(125)는 슬리브 본체(121)와 돌출부(123)의 내부에 이어져 형성될 수 있다. 이러한 유로(125)는 외부로부터 주입되는 유체가 포켓(126)에 공급될 수 있도록, 피팅 장착구(124)와 포켓(126)을 연통시키는 형태로 형성될 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시 예에서, 포켓(126)은 슬리브 본체(121)의 내경면에 깊이 방향으로 형성되고, 피팅 장착구(124)는 슬리브 본체(121)의 외경면에 구비되는 돌출부(123)의 축 방향 일측면에 형성됨에 따라, 유로(125)는 길이 방향 일측이 절곡되는 구조로 형성될 수 있다.
오리피스(127)는 포켓(126) 측에 위치하는 유로(125)의 단부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 피팅(10)을 통해 플로팅 슬리브(120)에 공급되는 유체는 유로(125) 및 오리피스(127)를 통해, 포켓(126)에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 피팅(10), 유로(125) 및 오리피스(127)를 통해 포켓(126)에 유체를 지속적으로 강제 공급 받을 경우, 외부 가압 베어링, 즉, 유체 정압 베어링으로 작동하게 된다. 외부 가압 베어링은 초기 구동 및 정지 시 베어링 표면의 마찰과 마모를 발생하지 않도록 하여, 베어링의 수명 및 내구성을 증가시킬 수 있으며, 고 하중, 고 강성, 고 감쇠 등의 베어링 특성이 요구되는 작동 조건에서 사용될 수 있다.
그러나 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은, 회전축(S)이 고속에서 안정적으로 회전하고 있을 경우, 즉, 외부 가압 베어링으로 작동될 필요가 없을 때에는 포켓(126)에 강제적으로 공급하는 유체의 양을 줄이거나 중단함으로써, 유체 동압 베어링으로도 작동될 수 있다.
한편, 돌출부(123)는 외부 유체 공급을 위해 연결하는 유로(125) 및 오리피스(127) 가공 시, 상대적으로 매우 얇은 원형의 슬리브를 가공하는 것보다 넓은 가공 활용 면적을 제공한다. 따라서, 돌출부(123)를 구비하면, 오리피스(127) 가공 비용을 줄일 수 있고, 가공 시간 또한 단축시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 오리피스(127)는 회전축(S) 또는 포켓(126)에 대하여 수직으로 형성될 수 있다. 하지만, 이는 일례일 뿐, 오리피스(127)는 회전체의 동역학적 안정성 향상을 위해, 소정 각도로 경사지게 형성될 수도 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링에 대하여, 도 11을 참조하여 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링을 나타낸 모식도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 베어링 하우징(110), 플로팅 슬리브(120) 및 컴플라이언트 스프링 댐퍼(compliant spring damper)(130)를 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예는 본 발명의 일 실시 예와 비교하여, 컴플라이언트 스프링 댐퍼가 추가되는 것만 차이가 있을 뿐이므로, 나머지 동일한 구성 요소들에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고, 이들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)는 스프링 특성과 마찰 감쇠 특성을 동시에 가진다. 컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)은 회전축(S)의 고속 회전에 따른 고온 조건에서도 댐퍼의 특성을 유지하므로, 일정한 감쇠 능력이 지속적으로 유지될 수 있다.
이러한 컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)는 베어링 하우징(110)과 플로팅 슬리브(120)가 이루는 간극에 제공될 수 있다. 이때, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)는 범프 포일(131)로 제공될 수 있다. 범프 포일(131)은 한 겹 혹은 한 층으로 이루어질 수 있다. 하지만, 이는 일례일 뿐, 범프 포일(131)은 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)에 요구되는 감쇠 특성, 내구성 필요 조건 등에 따라 두 겹으로 이루어진 이중 범프 포일(131) 또는 여러 겹으로 이루어진 다중 범프 포일(131)로도 구비될 수 있다.
이러한 범프 포일(131)은 원주 방향으로 좌우 대칭을 이루도록, 베어링 하우징(110)과 플로팅 슬리브(120)가 이루는 간극에 제공될 수 있다. 이를 통해, 회전축(S)이 어느 방향으로 회전하더라도 동일한 강성 및 감쇠가 부여되도록 할 수 있다.
범프 포일(131)은 베어링 하우징(110)과 플로팅 슬리브(120)가 이루는 간극에 원주 방향으로 복수 개 제공될 수 있다. 이때, 각 범프 포일(131)의 길이 방향 일측 단부는 베어링 하우징(110)에 마련되어 있는 슬롯(113)에 삽입되어 고정될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)는 간극 조절 및 예하중(preload) 부여를 위해, 복수 개의 간극 조절 포일(132, 133, 134)을 포함할 수 있다.
복수 개의 간극 조절 포일(132, 133, 134)은 베어링 하우징(110)과 플로팅 슬리브(120)가 이루는 간극의 폭 방향 양측에, 즉, 범프 포일(131)을 감싸는 형태로 이의 길이 방향으로 제공될 수 있다.
구체적으로, 제1 간극 조절 포일(132)은 범프 포일(131)과 베어링 하우징(110) 사이에 범프 포일(131)의 길이 방향으로 제공될 수 있다. 또한, 제2 간극 조절 포일(133)은 범프 포일(131)과 플로팅 슬리브(120) 사이에 범프 포일(131)의 길이 방향으로 제공될 수 있다.
이때, 범프 포일(131)과 플로팅 슬리브(120) 사이에는 제3 간극 조절 포일(134)이 제2 간극 조절 포일(133)과 서로 반대 방향으로 고정되도록 제공될 수 있다. 이는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100) 작동 시, 제2 간극 조절 포일(133)과 제3 간극 조절 포일(134)이 서로 반대 방향으로 움직이게 함으로써, 마찰 운동을 크게 발생시켜, 감쇠력을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 제1 간극 조절 포일(132), 제2 간극 조절 포일(133) 및 제3 간극 조절 포일(134) 또한 그 길이 방향 일측 단부가 베어링 하우징(110)에 마련되어 있는 복수 개의 슬롯(113)에 각각 또는 하나 이상 삽입되어 고정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)를 통해 히스테리시스(hysteresis) 감쇠가 추가되어 베어링 시스템의 동적 안정성을 향상시킬 수 있다. 이때, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링(100)은 컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)의 강성과 감쇠 조절을 통해, 사용자의 요구에 맞는 베어링 특성을 구현할 수 있고, 특성의 튜닝 또한 가능하게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에서는, 컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)로, 범프 포일(131) 형태를 예시하였으나, 이는 일례일 뿐, 컴플라이언트 스프링 댐퍼(130)로는 점탄성 댐퍼, 탄성중합체 댐퍼, 웨이브 스프링, 마셀 익스팬더, 와이어 메쉬 댐퍼, 코일 스프링, 톨러런스 링, 외팔보 빔 포일, 윙 포일 등이 적용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 회전축의 외경면에 링 결합되는 형태로 장착되는 베어링 하우징; 및
    상기 회전축과 상기 베어링 하우징 사이에 장착되되, 상기 회전축과 상기 베어링 하우징 각각의 사이에 간극을 가지며, 상기 회전축의 회전 시 상기 베어링 하우징에 의해 회전이 구속되고, 원주 방향 일측이 반경 방향으로 개방되어 있는 플로팅 슬리브;를 포함하는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 베어링 하우징은,
    상기 회전축의 삽입이 가능하도록 중심이 축 방향으로 개방되어 있는 하우징 본체; 및
    상기 하우징 본체의 내경면에 적어도 하나 형성되되, 상기 하우징 본체의 내경면으로부터 깊이 방향으로 형성되며, 상기 회전축의 회전 방향에 따라 상기 플로팅 슬리브의 외측과 가변 접촉되는 가이드 홈을 포함하는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 플로팅 슬리브는,
    상기 회전축의 삽입이 가능하도록 중심이 축 방향으로 개방되되, 상기 하우징 본체의 내경보다 작은 외경을 가지는 슬리브 본체;
    상기 슬리브 본체의 원주 방향 일측에 구비되며, 상기 슬리브 본체의 반경 방향 내측과 외측을 연통시키는 형태로 형성되는 개구부; 및
    상기 슬리브 본체의 외경면에 적어도 하나 형성되되, 상기 슬리브 본체의 외경면으로부터 반경 방향 외측으로 돌출 형성되며, 상기 가이드 홈에 수용되는 돌출부를 포함하는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 가이드 홈에 상기 돌출부가 수용되는 경우, 상기 가이드 홈의 내면과 상기 돌출부의 외면은 유격을 가지며,
    상기 돌출부는 상기 회전축의 회전 방향에 따라 상기 가이드 홈 내에서 상대적 위치가 변화되는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 플로팅 슬리브는,
    상기 슬리브 본체의 내경면 중 상기 돌출부와 대응되는 위치에서 깊이 방향으로 형성되는 포켓;
    상기 돌출부의 축 방향 일측면에 구비되며, 외부의 유체 공급 장치와의 연결을 위한 피팅이 장착되는 피팅 장착구;
    상기 슬리브 본체와 상기 돌출부의 내부에 이어져 형성되며, 상기 피팅 장착구와 상기 포켓을 연통시키는 유로; 및
    상기 포켓 측에 위치하는 상기 유로의 단부에 형성되는 오리피스를 포함하는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 오리피스는 상기 회전축에 대하여 수직 또는 경사지게 형성되는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  7. 제1 항에 있어서,
    스퀴즈 필름 댐퍼를 더 포함하며,
    상기 스퀴즈 필름 댐퍼는 상기 베어링 하우징과 상기 플로팅 슬리브가 이루는 간극에 제공되되, 적어도 한 층 이상의 유체 윤활막으로 제공되는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  8. 제1 항에 있어서,
    컴플라이언트 스프링 댐퍼를 더 포함하며,
    상기 컴플라이언트 스프링 댐퍼는 상기 베어링 하우징과 상기 플로팅 슬리브가 이루는 간극에 제공되되, 적어도 한 겹 이상의 범프 포일로 제공되는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 컴플라이언트 스프링 댐퍼는 상기 베어링 하우징과 상기 플로팅 슬리브가 이루는 간극의 폭 방향 양측에 상기 범프 포일의 길이 방향으로 제공되는 간극 조절 포일을 포함하는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 베어링 하우징은 상기 하우징 본체의 내경면에 적어도 하나 형성되되, 상기 하우징 본체의 내경면으로부터 깊이 방향으로 형성되며, 상기 범프 포일 또는 간극 조절 포일의 길이 방향 일측 단부가 삽입되는 슬롯을 더 포함하는, 플로팅 슬리브 하이브리드 유체 베어링.
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