WO2022177113A1 - 에어 포일 저널베어링 - Google Patents

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WO2022177113A1
WO2022177113A1 PCT/KR2021/018709 KR2021018709W WO2022177113A1 WO 2022177113 A1 WO2022177113 A1 WO 2022177113A1 KR 2021018709 W KR2021018709 W KR 2021018709W WO 2022177113 A1 WO2022177113 A1 WO 2022177113A1
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WO
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top foil
foil
bearing housing
fixed
inner top
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/018709
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English (en)
French (fr)
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이종성
김현칠
박건웅
박민규
박치용
성열우
최규성
Original Assignee
한온시스템 주식회사
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    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
    • F16C17/024—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only with flexible leaves to create hydrodynamic wedge, e.g. radial foil bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C27/02—Sliding-contact bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
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    • F16C32/0603—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1005—Construction relative to lubrication with gas, e.g. air, as lubricant

Definitions

  • the present invention relates to an airfoil journal bearing configured to support a radial load on a rotor.
  • An air foil bearing is a bearing that supports a load by forming pressure by introducing air, which is a fluid having viscosity, between the foil in contact with the rotor or bearing disk according to the high-speed rotation of the rotor (or the rotation shaft).
  • the airfoil journal bearing is a bearing configured to support a radial load of the rotor in a direction perpendicular to the rotor.
  • the bump foil 2 is installed along the inner circumferential surface 1b of the hollow 1a of the bearing housing 1 as shown in FIG. 1, and the top foil 3 is installed on the inside of the bump foil 2 It is configured to be disposed, and the rotor 4, or a rotation shaft, is disposed inside the top foil 3 so that the rotor can be rotated with the inner circumferential surface of the top foil 3 and the outer circumferential surface of the rotor 4 spaced apart .
  • the bump foil 2 and the top foil 3 are formed with bent portions in which one end in the circumferential direction is bent outward in the radial direction, and the bent portions 2a and 3a are grooves 1c formed in the bearing housing 1 ) inserted and fixed in
  • the rotor is supported by being in contact with the lower inner peripheral surface of the top foil by its own weight. It floats from the lower side of the inner peripheral surface of the body and rotates.
  • top foil of a general air foil journal bearing has one end fixed to the bearing housing and the other end formed as a free end, so that the free end is spaced apart from one side.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to prevent the pressure of air flowing along the rotor when the rotor disposed inside the top foil is rotated is lost near the free end of the top foil. It is to provide an air foil journal bearing capable of reducing the gap between the rotor and the top foil rotated inside the top foil.
  • Air foil journal bearing of the present invention for achieving the object as described above, is provided on the inside of the bearing housing is formed along the circumferential direction, the bump foil coupled to the bearing housing; and a top foil provided inside the bump foil and formed along a circumferential direction, one end of the circumferential direction is coupled to and fixed to the bearing housing and the other end is formed as a free end. Including, the other end being the free end of the top foil is formed to exceed the one end in the direction in which the top foil is extended based on the one end fixed to the bearing housing, the other end of the top foil in the circumferential direction It may be arranged to overlap one side.
  • the top foil is formed in two or more layers including an outer top foil and an inner top foil disposed inside the outer top foil, and the outer top foil and the inner top foil each have the other end of the inner top foil It may be arranged to overlap one side of the.
  • outer top foil and the inner top foil may extend in the same direction with respect to one end fixed to the fixed bearing housing.
  • the overlapping angle range ⁇ i of the inner top foil in which the other end of the inner top foil overlaps with one side of the inner top foil is an outer top foil in which the other end of the outer top foil overlaps with one side of the inner top foil It may be formed to be larger than the overlap angle range ⁇ o of .
  • the overlapping angle range ⁇ i of the inner top foil may be 12 degrees to 15 degrees
  • the overlap angle range ⁇ o of the outer top foil may be 5 degrees to 7 degrees.
  • the free end of the outer top foil and the free end of the inner top foil may be supported in contact with one inner circumferential surface of the inner top foil.
  • one fixed end of the top foil may be disposed on the lower side of the bearing housing.
  • the fixed one end of the top foil may be disposed on the upper side of the bearing housing.
  • top foil may be formed to extend more than 360 degrees along the circumferential direction with respect to one fixed end.
  • the bump foil and the top foil are formed in two or more divided shapes along the circumferential direction, and the divided bump foil and the top foil are respectively formed in a range of less than 360 degrees, and the divided bump foils and top foils Each one end is fixed to the bearing housing and the other end is formed as a free end, so that the other end of one top foil may be disposed to overlap one side of the other top foil.
  • one fixed end of one of the divided top foils may be disposed on the upper side of the bearing housing, and one fixed end of the other top foil may be disposed on the lower side of the bearing housing.
  • an air foil journal bearing configured to support the radial load of the rotor
  • the pressure of the air flowing along the rotor when the rotor disposed inside the top foil is rotated is prevented from being lost in the vicinity of the free end of the top foil. It has the advantage of improving the dynamic stability of the foil journal bearing.
  • the gap between the rotor rotating inside the top foil and the top foil is reduced, so that it is possible to improve the stiffness and damping performance of the air foil journal bearing by fluid dynamic pressure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional air foil journal bearing.
  • FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views and partially enlarged views showing an air foil journal bearing according to a first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views showing a relatively short length of the top foils and a relatively long length of the top foils in the air foil journal bearing according to the first embodiment of the present invention.
  • 5A and 5B are graphs showing the stiffness in the X-axis direction and the stiffness in the Y-axis direction according to the number of rotations of the rotor for each reduction amount (rp value) of the internal gap in the airfoil journal bearing according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an air foil journal bearing according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an air foil journal bearing according to a third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views and partially enlarged views showing an air foil journal bearing according to a first embodiment of the present invention.
  • the air foil journal bearing according to the first embodiment of the present invention may be largely composed of a bearing housing 100 , a bump foil 200 and a top foil.
  • the bearing housing 100 has a hollow 110 through which both sides are penetrated so as to penetrate in the axial direction on the inside.
  • the keyway 120 may be continuously formed along the longitudinal direction.
  • the bump foil 200 is disposed inside the hollow 110 of the bearing housing 100 , and the bump foil 200 is formed with a bent part in which one end in the circumferential direction is bent outward in the radial direction, and the bent part is inserted into the keyway 120 . and can be combined.
  • the bump foil 200 may be disposed in a circumferential direction in close contact with the inner circumferential surface of the bearing housing 100 , and the bump foil 200 is formed in a thin plate shape and has a plurality of elastic bumps convexly protruding to the inside. (210) may be formed spaced apart along the circumferential direction.
  • the bump foil 200 may be formed in two or more layers as shown. Also, the bump foil 200 may be formed to extend counterclockwise from one end fixed to the bearing housing 100 . In addition, the bump foil 200 may be formed in various ways.
  • the top foil may be provided on the inside of the bump foil 200 and formed along the circumferential direction.
  • the top foil may be formed of one sheet or two or more sheets, and an embodiment in which the top foil is formed of two sheets will be described below.
  • the top foil may include an outer top foil 300a and an inner top foil 300b.
  • the outer top foil 300a and the inner top foil 300b are respectively formed with bent portions 310a and 310b in which one end in the circumferential direction is bent outward in the radial direction, and the bent portions 310a and 310b are in the keyway 120 . Inserted, the outer top foil 300a and the inner top foil 300b may be fixed.
  • the top foil key 400 is coupled to the bent portion 310b of the inner top foil 300b, and the bent portion 310b and the top foil key 400 of the inner top foil 300b are coupled to the bearing housing 100 . It can be inserted into the keyway 120 of the fixed.
  • the outer top foil 300a and the inner top foil 300b have connecting portions 320a and 320b extending counterclockwise from the top of the bent portions 310a and 310b, respectively, and the ends of the connecting portions 320a and 320b.
  • the curved portions 330a and 330b may extend in a counterclockwise direction from the right end. That is, the outer top foil 300a and the inner top foil 300b may extend in the same direction with respect to one fixed end.
  • the connecting portions 320a and 320b may be formed in a shape that gradually moves away from the extension line formed by the inner circumferential surface of the curved portions 330a and 330b in the clockwise direction outward in the radial direction.
  • the curved portions 330a and 330b may have an inner circumferential surface formed in a circular arc shape.
  • the other circumferential ends of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b may be formed as free ends, and end portions of the curved portions 330a and 330b may be formed as free ends.
  • the outer top foil 300a and the inner top foil 300b are respectively formed to extend counterclockwise in excess of 360 degrees along the circumferential direction with respect to the bent portions 310a and 310b, and the other side which is a portion exceeding 360 degrees.
  • the end portion may be disposed to overlap the bent portion 310b and the connecting portion 320b of the inner top foil 300b in the circumferential direction. That is, the outer top foil 300a and the inner top foil 300b have a region where one end and the other end overlap each other in the circumferential direction by a specific angle range, and the outer top foil 300a and the inner top foil 300b
  • the other end of each may be disposed radially inside the one end of the inner top foil (300b).
  • the other end which is a free end of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b, may be disposed radially outward from the extension line formed by the inner circumferential surface of the curved portion 330b of the inner top foil 300b.
  • the other end of the outer top foil 301 and the inner top foil 300b may be supported by being in contact with the connecting portion 320b in the radial direction in a state in which external force is not applied.
  • the outer top foil 300a and the inner top foil 300b are manufactured in a flat form or making the outer diameters of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b larger than the inner diameter of the bump foil 200.
  • the outer top foil 300a and the inner top foil 300b are stretched by elasticity, and the outer top foil 300a and the inner top foil 300b are free.
  • Each end may be supported by being in contact with the connection portion 320b of the inner top foil 300b.
  • only the free ends of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b may be in contact with the connecting portion 320b.
  • a portion of the free end portion may be supported by being in surface contact with the connecting portion 320b.
  • the other ends of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b may be disposed in a state slightly spaced apart from the connection portion 320b in a free state in which external force does not act, in this case the rotor 500.
  • the free end portions of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b are bent outward in the radial direction by the pressure of air during rotation of the .
  • the rotor 500 may be inserted into the inner side of the inner top foil 300b to be spaced apart, and the inner peripheral surface of the inner top foil 300b may have Teflon, etc. A coating film may be formed.
  • the rotation direction of the rotor 500 is opposite to the direction in which the outer top foil 300a and the inner top foil 300b are coupled to the bearing housing 100 and extend based on the fixed bent portions 310a and 310b. It can be configured to be directional.
  • the pressure of the air flowing along the rotor when the rotor disposed inside the top foil rotates is the free end of the top foil. It can be prevented from being lost in the vicinity, thereby improving the dynamic stability of the airfoil journal bearing.
  • the clearance between the rotor rotating inside the top foil and the top foil is reduced, so that the rigidity and damping performance of the air foil journal bearing by fluid dynamic pressure can be improved.
  • the overlapping angle range ⁇ i of the inner top foil in which the other end of the inner top foil 300b overlaps with one side of the inner top foil 300b is the other end of the outer top foil 300a is the inner top foil 300b. It may be formed larger than the overlap angle range ( ⁇ o) of the outer top foil overlapping one side of the. Thus, flow obstruction to the air passing near the free ends of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b can be minimized.
  • the overlapping angle range ⁇ i of the inner top foil is preferably 12 to 15 degrees
  • the overlapping angle range ⁇ o of the outer top foil is preferably 5 to 7 degrees.
  • the overlapping angle range ⁇ i of the inner top foil is 20 degrees or more
  • the driving torque is increased, which is disadvantageous to the performance.
  • the overlapping angle range ( ⁇ o) of the outer top foil is located between less than 5 degrees and 0 degrees, the outer top foil 300a is stretched by the movement of the bump foil, and the free end is pushed out radially outward and does not overlap inside Abnormal binding may occur on the side of the bent portion 310b of the top foil 300b.
  • one fixed end of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b may be disposed on the lower side of the bearing housing 100 . Therefore, it is possible to prevent the loss of air pressure in the vicinity of 200 degrees, which is the angle forming the maximum pressure among the air pressure fields of the portion to which the load is applied when the rotor 500 rotates, and accordingly, it is possible to prevent self-excited vibration at the maximum speed of the rotor. can
  • FIGS. 5a and FIG. 5b is a graph showing the stiffness in the X-axis direction and the stiffness in the Y-axis direction according to the number of rotations of the rotor for each reduction amount (rp value) of the internal gap in the airfoil journal bearing according to the first embodiment of the present invention.
  • the air foil journal bearing according to the present invention can adjust the inner gap according to the length of the outer top foil (300a) and the inner top foil (300b). That is, the lengths of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b are relatively short as shown in FIG. 4b compared to the relatively short lengths of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b as shown in FIG. 4a. It is possible to reduce the internal gap, which is the distance between the rotor 500 and the inner top foil 300b, that is formed to be long.
  • the rp value is a value indicating a reduced internal gap, and as the number of rotations of the rotor increases, the stiffness in the X-axis direction (K XX ) and the stiffness in the Y-axis direction (K YY ) according to the internal gap It can be seen that the increase effect of
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an air foil journal bearing according to a second embodiment of the present invention.
  • one fixed end of the outer top foil 300a and the inner top foil 300b may be disposed on the upper side of the bearing housing 100 as shown. have.
  • the rotor 500 rotates, it is possible to prevent the air pressure from being unstable in the vicinity of an angle of 20 degrees at which the negative pressure is formed among the air pressure fields, so that the dynamic stability can be improved.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an air foil journal bearing according to a third embodiment of the present invention.
  • the air foil journal bearing according to the third embodiment of the present invention is divided into two or more in the circumferential direction of the bump foil 200, the outer top foil 300a and the inner top foil 300b. can be formed.
  • the divided bump foils 200 , the outer top foils 300a , and the inner top foils 300b may have a formation angle range of less than 360 degrees, respectively, and the divided bump foils 200 , the outer top foils (300a) and the inner top foil (300b), one end is fixed to the bearing housing, respectively, the other end may be formed as a free end.
  • one bump foil 200, an outer top foil 300a, and an inner top foil 300b arranged in an angular range corresponding to each other form a pair
  • the outer top foil 300a and Each of the inner top foils 300b may be disposed to overlap one side of the other pair of inner top foils 300b adjacent to the other end thereof.
  • the third embodiment of the present invention can have the effects of both the first and second embodiments.
  • 300a outer top foil
  • 300b inner top foil

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Abstract

본 발명의 에어 포일 저널베어링은 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 상기 베어링 하우징에 결합된 범프 포일; 및 상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 원주방향 일측 단부가 상기 베어링 하우징에 결합되어 고정되며 타측 단부는 자유단으로 형성된 탑 포일; 을 포함하고, 상기 탑 포일의 자유단인 타측 단부는 베어링 하우징에 고정된 일측 단부를 기준으로 탑 포일이 연장 형성되는 방향으로 일측 단부를 초과하게 형성되어, 원주방향으로 상기 탑 포일의 타측 단부가 일측과 중첩되게 배치됨으로써, 탑 포일의 내측 배치된 로터의 회전 시 로터를 따라 유동되는 공기의 압력이 탑 포일의 자유단 부근에서 유실되는 것이 방지되어 에어 포일 저널베어링의 유체 동압에 의한 강성 및 감쇠 성능을 향상시킬 수 있는 에어 포일 저널베어링에 관한 것이다.

Description

에어 포일 저널베어링
본 발명은 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성되는 에어 포일 저널베어링에 관한 것이다.
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.
그리고 에어 포일 베어링 중 에어 포일 저널베어링은 로터에 수직인 방향인 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성되는 베어링이다.
일반적인 에어 포일 저널베어링은 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 일측 단부가 반경방향 외측으로 절곡된 형태의 절곡부가 형성되고 절곡부(2a, 3a)는 베어링 하우징(1)에 형성된 홈(1c)에 삽입되어 고정된다. 그리하여 로터가 정지된 상태에서는 로터가 자중에 의해 탑 포일의 내주면 하측에 접촉되어 지지되어 있다가, 로터가 회전되면서 기동될 때 로터의 하측과 탑 포일 사이에서 공기의 압력이 증가하면서 로터가 탑 포일의 내주면 하측으로부터 부상하여 회전하게 된다.
그런데 일반적인 에어 포일 저널베어링의 탑 포일은 일측 단부가 베어링 하우징에 고정되어 있으며 타측 단부는 자유단으로 형성되어 자유단이 일측과 이격되어있다.
이에 따라 로터가 고속으로 회전되면 로터를 따라 유동되는 공기의 압력이 탑 포일의 자유단과 일측 사이를 통해 유실되어 동적으로 불안정해지고 강성 및 감쇠 성능이 저하되는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
JP 2011-169413 A (2011.09.01.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탑 포일의 내측 배치된 로터의 회전 시 로터를 따라 유동되는 공기의 압력이 탑 포일의 자유단 부근에서 유실되는 것을 방지할 수 있으며, 탑 포일의 내측에서 회전되는 로터와 탑 포일 간의 간극을 감소시킬 수 있는 에어 포일 저널베어링을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에어 포일 저널베어링은, 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 상기 베어링 하우징에 결합된 범프 포일; 및 상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 원주방향 일측 단부가 상기 베어링 하우징에 결합되어 고정되며 타측 단부는 자유단으로 형성된 탑 포일; 을 포함하고, 상기 탑 포일의 자유단인 타측 단부는 베어링 하우징에 고정된 일측 단부를 기준으로 탑 포일이 연장 형성되는 방향으로 일측 단부를 초과하게 형성되어, 원주방향으로 상기 탑 포일의 타측 단부가 일측과 중첩되게 배치될 수 있다.
또한, 상기 탑 포일은, 외측 탑 포일 및 상기 외측 탑 포일의 내측에 배치된 내측 탑 포일을 포함하여 2겹 이상으로 형성되며, 상기 외측 탑 포일 및 내측 탑 포일은 각각 타측 단부가 상기 내측 탑 포일의 일측과 중첩되게 배치될 수 있다.
또한, 상기 외측 탑 포일 및 내측 탑 포일은 고정된 베어링 하우징에 고정된 일측 단부를 기준으로 연장 형성된 방향이 서로 동일할 수 있다.
또한, 상기 내측 탑 포일의 타측 단부가 상기 내측 탑 포일의 일측과 중첩되는 내측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θi)가 상기 외측 탑 포일의 타측 단부가 상기 내측 탑 포일의 일측과 중첩되는 외측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θo)보다 더 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 내측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θi)는 12도 내지 15도이며, 상기 외측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θo)는 5도 내지 7도일 수 있다.
또한, 상기 외측 탑 포일의 자유단 및 내측 탑 포일의 자유단은 상기 내측 탑 포일의 일측 내주면에 접촉되어 받쳐질 수 있다.
또한, 상기 탑 포일의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징의 하부 측에 배치될 수 있다.
또한, 상기 탑 포일의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징의 상부 측에 배치될 수 있다.
또한, 상기 탑 포일은 고정된 일측 단부를 기준으로 원주방향을 따라 360도를 초과하게 연장 형성될 수 있다.
또한, 상기 범프 포일 및 탑 포일은 원주방향을 따라 둘 이상으로 분할된 형태로 형성되고, 분할된 범프 포일 및 탑 포일은 각각 범위가 360도 미만으로 형성되며, 분할된 범프 포일들 및 탑 포일들 각각의 일측 단부가 베어링 하우징에 고정되고 타측 단부는 자유단으로 형성되어, 하나의 탑 포일의 타측 단부가 이웃하는 다른 하나의 탑 포일의 일측과 중첩되게 배치될 수 있다.
또한, 상기 분할된 탑 포일들 중 하나의 탑 포일의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징의 상부 측에 배치되고 다른 하나의 탑 포일의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징의 하부 측에 배치될 수 있다.
본 발명은 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성된 에어 포일 저널베어링에서, 탑 포일의 내측 배치된 로터의 회전 시 로터를 따라 유동되는 공기의 압력이 탑 포일의 자유단 부근에서 유실되는 것이 방지되어 에어 포일 저널베어링의 동적 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 탑 포일의 내측에서 회전되는 로터와 탑 포일 간의 간극이 감소되어 에어 포일 저널베어링의 유체 동압에 의한 강성 및 감쇠 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 탑 포일의 원주방향 길이 변경을 통해 베어링 하우징의 가공 없이 로터와 탑 포일 간의 간극을 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 에어 포일 저널베어링을 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널베어링을 나타낸 단면도 및 부분 확대도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널베어링에서 상대적으로 탑 포일들의 길이를 짧게 형성한 것과 상대적으로 탑 포일들의 길이를 길게 형성한 것을 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널베어링에서 내부 간극의 감소량(rp 값) 별로 로터의 회전수에 따른 X축 방향 강성 및 Y축 방향 강성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 저널베어링을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 저널베어링을 나타낸 단면도이다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 에어 포일 저널베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
<실시예 1>
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널베어링을 나타낸 단면도 및 부분 확대도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널베어링은 크게 베어링 하우징(100), 범프 포일(200) 및 탑 포일로 구성될 수 있다.
베어링 하우징(100)은 내측에 축방향으로 관통하도록 양면이 관통된 중공(110)이 형성되며, 중공(110)과 연통되도록 베어링 하우징(100)의 하부측 내주면에서 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 절곡부가 형성되어, 절곡부가 키홈(120)에 삽입되어 결합될 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(210)들이 원주방향을 따라 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 범프 포일(200)은 도시된 바와 같이 두 겹 또는 그 이상으로 형성될 수 있다. 또한, 범프 포일(200)은 베어링 하우징(100)에 고정된 일측 단부로부터 반시계방향으로 연장 형성될 수 있다. 이외에도 범프 포일(200)은 다양하게 형성될 수 있다.
탑 포일은 범프 포일(200)의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성될 수 있다. 그리고 탑 포일은 한 장 또는 두 장 이상으로 형성될 수 있으며, 이하에서는 탑 포일이 2장으로 형성된 실시예에 대해 설명하기로 한다. 탑 포일은 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)을 포함하여 구성될 수 있다. 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)은 각각 원주방향 일측 단부가 반경방향 바깥쪽으로 절곡된 절곡부(310a, 310b)가 형성되며, 절곡부(310a, 310b)가 키홈(120)에 삽입되어 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)이 고정될 수 있다. 일례로 내측 탑 포일(300b)의 절곡부(310b)에는 탑 포일 키(400)가 결합되어, 내측 탑 포일(300b)의 절곡부(310b) 및 탑 포일 키(400)가 베어링 하우징(100)의 키홈(120)에 삽입되어 고정될 수 있다. 그리고 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)은 각각 절곡부(310a, 310b)의 상단에서 반시계방향으로 연결부(320a, 320b)가 연장 형성되며, 연결부(320a, 320b)의 끝단인 우측단에서 반시계방향으로 곡면부(330a, 330b)가 연장 형성될 수 있다. 즉, 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)은 고정된 일측 단부를 기준으로 연장 형성된 방향이 서로 동일할 수 있다. 이때, 연결부(320a, 320b)는 시계방향으로 갈수록 점점 곡면부(330a, 330b)의 내주면이 이루는 연장선에서 반경방향 바깥쪽으로 멀어지는 형태로 형성될 수 있다. 그리고 일례로 곡면부(330a, 330b)는 내주면이 원호 형태로 형성될 수 있다. 또한, 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 원주방향 타측 단부는 자유단으로 형성되어, 곡면부(330a, 330b)의 끝부분이 자유단으로 형성될 수 있다. 그리하여 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)은 각각 절곡부(310a, 310b)를 기준으로 원주방향을 따라 360도를 초과하게 반시계방향으로 연장 형성되어 360도를 초과한 부분인 타측 단부가 원주방향으로 내측 탑 포일(300b)의 절곡부(310b) 및 연결부(320b)와 중첩되게 배치될 수 있다. 즉, 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)은 일측 단부와 타측 단부가 특정한 각도 범위만큼 원주방향으로 서로 겹쳐지는 영역이 존재하며, 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 타측 단부는 각각 내측 탑 포일(300b)의 일측 단부의 반경방향 안쪽에 배치될 수 있다. 이때, 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 자유단인 타측 단부는 내측 탑 포일(300b)의 곡면부(330b)의 내주면이 이루는 연장선보다 반경방향 바깥쪽에 배치될 수 있다. 또한, 외측 탑 포일(301) 및 내측 탑 포일(300b)의 타측 단부는 외력이 작용하지 않는 상태에서 반경방향 바깥쪽이 연결부(320b)에 접촉되어 받쳐질 수 있다. 즉, 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)을 평평한 형태로 제조하거나 범프 포일(200)의 내경보다 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 외경을 크게 제조한 후, 이를 말아서 범프 포일(200)의 안쪽에 삽입하여 조립했을 때, 탄성에 의해 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)이 펴지면서 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 자유단이 각각 내측 탑 포일(300b)의 연결부(320b)에 접촉되어 받쳐질 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 자유단 끝부분만 연결부(320b)에 접촉될 수 있다. 또는, 자유단 부분의 일부 영역이 연결부(320b)에 면접촉되어 받쳐질 수도 있다. 또는 도시하지는 않았으나 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 타측 단부는 외력이 작용하지 않는 자유상태에서 연결부(320b)와 약간 이격된 상태로 배치될 수도 있으며, 이때에는 로터(500)의 회전 시 공기의 압력에 의해 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 자유단 부분이 반경방향 바깥쪽으로 휘어져서 자유단 끝부분이 연결부(320b)와 접촉된 상태로 받쳐질 수 있다.
또한, 내측 탑 포일(300b)의 내측에는 로터(500)가 삽입되어 이격 배치될 수 있으며, 내측 탑 포일(300b)의 내주면에는 로터(500)의 회전 시 접촉에 의한 마찰을 줄일 수 있도록 테프론 등으로 코팅막이 형성될 수 있다. 그리하여 로터(500)가 내측 탑 포일(300b)의 내측에서 시계방향으로 고속으로 회전될 때 유동되는 공기의 압력에 의해 로터(500)가 내측 탑 포일(300b)에서 이격된 상태가 되도록 부상되어 로터(500)가 원활하게 회전될 수 있다. 즉, 로터(500)의 회전방향은 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)이 베어링 하우징(100)에 결합되어 고정된 절곡부(310a, 310b)를 기준으로 연장 형성되는 방향과 반대방향이 되도록 구성될 수 있다.
이에 따라 본 발명은 로터의 고속 회전에 의해 유동되는 공기가 탑 포일의 자유단 부근을 통과할 때, 탑 포일의 내측 배치된 로터의 회전 시 로터를 따라 유동되는 공기의 압력이 탑 포일의 자유단 부근에서 유실되는 것이 방지되어 에어 포일 저널베어링의 동적 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 탑 포일의 내측에서 회전되는 로터와 탑 포일 간의 간극이 감소되어 에어 포일 저널베어링의 유체 동압에 의한 강성 및 감쇠 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 내측 탑 포일(300b)의 타측 단부가 내측 탑 포일(300b)의 일측과 중첩되는 내측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θi)는 외측 탑 포일(300a)의 타측 단부가 내측 탑 포일(300b)의 일측과 중첩되는 외측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θo)보다 더 크게 형성될 수 있다. 그리하여 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 자유단 부근을 지나는 공기에 대한 유동 방해가 최소화 될 수 있다.
또한, 내측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θi)는 12도 내지 15도이며, 외측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θo)는 5도 내지 7도인 것이 바람직하다. 여기에서 내측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θi)가 20도 이상이 되면 구동토크가 상승되어 성능에 불리하다. 그리고 외측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θo)가 5도 미만에서 0도 사이에 위치하면 범프 포일의 움직임에 의해 외측 탑 포일(300a)이 펴지면서 자유단이 반경방향 바깥쪽으로 밀려나가서 중첩되지 않고 내측 탑 포일(300b)의 절곡부(310b)의 측면쪽에 걸리는 이상 결속이 발생할 수 있다.
또한, 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징(100)의 하부 측에 배치될 수 있다. 그리하여 로터(500) 회전 시 하중이 걸리는 부분의 공기 압력장 중 최대압력을 형성하는 각도인 200도 부근에서 공기 압력이 유실되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 로터의 최대속도에서 자려진동을 방지할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널베어링에서 상대적으로 탑 포일들의 길이를 짧게 형성한 것과 상대적으로 탑 포일들의 길이를 길게 형성한 것을 나타낸 단면도이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널베어링에서 내부 간극의 감소량(rp 값) 별로 로터의 회전수에 따른 X축 방향 강성 및 Y축 방향 강성을 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 에어 포일 저널베어링은 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 길이에 따라 내부 간극을 조절할 수 있다. 즉, 도 4a와 같이 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 길이를 상대적으로 짧게 형성한 것에 비해 도 4b와 같이 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 길이를 상대적으로 길게 형성한 것이 로터(500)와 내측 탑 포일(300b) 사이의 거리인 내부 간극을 작게 할 수 있다. 실험결과 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 길이 증대에 따른 내부 간극의 감소 효과가 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있었으며, 내부 간극의 감소는 곧 에어 포일 저널베어링의 강성 및 감쇠 성능의 증대를 나타낸다. 그리고 도 5a 및 도 5b의 그래프에서 rp 값은 내부 간극이 줄어든 값을 나타내는 수치이며, 로터의 회전수 증가에 따라 내부 간극에 따른 X축방향 강성(KXX) 및 Y축 방향 강성(KYY)의 증대 효과가 큰 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 저널베어링을 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 저널베어링은, 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 고정된 일측 단부가 베어링 하우징(100)의 상부 측에 배치될 수 있다. 그리하여 로터(500) 회전 시 공기의 압력장 중 음압이 형성되는 각도 20도 부근에서 공기의 압력이 불안정해지는 것을 방지할 수 있어 동적 안정성이 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 저널베어링을 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 저널베어링은, 범프 포일(200), 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)이 원주방향을 따라 둘 이상으로 분할된 형태로 형성될 수 있다. 그리고 분할된 범프 포일(200)들, 외측 탑 포일(300a)들 및 내측 탑 포일(300b)들은 각각 형성 각도 범위가 360도 미만이 될 수 있으며, 분할된 범프 포일(200)들, 외측 탑 포일(300a)들 및 내측 탑 포일(300b)들은 각각 일측 단부가 베어링 하우징에 고정되고 타측 단부는 자유단으로 형성될 수 있다. 그리하여 서로 대응되는 각도 범위에 배치된 하나의 범프 포일(200), 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b) 끼리 각각의 조를 이루고, 여기에서 한 조를 이루는 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)은 각각 타측 단부가 이웃하는 다른 한 조의 내측 탑 포일(300b)의 일측과 중첩되게 배치될 수 있다.
이때, 한 조를 이루는 범프 포일(200), 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징(100)의 상부 측에 배치되고, 다른 한 조를 이루는 범프 포일(200), 외측 탑 포일(300a) 및 내측 탑 포일(300b)의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징(100)의 상부 측에 배치될 수 있다. 그리하여 본 발명의 제3실시예는 제1실시예 및 제2실시예의 효과를 모두 가질 수 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, 210 : 탄성 범프
300a : 외측 탑 포일, 300b : 내측 탑 포일
310a, 310b : 절곡부, 320a, 320b : 연결부
330a, 330b : 곡면부
400 : 탑 포일 키, 500 : 로터

Claims (11)

  1. 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 상기 베어링 하우징에 결합된 범프 포일; 및
    상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 원주방향 일측 단부가 상기 베어링 하우징에 결합되어 고정되며 타측 단부는 자유단으로 형성된 탑 포일; 을 포함하고,
    상기 탑 포일의 자유단인 타측 단부는 베어링 하우징에 고정된 일측 단부를 기준으로 탑 포일이 연장 형성되는 방향으로 일측 단부를 초과하게 형성되어, 원주방향으로 상기 탑 포일의 타측 단부가 일측과 중첩되게 배치된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탑 포일은,
    외측 탑 포일 및 상기 외측 탑 포일의 내측에 배치된 내측 탑 포일을 포함하여 2겹 이상으로 형성되며, 상기 외측 탑 포일 및 내측 탑 포일은 각각 타측 단부가 상기 내측 탑 포일의 일측과 중첩되게 배치된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 외측 탑 포일 및 내측 탑 포일은 고정된 베어링 하우징에 고정된 일측 단부를 기준으로 연장 형성된 방향이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 내측 탑 포일의 타측 단부가 상기 내측 탑 포일의 일측과 중첩되는 내측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θi)가 상기 외측 탑 포일의 타측 단부가 상기 내측 탑 포일의 일측과 중첩되는 외측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θo)보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θi)는 12도 내지 15도이며, 상기 외측 탑 포일의 중첩 각도 범위(θo)는 5도 내지 7도인 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 외측 탑 포일의 자유단 및 내측 탑 포일의 자유단은 상기 내측 탑 포일의 일측 내주면에 접촉되어 받쳐진 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탑 포일의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징의 하부 측에 배치된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탑 포일의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징의 상부 측에 배치된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탑 포일은 고정된 일측 단부를 기준으로 원주방향을 따라 360도를 초과하게 연장 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 범프 포일 및 탑 포일은 원주방향을 따라 둘 이상으로 분할된 형태로 형성되고, 분할된 범프 포일 및 탑 포일은 각각 범위가 360도 미만으로 형성되며, 분할된 범프 포일들 및 탑 포일들 각각의 일측 단부가 베어링 하우징에 고정되고 타측 단부는 자유단으로 형성되어, 하나의 탑 포일의 타측 단부가 이웃하는 다른 하나의 탑 포일의 일측과 중첩되게 배치된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분할된 탑 포일들 중 하나의 탑 포일의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징의 상부 측에 배치되고 다른 하나의 탑 포일의 고정된 일측 단부는 베어링 하우징의 하부 측에 배치된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널베어링.
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