KR100723040B1 - 고속 회전체용 베어링 조립체 - Google Patents

Abstract

고속 회전체의 회전 속도에 따라 서로 다른 특성의 베어링이 선택적으로 부하를 받도록 구성한 고속 회전체용 베어링 조립체를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 베어링 조립체는 볼과 상기 볼을 둘러싸는 내륜 및 외륜을 포함하며, 고속 회전체의 저속 운전시에 부하를 지지하는 볼 베어링; 및 서로 대향하도록 배치되는 경사면을 각각 구비하는 내측 블록과 외측 블록을 포함하며, 고속 회전체의 고속 운전시에 부하를 지지하는 코니컬 베어링;을 포함한다. 상기 볼 베어링과 코니컬 베어링의 부하 지지 작용은 고속 회전체의 회전 속도에 따라 자동으로 변경되는데, 상기 코니컬 베어링은 고속 회전체의 회전 속도 증가로 인해 내측 블록과 외측 블록 사이의 윤활 유체막 두께가 증가하여 양 블록 사이의 갭이 설정값을 초과할 때부터 부하를 지지한다.

코니칼, 베어링, 볼, 미끄럼, 쐐기 효과, 유막, 유격, 저어널, 스러스트,

Description

고속 회전체용 베어링 조립체{BEARING ASSEMBLY FOR HIGH SPEED ROTARY BODY}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 베어링 조립체의 분해 상태 단면도를 도시한 것이다.

도 2a는 도 1의 외측 블록을 우측에서 바라본 우측면도를 도시한 것이며, 도 2b는 도 1의 내측 블록과 외측 블록을 조립한 상태에서의 "Ⅱ-Ⅱ" 단면도를 도시한 것이다.

도 3은 도 1의 베어링 조립체가 고속 회전체에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 것이다.

도 4a 내지 도 4c는 부하 변환 작용을 설명하기 위한 작동 상태도를 개략적으로 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 베어링 조립체의 코니컬 베어링에 있어서 외측 블록의 우측면도를 도시한 것이다.

도 6a은 본 발명의 제3 실시예에 따른 베어링 조립체를 고속 회전체에 설치한 상태를 개략적으로 도시한 것이고, 도 6b는 도 6a의 "Ⅵ-Ⅵ" 단면도를 도시한 것이다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 베어링 조립체를 고속 회전체에 설치한 상태를 도시한 것이다.

본 발명은 축방향 및 반경방향의 부하를 받는 고속 회전체용 베어링 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전체의 회전 속도에 따라 서로 다른 특성의 베어링이 선택적으로 부하를 받도록 구성한 고속 회전체용 베어링 조립체에 관한 것이다.

고속 회전체, 예컨대 터보 압축기(turbo compressor), 개스 터빈(gas turbine), 터보 차저(turbo charger) 등의 고속 회전체는 구동 방식에 따라, 고속 모터 및 터빈에 직결되는 직접 구동 방식과, 일반 모터 등에 기어 증속기를 이용하여 회전 속도를 증가시키는 간접 구동 방식으로 나뉘어진다.

이러한 고속 회전체의 회전시에는 구동 방식에 관계 없이 임펠러 입구와 출구에 작용하는 압력차 등에 의해 축방향으로 작용하는 축방향 부하와, 회전체에 작용하는 중력으로 인한 부하가 작용하며, 특히 간접 구동 방식의 고속 회전체에서는 상기 부하들 외에도 헬리컬 기어 등의 기어 증속기를 이용한 회전력 전달에 따른 복합 부하(반경방향 부하와 축방향 부하가 복합된 부하를 말한다)가 작용한다.

따라서, 상기 고속 회전체에는 상기 부하들을 지지하기 위한 베어링이 필수적으로 설치된다.

상기 베어링은 운동 형식에 따라 미끄럼 베어링과 구름 베어링으로 구분할 수 있는데, 구름 베어링은 내륜과 외륜 사이에 있는 전동체, 예컨대 볼을 통하여 내륜(혹은 외륜)에 하중을 전달하는 방식으로 작동되며, 미끄럼 베어링은 베어링과 저어널의 접촉면 사이에 압축 공기가 차 있거나, 기름, 그리이스 등의 오일이 충전되어 구성된다.

이에, 종래에는 레이디얼 미끄럼 베어링과 스러스트 미끄럼 베어링을 사용하거나, 구름 베어링을 사용하여 고속 회전체를 지지하고 있다.

그런데, 상기 구름 베어링, 예컨대 볼 베어링은 점접촉으로 인한 기동 마찰 부하와 운전 마찰 부하가 낮고, 반경방향 하중과 축방향 하중을 함께 지지할 수 있는 등의 장점이 있는 반면에 높은 부하(하중)에는 내구성이 약하다는 단점이 있다.

그리고, 상기 미끄럼 베어링은 면 접촉으로 높은 부하를 견딜 수 있다는 장점이 있지만, 기동 마찰 부하가 높고, 기동 운전시 및 정지 운전시 유막이 충분히 형성되지 않아 마모가 발생되며, 회전시의 언밸런스(unbalance) 등으로 인한 진동이 발생할 경우 유막의 파괴 및 금속 대 금속의 접촉으로 마모가 발생하여 내구성을 감소시키는 단점이 있다.

또한, 종래의 베어링은 회전체의 회전 속도 증가에 의해 축방향 부하가 증가함에 따라 스러스트 베어링의 윤활 유체막 압력도 증가되어 축방향 부하에 반발력으로 작용하므로, 축방향으로 반대되는 두 힘의 충돌에 의해 저어널 베어링에 걸리는 반경방향 진동이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 이로 인하여 회전 중심축에 대해 수직이어야 하는 스러스트 베어링의 직각도가 뒤틀리므로, 스러스트 베어링에 마모나 손상이 발생하는 문제점도 있다.

이에, 본 발명은 고속 회전체의 운전 영역에 따라 서로 다른 특성의 베어링이 선택적으로 부하를 받도록 구성함으로써 내구성을 향상시킨 고속 회전체용 베어링 조립체를 제공함을 목적으로 한다.

상기한 본 발명의 목적은,

고속 회전체를 지지하기 위한 베어링 조립체에 있어서,

볼과 상기 볼을 둘러싸는 내륜 및 외륜을 포함하며, 고속 회전체의 저속 운전시에 부하를 지지하는 볼 베어링; 및

서로 대향하도록 배치되는 경사면을 각각 구비하는 내측 블록과 외측 블록을 포함하며, 고속 회전체의 고속 운전시에 부하를 지지하는 코니컬 베어링;

을 포함하는 고속 회전체용 베어링 조립체에 의해 달성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 베어링 조립체를 구성하는 상기 볼 베어링과 코니컬 베어링은 고속 회전체의 운전 영역(회전 속도)에 따라 부하 지지 작용이 자동으로 변경되도록 구성된다.

예컨대, 고속 회전체의 기동 운전 및 정지 운전을 포함하는 저속 운전시에는 볼 베어링이 부하를 지지함으로써 코니컬 베어링이 무부하 상태로 운전된다.

그리고, 상기 볼 베어링은 고속 운전중에 비정상적인 반경방향 및 축방향 부하와 진동이 발생할 때, 안전 가이드로 작용한다.

보다 구체적으로, 상기 볼 베어링은 고속 운전중에 써징 등으로 인해 코니컬 베어링의 경사면 반대 방향으로 부하가 발생하여 축방향 부하가 비정상으로 되는 경우 회전축이 이탈하지 못하도록 방지하는 작용을 하며, 또한, 비정상적인 진동 등으로 코니컬 베어링의 윤활 유체막이 파괴될 경우 코니컬 베어링의 윤활 유체막이 다시 형성될 때까지 일시적으로 반경방향 부하를 담당하는 안전 가이드로 작용한다.

그리고, 코니컬 베어링은 고속 회전체의 회전 속도가 증가함에 따라 반경방향 부하를 받는 쪽의 내측 블록과 외측 블록 사이에서 윤활 유체막 두께 증가로 인해 갭이 증가하여 상기 갭이 설정값을 초과할 때부터 반경방향 부하 및 축방향 부하를 지지하며, 이때, 볼 베어링은 무부하 상태로 운전된다.

여기에서, 상기 설정값은 코니컬 베어링의 설정 갭과 볼 베어링의 설정 갭의 차로 결정된다.

따라서, 저속 운전시에는 코니컬 베어링에 비해 기동 및 정지 운전시의 손상과 기동 마찰 부하가 낮은 볼 베어링의 장점을 이용할 수 있고, 고속 운전시에는 볼 베어링에 비해 높은 부하를 지지할 수 있는 코니컬 베어링의 장점을 이용할 수 있다.

상기 고속 회전체에는 볼 베어링의 내륜과 코니컬 베어링의 내측 블록이 고정되어 상기 고속 회전체와 일체로 회전될 수 있다.

이 경우, 코니컬 베어링의 외측 블록 경사면에 구배 구간을 형성하고, 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀을 상기 외측 블록에 형성할 수 있다.

다른 예로, 코니컬 베어링의 내측 블록 경사면에 구배 구간을 형성하고, 상 기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀을 상기 내측 블록에 형성할 수 있다.

또다른 예로, 코니컬 베어링의 외측 블록 경사면에 구배 구간 및 비구배 구간을 형성하되, 상기 구배 구간은 반경방향 부하를 받는 쪽에 형성하고, 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀을 상기 외측 블록에 형성하는 것도 가능하다.

한편, 고속 회전체에는 상기 볼 베어링의 외륜과 코니컬 베어링의 외측 블록이 고정되어 상기 고속 회전체와 일체로 회전될 수 있다.

이 경우, 코니컬 베어링의 내측 블록 경사면에 구배 구간을 형성하고, 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀을 상기 내측 블록에 형성할 수 있다.

다른 예로, 코니컬 베어링의 내측 블록 경사면에 구배 구간 및 비구배 구간을 형성하되, 상기 구배 구간은 반경방향 부하를 받는 쪽에 형성하고, 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀을 상기 내측 블록에 형성할 수도 있다.

그리고, 상기 고속 회전체는 제1 베어링 조립체와 제2 베어링 조립체에 의해 지지할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 베어링 조립체는 하우징에 고정하고, 제2 베어링 조립체는 축방향 이동이 가능하도록 연결부재에 의해 상기 제1 베어링 조립체에 고정할 수 있다. 이때, 상기 연결부재는 고속 회전체의 축과 동일한 열팽창계수를 갖는 재질로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 제1 베어링 조립체의 코니컬 베어링과 제2 베어링 조립체의 코니컬 베어링은 각각의 경사면이 동일한 방향 또는 반대방향으로 배치되도록 설치할 수 있으며, 상기 경사면의 길이 및 경사 각도는 반경방향 부하 및 축방향 부하에 따라 적절히 조절할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 베어링 조립체의 분해 상태 단면도를 도시한 것이고, 도 2a는 도 1의 외측 블록을 우측에서 바라본 우측면도를 도시한 것이며, 도 2b는 도 1의 내측 블록과 외측 블록을 조립한 상태에서의 "Ⅱ-Ⅱ" 단면도를 도시한 것이다.

그리고, 도 3은 도 1의 베어링 조립체가 고속 회전체에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 것이며, 도 4a 내지 도 4c는 부하 변환 작용을 설명하기 위한 작동 상태도를 도시한 것이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 베어링 조립체(100)는 볼 베어링(200)과 코니컬 베어링(300)을 포함한다.

상기 코니컬 베어링(300)은 고속 회전체(400)의 고속 운전시에 부하를 지지하는 것으로, 서로 대향하도록 배치되는 경사면(311,331)을 각각 구비하는 내측 블록(310)과 외측 블록(330)을 포함한다.

여기에서, 상기 경사면(311,331)의 길이 및 경사 각도는 반경방향 부하 및 축방향 부하의 크기에 따라 적절히 조절할 수 있다.

그리고, 볼 베어링(200)은 고속 회전체(400)의 저속 운전시에 부하를 지지하는 것으로, 볼(210)과 상기 볼을 둘러싸는 내륜(230) 및 외륜(250)을 포함한다. 여기에서, 저속 운전은 기동 운전 및 정지 운전을 포함한다. 이러한 구성의 볼 베어링(200)은 내측 블록(310)과 인접하여 외측 블록(330)의 내측에 조립된다.

또한, 상기 볼 베어링(200)은 코니컬 베어링(300)이 부하를 담당하는 고속 운전시에 반경방향 및 축방향 부하가 비정상적으로 발생하거나, 진동이 발생하는 경우 안전 가이드로서 작용한다.

이에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 써징(surging: 펌프나 송풍기에 어떤 관로를 연결하여 운전할 때, 임의의 운전 상태에서 압력, 유량, 회전수, 소요 동력 등이 주기적으로 변동해서 자려진동(自勵振動)을 일으키는 현상)등으로 인해 코니컬 베어링의 경사면 반대 방향으로 부하가 발생하여 상기 고속 운전시에 축방향 부하가 비정상적으로 발생되는 경우 상기 볼 베어링은 고속 회전체의 축이 이탈하지 못하도록 방지하는 작용을 하는 한편, 비정상적인 진동 등으로 인해 코니컬 베어링의 윤활 유체막이 파괴될 경우 코니컬 베어링의 윤활 유체막이 다시 형성될 때까지 반경방향 부하를 일시적으로 담당하는 작용을 한다.

상기 외측 블록(330)의 경사면(331)에는 테이퍼 형상의 구배 구간들(333)이 형성된다. 상기 구배 구간들(333)은 고속 회전체(400)의 회전시에 쐐기 효과에 의해 윤활 유체막에 압력을 발생시켜 윤활 유체막의 유압(유체압)을 상승시킴과 아울러, 유체막 두께를 증가시키기 위한 구간으로 작용한다.

그리고, 상기 외측 블록(330)에는 구배 구간들(333)에 윤활 유체, 예컨대 오일을 공급하기 위한 윤활 유체홀(335)들이 구비된다. 물론, 상기 윤활 유체로는 공기도 사용이 가능하다.

이러한 구성의 베어링 조립체(100)는 고속 회전체(400)의 운전 영역(회전 속도)에 따라 부하 지지 작용이 자동으로 변경되는 것을 특징으로 한다.

이를 위해, 상기 코니컬 베어링(300) 자체의 설정 갭(Gc)은 볼 베어링(200) 자체의 설정 갭(2Gb)보다 크게 형성된다.

여기에서, 코니컬 베어링(300)의 설정 갭(Gc)은 볼 베어링(200)이 외측 블록(330)에 결합된 상태에서 상기 볼 베어링(200)의 볼(210)이 내륜(230)과 외륜(250)의 축방향 중심(X)에 위치하는 경우 반경방향으로 어느 한 방향의 내측 블록(310)과 외측 블록(330) 사이에 발생하는 갭을 말하고, 볼 베어링(200)의 설정 갭(2Gb)은 상기 볼(210)이 내륜(230)과 외륜(250)의 축방향 중심에 위치하는 상태에서 반경방향으로 어느 한 방향의 외륜(250)의 내경과 내륜(230)의 외경의 차에서 볼(210)의 직경을 제한 값을 말한다.

예컨대, 도 4a에 도시한 바와 같이, 상기 코니컬 베어링(300)의 설정 갭(Gc)은 0.15㎜로 형성할 수 있고, 볼 베어링(200)의 설정 갭(2Gb)은 0.10㎜로 형성할 수 있다.

이와 같이 코니컬 베어링(300)의 설정 갭(Gc)을 볼 베어링(200)의 설정 갭(2Gb)보다 크게 형성하는 이유는 고속 회전체(400)의 회전 속도에 따라 볼 베어링(200)과 코니컬 베어링(300) 간의 부하 지지 작용이 자동으로 변환되도록 하기 위한 것이다.

볼 베어링(200)의 설정 갭(2Gb)과 코니컬 베어링(300)의 설정 갭(Gc)을 상기의 값으로 형성하면, 코니컬 베어링(300)은 고속 회전체(400)의 회전 속도가 증가함에 따라 반경방향 부하를 받는 쪽의 내측 블록(310)과 외측 블록(330) 사이에서 쐐기 효과에 의해 윤활 유체막 두께가 증가하게 되고, 이로 인해 내측 블록(310)과 외측 블록(330)의 갭이 증가되어 설정값(G1)을 초과할 때부터 부하를 지지하게 된다.

여기에서, 상기 설정값(G1)은 코니컬 베어링(300)의 설정 갭(Gc)과 볼 베어링(200)의 설정 갭(2Gb)의 차, 즉 0.05㎜로 설정된다(G1=Gc-2Gb=0.05㎜).

따라서, 윤활 유체막의 두께 증가로 인해 코니컬 베어링의 갭이 0.05㎜를 초과하게 되면, 이때부터는 코니컬 베어링(300)에 의해 부하가 지지되며, 볼 베어링(200)은 무부하 상태로 운전된다. 이에 대해서는 첨부도면 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

한편, 상기에서는 볼 베어링(200)의 설정 갭(2Gb)과 코니컬 베어링(300)의 설정 갭(Gc)을 0.10㎜와 0.15㎜로 각각 설정하였지만, 상기 설정 갭의 크기는 본 발명의 이해를 돕기 위해 명시한 수치로, 사용하는 윤활 유체에 따라 다양한 값으로 설정이 가능하다. 물론, 상기 갭의 값이 변경되는 경우에는 설정값(G1) 또한 변경되는 것이 당연하다.

상기한 구성의 베어링 조립체(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 고속 회전체(400)에 설치될 수 있다.

상기한 고속 회전체(400)는 베어링 조립체(100)가 설치되는 축(410)과, 축(410) 단부의 임펠러(430)를 포함한다. 여기에서, 상기 고속 회전체(400)는 직접 구동 방식에 의해 구동되는 고속 회전체로 가정하고, 상기 축(410)은 모터 직결식 회전축이라고 가정한다.

베어링 조립체는 볼 베어링(200)의 내륜(230)과 코니컬 베어링(300)의 내측 블록(310)이 축(410)에 결합된다. 그리고, 상기 축(410)에는 한쌍의 베어링 조립체가 설정 거리만큼 이격된 상태로 설치된다.

도 3에 있어서, 좌측에 설치된 베어링 조립체를 제1 베어링 조립체(100)라 하고, 우측에 설치된 베어링 조립체를 제2 베어링 조립체(100')라 한다.

제1 베어링 조립체(100)에 구비된 코니컬 베어링(300)의 외측 블록(330)과 제2 베어링 조립체(100')에 구비된 코니컬 베어링(300')의 외측 블록(330')은 연결봉(130)에 의해 고정된다.

이때, 상기 연결봉(130)은 축(410)과 동일한 열팽창계수를 갖는 재질, 예컨대 축(410)과 동일한 재질로 형성한다.

그리고, 상기 제1 베어링 조립체(100)의 외측 블록(330)은 하우징(110)에 고정되는 반면에 제2 베어링 조립체(100')의 외측 블록(330')은 하우징(110)에 고정되지 않는다.

한편, 상기 하우징(110)에는 윤활 유체홀(335)과 연통하는 유체 공급홀(115)이 형성된다.

상기 도 3에서, 미설명 도면부호 450은 시일 조립체를 나타내고, 도면부호 470은 캡 볼트를 나타내며, 도면부호 490과 495는 와셔 및 잠금볼트를 나타낸다.

제1 및 제2 베어링 조립체(100,100')를 상기와 같이 설치하면, 고속 회전체(400)의 회전 작동시에 발생하는 열로 인해 축(410)과 하우징(110)이 서로 다른 열팽창계수에 따라 열적 팽창을 하게 되더라도 제1 및 제2 베어링 조립체(100,100')가 상기 축(410)과 동일한 열팽창계수의 연결봉(130)에 의해 연결되어 있으므로, 하우징에 고정되지 않은 상태로 조립되어 있는 제2 베어링 조립체(100')가 축의 열팽창 및 수축에 따라 슬라이딩 되어 양 베어링 조립체(100,100')의 간격을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부도면 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 부하 지지 작용이 자동으로 변환되는 원리를 설명한다.

도 4a는 베어링 조립체를 고속 회전체의 축에 설치하기 이전 상태를 나타내는 도면이고, 도 4b는 베어링 조립체를 고속 회전체의 축에 설치한 후 축의 정지 상태를 나타내는 도면이며, 도 4c는 베어링 조립체를 고속 회전체의 축에 설치한 후 축이 고속 회전되는 상태를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 4a를 참조하면, 위에서 언급한 바와 같이, 볼 베어링(200)은 0.10㎜의 설정 갭(2Gb)을 유지하며, 코니컬 베어링(300)은 0.15㎜의 설정 갭(Gc)을 유지한다.

이 상태에서 상기한 베어링 조립체(100)를 고속 회전체(400)의 축(410)에 조립하면, 도 4b에 도시한 바와 같이 축(410)의 하중으로 인한 반경방향 부하에 의해 볼 베어링(200)의 갭과 코니컬 베어링(300)의 갭이 변화된다.

이하에서는 설명의 편의를 위해, 상기 축(410)을 중심으로 상부쪽에 형성된 갭을 상부 갭이라 하고, 하부쪽에 형성된 갭을 하부 갭이라고 한다.

상기와 같이 베어링 조립체(100)를 축(410)에 조립하면, 볼 베어링(200)의 하부 갭(2Gb')은 0(zero)이 되고, 볼 베어링(200)의 상부 갭(2Gb")은 0.20㎜가 된다. 그리고, 코니컬 베어링(300)의 하부 갭(Gc')은 상기 설정값(G1)과 동일한 0.05㎜가 되고, 코니컬 베어링(300)의 상부 갭(Gc")은 0.25㎜가 된다.

이 상태에서 축(410)이 회전되기 시작하는 기동 운전시에는 축 회전에 따른 반경방향 부하가 상기 볼 베어링(200)에 의해 지지되는데, 이는 볼 베어링(200)의 하부 갭(2Gb')이 0(zero)이어서 축(410)이 볼 베어링(200)에 의해서만 지지되고 있기 때문이다.

그리고, 축(410)의 회전 속도가 증가되면 회전 속도 증가에 따른 쐐기 효과로 인해 코니컬 베어링(300)의 하부 갭(Gc')에 채워진 윤활 유체막에 압력이 발생하게 되고, 압력 발생으로 인해 점차적으로 하부 갭(Gc')의 윤활 유체막 두께가 증가된다.

따라서, 코니컬 베어링(300)의 하부 갭(Gc')이 설정값(G1)을 초과하면서 코니컬 베어링(300)의 기하학적 특성으로 인해 축(410)이 상측으로 이동하여 조심(centering)하게 되고, 이에 따라 코니컬 베어링(300)이 반경방향 부하를 지지하게 된다. 이때, 상기 볼 베어링(200)의 하부 갭(2Gb')은 코니컬 베어링(300)의 하부 갭(Gc')이 증가된 만큼 증가되어 볼(210)이 내륜(230)과 외륜(250)으로부터 일정한 갭(2Gb', Gb'=0.005㎜로 도시함)을 유지하게 되므로, 코니컬 베어링(300)이 반경방향 부하를 지지하는 동안에는 상기 볼 베어링(200)이 무부하로 운전된다.

이때, 볼 베어링(200)의 상부 갭(2Gb", Gb"=0.095㎜)은 0.19㎜로 변화되고, 코니컬 베어링(300)의 상부 갭(Gc")은 0.24㎜로 변화된다.

그리고, 상기와 같이 코니컬 베어링(300)이 부하를 지지하는 중에 축(410)의 회전 속도가 감소되어 일정 속도 이하의 정지 운전 상태가 되면(일정 속도 이하로 떨어지면), 코니컬 베어링(300)의 하부 갭(Gc')에 채워진 윤활 유체막의 압력 및 두께가 감소되므로, 기동 운전시와 마찬가지로 볼 베어링(200)이 반경방향 부하를 지지하게 된다.

한편, 상기 축(410)의 회전시에는 임펠러(430)의 회전에 의해 축방향 부하가 발생되는데, 상기 축방향 부하 및 반경방향 부하는 코니컬 베어링(300)의 갭(Gc)에 채워진 윤활 유체막의 압력이 반발력으로 작용하게 됨에 따라 상기 코니컬 베어링(300)에 의해 복합적으로 지지된다.

그리고, 상기 볼 베어링(200)은 코니컬 베어링(300)이 부하를 담당하는 고속 운전시에 써징 등으로 인해 반경방향 및 축방향 부하가 비정상적으로 발생하거나, 진동이 발생하는 경우 고속 회전체의 축이 이탈하지 못하도록 스러스트 베어링으로 작용하는 한편, 비정상적인 진동 등으로 인해 코니컬 베어링의 윤활 유체막이 파괴될 경우 코니컬 베어링의 윤활 유체막이 다시 형성될 때까지 반경방향 부하를 일시적으로 담당하는 저널 베어링으로 작용한다.

이러한 구성의 베어링 조립체는 위에서 설명한 바와 같이 저속 운전시에는 기동 및 정지 운전시의 손상과 기동 마찰 부하가 코니컬 베어링에 비해 낮은 볼 베어링의 장점을 이용할 수 있고, 고속 운전시에는 볼 베어링에 비해 높은 부하를 지지할 수 있는 코니컬 베어링의 장점을 이용할 수 있다.

따라서, 상기한 구성의 베어링 조립체를 운전 및 정지 상태의 변환이 빈번하게 발생되는 압축기의 축을 지지하도록 설치하는 경우에는 운전 및 정지 상태의 빈번한 상태 변환으로 인한 베어링의 내구성 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.

여기에서, 상기 고속 운전은 코니컬 베어링의 윤활 유체로 공기가 사용되는 경우에는 대략 10,000rpm 이상의 회전 속도로 회전되는 상태를 말한다.

물론, 상기 윤활 유체로 오일이 사용되는 경우에는 상기 공기의 경우에 비해 낮은 회전 속도로 회전하더라도 코니컬 베어링이 부하를 지지하게 된다.

이와 같이, 부하 지지 작용의 변환이 일어나게 되는 고속 운전과 저속 운전을 구분하는 기준이 되는 회전 속도는 코니컬 베어링의 윤활 유체로 어떤 것을 사용되는 가에 따라 달라질 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만 상기 구배 구간은 반경방향 부하를 받는 쪽, 즉 축 하중이 작용하는 축 하부쪽의 경사면에만 형성하는 것도 가능하다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 베어링 조립체의 코니컬 베어링에 있어서 외측 블록의 우측면도를 도시한 것으로, 본 실시예의 코니컬 베어링은 외측 블록(330a)의 경사면 중 일부 구간, 특히 반경방향 부하를 받는 쪽에만 구배 구간(333a)이 형성되고, 나머지 구간에는 비구배 구간(337)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 도 5에서, 미설명 도면부호 335a는 윤활 유체, 예컨대 오일이 공급되는 윤활 유체홀을 나타낸다.

이러한 구성의 코니컬 베어링을 직접 구동 방식의 고속 회전체에 적용하는 경우에는 상기 구배 구간을 반경방향 부하를 받는 쪽, 즉 축의 하중이 작용하는 쪽에 형성하여 축의 반경방향 하측으로 작용하는 부하를 지지할 수 있으며, 도시하지 않은 기어 증속기를 이용하여 축(도 3의 410 참조)을 회전시키는 간접 구동 방식의 고속 회전체에 적용하는 경우에는 구배 구간을 기어 증속기의 반경방향 부하가 작 용하는 쪽(축 하중이 작용하는 쪽의 반대쪽을 말한다)에 형성하여 축의 반경방향 상측으로 작용하는 반경방향 부하를 효과적으로 지지할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 베어링 조립체를 고속 회전체에 설치한 상태를 개략적으로 도시한 것으로, 코니컬 베어링(300b)의 내측 블록(310b) 경사면에 구배 구간(313b)을 형성하고, 상기 구배 구간(313b)에 연통하는 윤활 유체홀(315b)을 상기 내측 블록(310b)에 형성한 것이다.

여기에서, 상기 윤활 유체홀(315b)을 통해서는 윤활 유체로서의 기체가 공급될 수 있다.

이 경우에도, 상기 구배 구간(313b)은 반경방향 부하를 받는 쪽에만 형성하거나, 전체 경사면에 형성할 수 있다. 도 6a 및 6b에서, 미설명 도면부호 330b는 외측 블록을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 베어링 조립체를 고속 회전체에 설치한 상태를 도시한 것으로, 고속 모터 등에 의해 회전하는 고속 회전체를 도시한 것이다.

본 실시예에서는 한쌍의 베어링 조립체(100)를 이용하여 고속 회전체를 지지하되, 코니컬 베어링(300c)의 내측 블록(310c)을 축(410')에 고정하여 코니컬 베어링(300c)의 외측 블록(330c)과 볼 베어링(200c)의 외륜(250c)이 임펠러(430)와 함께 회전하도록 설치하고, 좌측의 코니컬 베어링과 우측의 코니컬 베어링의 경사면이 반대 방향으로 위치되도록 설치한 것이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 고속 회전체용 베어링 조립체는 고속 회전체의 기동 운전시 및 정지 운전시에 볼 베어링이 부하를 지지하므로, 기동 마찰 부하와 운전 마찰 부하가 낮아 동력 소모를 줄일 수 있으며, 코니컬 베어링을 마모와 손상으로부터 보호할 수 있다.

그리고, 고속 회전체의 고속 운전시에는 코니컬 베어링이 부하를 지지하므로, 높은 부하를 지지할 수 있고, 회전시의 언밸런스(unbalance) 등으로 인한 진동 발생을 억제할 수 있다.

따라서, 베어링 조립체의 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 코니컬 베어링이 부하를 지지하는 고속 운전시에는 상기 볼 베어링이 안전 가이드로 작용하므로, 안정성을 향상시킬 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (16)

1. 고속 회전체를 지지하기 위한 베어링 조립체에 있어서,

   볼과 상기 볼을 둘러싸는 내륜 및 외륜을 포함하는 저널 및 스러스트용 볼 베어링; 및

   서로 대향하도록 배치되는 경사면을 각각 구비하는 내측 블록과 외측 블록을 포함하는 코니컬 베어링

   을 포함하며,

   상기 볼 베어링은 상기 고속 회전체의 저속 운전시에 부하를 지지하고, 상기 코니컬 베어링은 상기 고속 회전체의 고속 운전시에 부하를 지지하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 코니컬 베어링은 고속 회전체의 회전 속도 증가로 인해 내측 블록과 외측 블록 사이의 윤활 유체막 두께가 증가하여 상기 양 블록 사이의 갭이 설정값을 초과할 때부터 부하를 지지하는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 설정값은 코니컬 베어링의 설정 갭과 볼 베어링의 설정 갭의 차로 결정되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 코니컬 베어링의 설정 갭은 볼 베어링의 설정 갭 보다 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 볼 베어링은 상기 코니컬 베어링의 외측 블록 내부에 조립되는 고속 회전체용 베어링 조립체.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 고속 회전체는 제1 베어링 조립체와 제2 베어링 조립체에 의해 지지되는 고속 회전체용 베어링 조립체.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 제1 베어링 조립체의 코니컬 베어링과 제2 베어링 조립체의 코니컬 베어링의 경사면이 동일한 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 제1 베어링 조립체의 코니컬 베어링과 제2 베어링 조립체의 코니컬 베어링의 경사면이 반대 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 제1 베어링 조립체는 하우징에 고정되고, 제2 베어링 조립체는 축방향 이동이 가능하도록 연결부재에 의해 상기 제1 베어링 조립체에 고정되며, 상기 연결부재는 고속 회전체와 동일한 열팽창계수를 갖는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 볼 베어링의 내륜과 코니컬 베어링의 내측 블록이 고속 회전체에 고정되어 회전되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 코니컬 베어링의 외측 블록 경사면에는 구배 구간이 구비되며, 상기 외측 블록에는 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 코니컬 베어링의 내측 블록 경사면에는 구배 구간이 구비되며, 상기 내측 블록에는 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
13. 제 10항에 있어서,

    상기 코니컬 베어링의 외측 블록 경사면에는 구배 구간 및 비구배 구간이 구비되며, 상기 구배 구간은 반경방향 부하를 받는 쪽에 구비되고, 상기 외측 블록에는 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
14. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 볼 베어링의 외륜과 코니컬 베어링의 외측 블록이 고속 회전체에 고정되어 회전되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 코니컬 베어링의 내측 블록 경사면에는 구배 구간이 구비되며, 상기 내측 블록에는 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.
16. 제 14항에 있어서,

    상기 코니컬 베어링의 내측 블록 경사면에는 구배 구간 및 비구배 구간이 구비되며, 상기 구배 구간은 반경방향 부하를 받는 쪽에 구비되고, 상기 내측 블록에는 상기 구배 구간에 연통하는 윤활 유체홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 회전체용 베어링 조립체.

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