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KR101513104B1 - 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링 - Google Patents

분할구조를 갖는 에어 포일 베어링 Download PDF

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KR101513104B1
KR101513104B1 KR1020140092029A KR20140092029A KR101513104B1 KR 101513104 B1 KR101513104 B1 KR 101513104B1 KR 1020140092029 A KR1020140092029 A KR 1020140092029A KR 20140092029 A KR20140092029 A KR 20140092029A KR 101513104 B1 KR101513104 B1 KR 101513104B1
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foil
housing
disposed
bump
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함상용
한용식
최범석
도규형
민성기
박동창
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 회전축을 감싸도록 배치되고 상기 회전축이 부상(浮上)될 수 있도록 상기 회전축의 회전시 상기 회전축과의 사이에 공기층을 형성하도록 이루어지며 외주면으로부터 돌출되게 형성되는 고정부를 구비하는 탑 포일(top foil)과, 상기 탑포일을 감싸도록 배치되고 상기 회전축의 진동을 경감시키도록 형성되는 범프 포일(bump foil)과, 상기 범프 포일의 일부를 덮도록 배치되며 상기 고정부가 수용될 수 있는 고정홈을 구비하는 제1하우징, 및 상기 범프 포일의 다른 일부를 덮도록 배치되고 상기 탑 포일이 고정될 수 있게 상기 제1하우징과 결합시 상기 고정부를 가압하도록 형성되는 제2하우징을 포함하는 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링(air foil bearing)을 제공한다.

Description

분할구조를 갖는 에어 포일 베어링{AIR FOIL BEARING HAVING DIVIDED STRUCTURE}
본 발명은 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 기계요소이다. 에어 포일 베어링은 볼 베어링이나 저널 베어링과 같이 유막을 이용하여 축을 지지하는 방식이 아닌, 탑 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식을 갖는 베어링이다.
에어 포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전축을 지지하는데 효과적이다. 에어 포일 베어링은 예를 들어, 터보 압축기, 터보 쿨러 및 터보 발전기와 같은 회전기기 내에서 고속으로 회전하는 회전축에 적용될 수 있다.
회전축이 고속(예를 들어, 50,000rpm ~ 100,000rpm)으로 회전시 조립용 볼트/너트에 의한 불균형, 임펠라/블레이드의 불균형 및 회전축의 열팽창으로 인한 축 굽힘 현상 등의 밸런싱 문제가 발생될 수 있다. 이를 위해 마찰용접을 이용한 임펠라/블레이드 일체형 회전축을 제작하는 경우, 에어 포일 베어링의 조립/분해가 어려워지는 문제점이 발생한다.
에어 포일 베어링의 구조적인 변화의 일 예로 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 회전축에 용이하게 조립/분해될 수 있도록 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링(air foil bearing)은 회전축을 감싸도록 배치되고 상기 회전축이 부상(浮上)될 수 있도록 상기 회전축의 회전시 상기 회전축과의 사이에 공기층을 형성하도록 이루어지며 외주면으로부터 돌출되게 형성되는 고정부를 구비하는 탑 포일(top foil)과, 상기 탑포일을 감싸도록 배치되고 상기 회전축의 진동을 경감시키도록 형성되는 범프 포일(bump foil)과, 상기 범프 포일의 일부를 덮도록 배치되며 상기 고정부가 수용될 수 있는 고정홈을 구비하는 제1하우징, 및 상기 범프 포일의 다른 일부를 덮도록 배치되고 상기 탑 포일이 고정될 수 있게 상기 제1하우징과 결합시 상기 고정부를 가압하도록 형성되는 제2하우징을 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 범프 포일은 외주면을 따라 형성되는 바디, 및 상기 바디로부터 연장되며 돌출되게 형성되는 범프부가 반복적으로 형성된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제1하우징의 내주면과 상기 바디 및 상기 제2하우징의 내주면과 상기 바디는 서로 면 접촉된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 범프부는 상기 탑 포일을 향하여 돌출되게 형성된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링은 상기 고정홈과 상기 고정부 사이에 배치되고 상기 탑 포일의 이탈을 제한하도록 마찰력을 제공하는 제1고정패드를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링은 상기 고정부와 상기 제2하우징 사이에 배치되며 상기 탑 포일의 이탈을 제한하도록 마찰력을 제공하는 제2고정패드를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 및 제2하우징의 결합면은 상기 회전축의 직경 방향을 따라 형성되는 평면에 배치된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 고정부는 상기 평면상에 배치된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링은 상기 제1 및 제2하우징을 결합하도록 상기 제1 및 제2하우징을 관통하는 고정부재를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 고정부재는 상기 고정부와 수직하게 배치된다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 분할 형성된 제1 및 제2하우징은 범프 포일을 덮도록 배치되고, 제1 및 제2하우징의 결합에 의해 고정부가 가압되어 탑 포일이 고정되도록 이루어지므로, 에어 포일 베어링은 회전축에 용이하게 조립/분해될 수 있다.
또한, 일체형 회전축뿐만 아니라 분리형 회전축에서 에어 포일 베어링의 교체시에 임펠라/블레이드의 분해 없이 에어 포일 베어링만을 분해할 수 있게 되어 회전축 밸런싱 또는 축정렬 등의 기계적인 검사를 재실시하지 않아도 되는바, 유지 보수비가 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축 및 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 에어 포일 베어링의 정면도.
도 3은 도 2의 A 부분(제1 및 제2하우징에 탑 포일을 고정하기 위한 구조)의 확대도.
도 4는 도 1에 도시된 에어 포일 베어링의 분해 사시도.
이하, 본 발명에 관련된 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축(200) 및 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 에어 포일 베어링(100)의 정면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 에어 포일 베어링(100, air foil bearing)은 윤활 기체막을 통해 회전축(200)을 비접촉으로 지지하면서 회전시키는 기계요소로서, 탑 포일(10, top foil), 범프 포일(20, bump foil) 및 분할 형성되는 제1 및 제2하우징(30, 40)을 포함한다.
회전축(200)은 제1 및 제2하우징(30, 40)에 의해 형성되는 원통형의 내부 공간에 삽입되고, 고속으로 회전 가능하게 이루어진다. 회전축(200)은 예를 들어, 터보 압축기, 터보 쿨러 및 터보 발전기와 같은 회전기기 내에서 고속으로 회전하는 회전축이 될 수 있다.
탑 포일(10)은 회전축(200)을 감싸도록 형성되고, 회전축(200)의 외주면과 기설정된 간격만큼 이격되게 배치된다. 탑 포일(10)은 회전축(200)의 회전시 회전축(200)과의 사이에 공기층을 형성하여 회전축(200)이 부상(浮上)될 수 있도록 이루어진다. 탑 포일(10)은 얇은 박막 형태를 가지고 탄성 변형 가능하게 형성될 수 있다.
범프 포일(20)은 탑 포일(10)을 감싸도록 형성된다. 범프 포일(20)은 회전축(200)의 진동을 경감시키도록 소정의 탄성을 갖는 부재로 이루어진다. 범프 포일(20)이 배치됨으로써, 회전축(200)의 회전속도가 임계 속도보다 증가하는 경우 발생하는 진동과 충격이 경감될 수 있다.
범프 포일(20)은 바디(21) 및 범프부(22)를 구비하고, 이들이 반복적으로 형성됨으로써 소정의 탄성을 갖도록 이루어진다.
도 2에 도시된 범프 포일(20)의 확대도를 참조하면, 바디(21)는 범프 포일(20)의 외주면을 따라 연장되게 형성된다. 제1하우징(30)의 내주면과 바디(21) 및 제2하우징(40)의 내주면과 바디(21)는 서로 면접촉되게 배치될 수 있다.
범프부(22)는 바디(21)로부터 연장되며, 돌출되게 형성된다. 범프부(22)는 도시된 바와 같이, 탑 포일(10)을 향하여 돌출되게 형성될 수 있다.
제1 및 제2하우징(30, 40)은 에어 포일 베어링(100)의 틀을 형성하고, 결합시 탑 포일(10) 및 범프 포일(20)을 고정하도록 이루어진다. 제1 및 제2하우징(30, 40)은 에어 포일 베어링(100)이 회전축(200)에 용이하게 조립/분해될 수 있도록 분할구조를 갖다.
제1하우징(30)은 범프 포일(20)의 일부를 덮도록 배치되며, 고정부(12)가 수용될 수 있는 고정홈(31)을 구비한다. 제2하우징(40)은 범프 포일(20)의 다른 일부를 덮도록 배치되고, 제1하우징(30)과 결합시 고정부(12)를 가압하여 탑 포일(10)이 고정될 수 있게 이루어진다. 제1 및 제2하우징(30, 40)은 각각 반원형으로 이루어져 결합면을 중심으로 대칭되게 형성될 수 있다.
상기 구성에 의하면, 회전기기가 작동될 때 회전축(200)은 에어 포일 베어링(100)에서 회전 운동을 하게 되는데, 에어 포일 베어링(100)은 회전축(200)의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 회전축(200)이 원활하게 회전될 수 있도록 한다. 특히, 회전축(200)이 진동 등에 의하여 편심될 경우, 범프 포일(20)은 반경 방향의 하중을 댐핑시켜 회전축(200)의 진동을 흡수한다.
회전축(200)이 서서히 회전하게 되면, 회전축(200)과 탑 포일(10) 사이에 고압의 공기층이 형성되고, 공기의 압력에 의해 회전축(200)이 부상(浮上)하게 됨으로써, 상기 회전축(200)이 탑 포일(10)과 일정한 간격을 유지한 상태로 회전가능하게 된다.
이하에서는 제1 및 제2하우징(30, 40)에 탑 포일(10)을 고정하기 위한 구조에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 2의 A 부분{제1 및 제2하우징(30, 40)에 탑 포일(10)을 고정하기 위한 구조}의 확대도이고, 도 4는 도 1에 도시된 에어 포일 베어링(100)의 분해 사시도이다.
도 3 및 4를 참조하면, 탑 포일(10)은 바디(11) 및 고정부(12)를 구비한다.
바디(11)는 탑 포일(10)의 외주면을 따라 연장되게 형성되며, 회전축(200)에 걸리는 하중을 지지하도록 이루어진다. 고정부(12)는 바디(11)로부터 연장되고, 외주면으로부터 돌출되게 형성된다. 고정부(12)는 제1 및 제2하우징(30, 40)의 결합시 가압됨으로써, 탑 포일(10)이 제1 및 제2하우징(30, 40)에 고정될 수 있도록 한다.
범프 포일(20)은 탑 포일(10)과 제1 및 제2하우징(30, 40) 사이에 배치되며, 일단이 고정부(12)에 의해 지지됨으로써, 탑 포일(10)이 제1 및 제2하우징(30, 40)에 고정되면 이탈이 제한된다. 범프 포일(20) 중 바디(21)는 제1 및 제2하우징(30, 40)과 면접촉하도록 이루어질 수 있고, 범프부(22)는 탑 포일(10)과 점접촉 또는 선접촉하도록 형성될 수 있다.
제1하우징(30)의 결합면, 구체적으로, 제1 및 제2하우징(30, 40)의 결합시 고정부(12)와 마주보는 면에는 고정부(12)가 삽입될 수 있는 고정홈(31)이 형성된다. 이와 대응되는 제2하우징(40)은 제1 및 제2하우징(30, 40)의 결합시 고정부(12)를 가압할 수 있도록 이루어진다. 이를 위하여 제2하우징(40)의 고정부(12)와 마주보는 면은 돌출되게 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 분할 형성된 제1 및 제2하우징(30, 40)은 범프 포일(20)을 덮도록 배치되고, 제1 및 제2하우징(30, 40)의 결합에 의해 고정부(12)가 가압되어 탑 포일(10)이 고정되도록 이루어지므로, 에어 포일 베어링(100)은 회전축(200)에 용이하게 조립/분해될 수 있다.
탑 포일(10)이 제1 및 제2하우징(30, 40)에 보다 견고하게 고정될 수 있도록 고정부(12)의 일면과 제1하우징(30) 및 고정부(12)의 타면과 제2하우징(40) 사이에는 제1 및 제2고정패드(50, 60)가 각각 배치될 수 있다.
제1 및 제2고정패드(50, 60)는 보다 큰 마찰력을 제공하는 소재로 형성됨으로써, 고정부(12)의 이탈이 제한되도록 한다. 제1 및 제2고정패드(50, 60)는 조립의 편의성을 위하여 제1 및 제2하우징(30, 40)에 각각 설치되거나 고정부(12)의 양면에 각각 부착될 수 있다. 제1 및 제2고정패드(50, 60)는 예를 들어, 고무 또는 실리콘으로 형성될 수 있다.
제1 및 제2하우징(30, 40)의 결합면은 회전축(200)의 직경 방향을 따라 형성되는 평면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2하우징(30, 40)은 각각 반원형으로 이루어져 결합면을 중심으로 대칭되게 형성될 수 있다. 고정부(12)는 상기 평면상에 배치됨으로써, 제1 및 제2하우징(30, 40)의 결합력 및 하중을 최대로 받아 보다 견고하게 결합될 수 있다.
제1 및 제2하우징(30, 40)은 용접 및/또는 이들을 관통하는 고정부재(70)에 의해 결합될 수 있다. 고정부재(70)는 예를 들어, 볼트, 리벳 및 핀 등이 될 수 있다. 고정부재(70)는 고정부(12)와 수직하게 배치됨으로써, 제1 및 제2하우징(30, 40)의 결합력이 고정부(12)에 최대로 전달될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하면, 일체형 회전축(200)뿐만 아니라 분리형 회전축(200)에서 에어 포일 베어링(100)의 교체시에 임펠라/블레이드의 분해 없이 에어 포일 베어링(100)만을 분해할 수 있게 되어 회전축(200) 밸런싱 또는 축정렬 등의 기계적인 검사를 재실시하지 않아도 되는바, 유지 보수비가 절감될 수 있다.
또한, 에어 포일 베어링(100)을 길이방향으로 끼우거나 빼내는 복잡한 작업과정을 거치지 않아도 되므로, 간편하게 조립/분해할 수 있어 작업의 효율성이 현저히 증가 될 수 있다.
이상에서 설명한 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

  1. 회전축을 감싸도록 배치되고, 상기 회전축이 부상(浮上)될 수 있도록 상기 회전축의 회전시 상기 회전축과의 사이에 공기층을 형성하도록 이루어지며, 외주면으로부터 돌출되게 형성되는 고정부를 구비하는 탑 포일(top foil);
    상기 탑 포일을 감싸도록 배치되고, 상기 회전축의 진동을 경감시키도록 형성되는 범프 포일(bump foil);
    상기 범프 포일의 일부를 덮도록 배치되며, 상기 고정부가 수용될 수 있는 고정홈을 구비하는 제1하우징; 및
    상기 범프 포일의 다른 일부를 덮도록 배치되고, 상기 탑 포일이 고정될 수 있게 상기 제1하우징과 결합시 상기 고정부를 가압하도록 상기 고정홈을 향하여 돌출되는 제2하우징;
    상기 고정홈과 상기 고정부 사이에 배치되고, 상기 탑 포일의 이탈을 제한하도록 마찰력을 제공하는 제1고정패드;
    상기 고정부와 상기 제2하우징 사이에 배치되며, 상기 탑 포일의 이탈을 제한하도록 마찰력을 제공하는 제2고정패드; 및
    상기 제1 및 제2하우징을 결합하도록 상기 제1 및 제2하우징을 관통하는 고정부재를 포함하고,
    상기 고정홈은 적어도 일측벽이 개방되도록 상기 제1하우징의 일면에서 리세스되고,
    상기 제1하우징과 상기 제2하우징이 결합되면 상기 고정홈이 완성되도록, 상기 제2하우징의 상기 일면은 상기 고정홈의 개방된 부분을 덮도록 이루어지고,
    상기 고정부는 상기 고정홈이 완성시, 상기 고정홈 내에 끼워지도록 형성되며,
    상기 고정부재가 상기 제1 및 제2하우징을 결속시키는 힘으로 상기 고정홈이 상기 고정부를 양측에서 효율적으로 가압할 수 있도록, 상기 제2고정패드가 제2하우징에 닿는 면, 상기 제1 및 제2하우징이 결합시 서로 접촉되는 결합면 및 상기 고정부재가 관통하는 부분에서 상기 제1 및 제2하우징을 결속시키기 위하여 접촉되는 면이 모두 하나의 평면상에 놓이고,
    상기 평면은 상기 회전축의 직경 방향을 따라 형성되며,
    상기 고정부의 일측은 상기 제2고정패드에 의해 접촉되도록 배치되고, 상기 고정부의 타측은 상기 제1고정패드에 의해 접촉되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링(air foil bearing).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 범프 포일은,
    외주면을 따라 형성되는 바디; 및
    상기 바디로부터 연장되며, 돌출되게 형성되는 범프부가 반복적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1하우징의 내주면과 상기 바디 및 상기 제2하우징의 내주면과 상기 바디는 서로 면 접촉되는 것을 특징으로 하는 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탑 포일의 일단부는,
    상기 범프 포일의 이탈이 방지될 수 있도록, 상기 범프 포일의 일단부에 형성되는 상기 범프부의 일측을 덮도록 벤딩되고,
    상기 벤딩된 부분은 상기 바디를 상기 제1 또는 제2하우징의 내주면을 향하여 가압하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 범프부는 상기 탑 포일을 향하여 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 고정부와 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 분할구조를 갖는 에어 포일 베어링.
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