KR20020035283A - 에어 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

반경방향으로 형성된 다수의 주 에어 포일 고정 슬롯이 그 내측에 형성되고 축의 회전방향으로 반경방향과 경사지게 형성된 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯이 주 에어 포일 고정 슬롯사이에 형성된 하우징과; 주 에어 포일 고정 슬롯에 그 고정단이 고정되고 그 자유단은 상호 겹치게 설치되는 다수개의 주 에어 포일과; 보조 에어 포일 고정 슬롯에 그 고정단이 고정되고 그 자유단은 주 에어 포일을 지지하게 설치되며 주 에어 포일보다 길이가 짧은 다수개의 보조 에어 포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로서, 더 상세하게는 반경방향과 경사지게 형성된 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯이 하우징에 형성된 에어 포일 베어링에 관한 것이다.

통상적으로 에어 포일 베어링은 터보압축기, 터보쿨러, 터보발전기같은 터보머신내에서 고속으로 회전하는 축을 지지하는데 사용된다.

에어 포일 베어링은 기존의 볼 베어링이나 저널 베어링과 같이 유막을 이용하여 축을 지지하는 방식이 아니고, 압축 공기를 에어 포일과 축 사이에 유입시킴으로써 공기의 막을 형성하여 축을 지지하는 방식이다. 에어 포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전체의 축을 지지하는데 효과적이다.

종래의 에어 포일 베어링이 미국 특허 제4,153,315호에 개시되어 있다.

도 1에 도시된 것은 이 종래의 에어 포일 베어링에 대한 단면도이다.

도면을 참조하면, 이 에어 포일 베어링은 하우징(11)과, 상기 하우징의 내측에 형성된 슬롯(12)과, 상기 슬롯에 슬러그(Slug)(13)에 의해 고정되는 다수의 주 에어 포일(14)과, 상기 슬롯에 슬러그에 의해 고정되어 상기 주 에어 포일(14)을 지지하는 다수의 보조 에어 포일(15)을 포함한다.

위와 같은 구성을 가진 에어 포일 베어링은 축(1)이 회전하게 되면, 주 에어 포일(14)과 축(1)사이의 공간으로 유입되는 고압의 가스로 인하여 탄성력을 가지는 주 에어 포일(14)이 축(1)으로부터 멀어지는 방향으로 변형하게 된다.

이에 따라, 축(1)은 주 에어 포일(14)로부터 부상한다. 즉, 축(1)은 회전속도가 초기속도로부터 정상속도에 도달할 때까지는 주 에어 포일(14)의 외면과 계속 접촉해 있다가, 유입되는 고압의 가스로 인하여 축(1)과 접촉한 주 에어 포일(14)이 아랫방향으로 가압되어 탄성변형되면서부터 부상하여 회전하는 것이 가능하다.

이러한 에어 포일 베어링은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

겹치도록 설치된 주 에어 포일이 충분한 강성(stiffness)를 확보하지 못하는경우에는 축하중에 의해 주 에어 포일이 아래 방향으로 탄성변형된다. 이것은 베어링의 초기 동작시 축의 반경방향변위가 크다는 것으로 축에 대하여 하중을 지지하는 능력이 부족하다는 것을 의미한다.

또한, 이러한 에어 포일 베어링은 보조 에어 포일의 구조가 복잡하여 제작이 어렵고 처음부터 주 에어 포일과 한 몸체로 제작하여야 하므로 강성과 댐핑(Damping)의 조절이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제작이 용이하고 강성과 댐핑이 향상된 에어 포일 베어링을 제공하는데 목적이 있다. 또한, 강성과 댐핑의 조절이 용이한 에어 포일 베어링을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 종래의 에어 포일 베어링의 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링의 초기 속도에서의 상태를 도시한 단면도,

도 3은 도 2의 에어 포일 베어링의 정상 부상 속도에서의 상태를 도시한 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...하우징 10a...주 에어 포일 고정 슬롯

10b...보조 에어 포일 고정 슬롯 20...주 에어 포일

30...보조 에어 포일

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에어 포일 베어링은 반경방향으로 형성된 다수의 주 에어 포일 고정 슬롯이 그 내측에 형성되고 축의 회전방향으로 반경방향과 경사지게 형성된 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯이 상기 주 에어 포일 고정 슬롯사이에 형성된 하우징과; 상기 주 에어 포일 고정 슬롯에 그 고정단이 고정되고 그 자유단은 상호 겹치게 설치되는 다수개의 주 에어 포일과; 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 그 고정단이 고정되고 그 자유단은 상기 주 에어 포일을 지지하게 설치되며 상기 주 에어 포일보다 길이가 짧은 다수개의 보조 에어 포일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯이 상기 하우징의 반경방향과 이루는경사각을 θ라 할 때, θ가 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

<수학식>

또한, 상기 보조 에어 포일은 긴 길이의 긴 보조 에어 포일과 짧은 길이의 짧은 보조 에어 포일을 구비하는 것으로서, 상기 긴 보조 에어 포일의 고정단은 상기 주 에어 포일을 기준으로 축의 회전방향에 설치된 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 고정되고,상기 짧은 보조 에어 포일의 고정단은 상기 주 에어 포일을 기준으로 축의 역회전방향에 설치된 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 고정되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어 포일 베어링을 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링은 다수의 주 에어 포일 고정 슬롯(10a)과 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)이 그 내측에 형성된 하우징(10)과, 상기 다수의 주 에어 포일 고정 슬롯에 고정되는 다수개의 주 에어 포일(20), 상기 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯에 고정되는 다수개의 보조 에어 포일(30)을 포함한다.

상기 하우징의 주 에어 포일 고정 슬롯(10a)은 상기 하우징(10)의 반경방향으로 형성되어 있다. 상기 하우징의 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)은 축(1)의 회전방향(A)으로 상기 하우징의 반경방향과 경사지게 형성되어 있다. 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)은 상기 주 에어 포일 고정 슬롯(10a)을 사이에 두고 형성되어있다.

상기 보조 에어 포일의 고정단(30a)이 경사진 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)에 고정되어 주 에어 포일(20)을 지지하는 경우 주 에어 포일(20)의 하중지지력이 증가되어 축하중에 대한 강성이 커지게 된다.

상기 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)이 상기 하우징의 반경방향과 이루는 경사각을 θ라 할 때, θ가 하기의 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다.

θ가 45。를 초과하는 경우에는 과도한 부하와 마찰력에 의해 축이 회전하지 못하게 된다.

상기 다수개의 주 에어 포일(20)은 서로 겹쳐진 상태로 설치되어 있다. 상기 주 에어 포일의 고정단(20a)은 상기 주 에어 포일 고정 슬롯(10a)에 고정되어 있다. 상기 주 에어 포일의 자유단(20b)은 인접하는 주 에어 포일(20)의 외면에 접촉하고 있다. 주 에어 포일(20)의 외면은 축(1)의 외주면에 접촉하고 있는 형상이다.

상기 다수개의 보조 에어 포일(30)은 상기 주 에어 포일(20)을 지지하게 설치된다. 상기 보조 에어 포일(30)의 길이는 주 에어 포일(20)보다 짧다. 상기 보조 에어 포일(30)은 긴 길이의 긴 보조 에어 포일(31)과 짧은 길이의 짧은 보조 에어 포일(32)을 구비한다. 긴 보조 에어 포일의 고정단(30a)은 주 에어 포일(20)을 기준으로 축(1)의 회전방향(A)에 설치된 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)에 고정된다. 짧은 보조 에어 포일의 고정단(30a)은 주 에어 포일(20)을 기준으로 축(1)의역회전방향에 설치된 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)에 고정된다. 상기 보조 에어 포일의 자유단(30b)은 상기 주 에어 포일(20)을 지지하도록 설치된다. 이렇게 짧은 보조 에어 포일(32)과 긴 보조 에어 포일(31)을 축(1)의 회전방향으로 순차적으로 배치함으로써 축(1)이 회전방향으로 과부하를 받지 않도록 한다.

상기와 같은 구조를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링의 동작과정을 살펴보면 다음과 같다.

축(1)이 일방향으로 서서히 회전하게 되면, 축(1)과 상기 축(1)과 접촉하는 주 에어 포일(20) 사이의 공간부(2)에 고압의 가스가 유입되기 시작한다. 상기 축(1)은 그 회전속도가 정상속도에 이를때까지 주 에어 포일(20)의 자유단과(20b) 접촉해 있다. 이어서 상기 공간부(2)에서의 가스의 압력은 축(1)의 회전력으로 인하여 급속하게 상승하게 되고, 이로 인하여 상기 축(1)은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 주 에어 포일(20)로부터 부상하게 된다.

이렇게 축(1)이 상기 주 에어 포일(20)로부터 부상하게 되면, 주 에어 포일(20)은 인접하는 주 에어 포일의 자유단에 의하여 가압되어 축(1)로부터 멀어지는 방향으로 변형을 하게 된다. 즉, 상기 축(1)의 외주면에 접촉한 주 에어 포일(20)은 유입되는 고압의 가스로 인하여 하방으로 가압되고, 이에 탄성적으로 변형하게 된다.

여기서, 에어 포일 베어링이 큰 하중지지능력을 가지기 위해서는 주 에어 포일(20)의 탄성력이 커야하고, 하중을 지지하는 면적이 넓어야 한다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)이 축의 회전방향으로 상기 하우징(11)의 반경방향과 경사지게 형성되어 상기 주 에어 포일(20)을 지지하는 상기 보조 에어 포일(30)의 탄성력이 크게 된다. 따라서 상기 주 에어 포일(20)은 큰 하중지지력을 가지게 된다. 이에 따라 강성이 증가된다.

더구나, 상기 보조 에어 포일(30)은 주 에어 포일을 지지하여 큰 접촉면적을 가지게 되므로 마찰력이 증가하여 댐핑이 향상된다. 또한, 상기 보조 에어 포일(30)을 쉽게 추가할 수 있기 때문에 강성과 댐핑의 조절이 용이하다.

상기 에어 포일 베어링에서 댐핑값은 마찰에 의한 값으로 결정된다. 마찰에 의한 에너지 흡수는 E=μN×l로 나타나는데,(여기서, E:소모에너지, μ:마찰계수, N:수직력, l:이동거리를 말한다.) 경사진 보조 에어 포일에 의해 수직력이 증가되므로 댐핑이 향상된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 에어 포일 베어링은 주 에어 포일과 길이와 코팅물질이 다른 보조 에어 포일을 추가함으로써 제작이 용이하고 강성과 댐핑이 향상된다는 이점이 있다.

또한, 강성과 댐핑의 조절이 용이하도록 한 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 반경방향으로 형성된 다수의 주 에어 포일 고정 슬롯이 그 내측에 형성되고 축의 회전방향으로 반경방향과 경사지게 형성된 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯이 상기 주 에어 포일 고정 슬롯사이에 형성된 하우징;

   상기 주 에어 포일 고정 슬롯에 그 고정단이 고정되고 그 자유단은 상호 겹치게 설치되는 다수개의 주 에어 포일;

   상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 그 고정단이 고정되고 그 자유단은 상기 주 에어 포일에 겹쳐지게 설치되며 상기 주 에어 포일보다 길이가 짧은 다수개의 보조 에어 포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
2. 제1항에 있어서,

   상기 보조 에어 포일 고정 슬롯이 상기 하우징의 반경방향과 이루는 경사각을 θ라 할 때, θ가 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.

   <수학식>
3. 제1항에 있어서,

   상기 보조 에어 포일은 긴 길이의 긴 보조 에어 포일과 짧은 길이의 짧은 보조 에어 포일을 구비하는 것으로서, 상기 긴 보조 에어 포일의 고정단은 상기 주에어 포일을 기준으로 축의 회전방향에 설치된 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 고정되고, 상기 짧은 보조 에어 포일의 고정단은 상기 주 에어 포일을 기준으로 축의 역회전방향에 설치된 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 고정되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.