KR100782374B1 - 정밀 래디알 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 회전축을 지지하는 정밀 래디알포일베어링을 제공한다.

포일베어링, 동압베어링, 공기베어링

Description

정밀 래디알 포일 베어링 {High Precision Radial Foil Bearing}

제1도 : 래디알 포일베어링의 종래 형태

제2도 : 예하중을 높여 정밀도를 높인 포일베어링

제3도 : 스페이서를 설치하여 정밀도를 더욱 높인 포일베어링

베어링은 크게 구름베어링(볼 또는 롤러 사용), 무급유베어링(윤활성 있는 재료를 사용하여 마찰하며 동작), 미끄럼베어링(오일 사용), 기체베어링, 자기베어링(자기력을 이용하여 무접촉 동작)으로 나뉘어 진다. 미끄럼베어링은 동압과 정압으로 구별되며, 동압 미끄럼베어링은 상대미끄럼 운동에 의하여 오일이 압력을 발생하여 축을 지지하며, 정압 미끄럼 베어링은 베어링 외부에서 고압의 오일을 공급함으로써 축을 지지한다. 기체베어링은 기름대신 기체가 사용되는 것을 제외하고는 미끄럼베어링과 동일한 원리로 동작한다. 외부에서 가압기체를 넣어주면 정압 기체베어링이며, 상대미끄럼 운동에 의하여 압력이 발생하면 동압 기체베어링이다.

동압기체베어링은 적은 마찰손실과 액체윤활유의 불필요성 등의 이유로 고속회전응용분야에 널리 사용되고 있으며, 특히 구름베어링으로 지지하기 어려운 초고속분야와 액체 윤활류를 사용하기 어려운 곳에 주로 사용되어 지고 있다. 동압기체베어링은 홈붙이 베어링, 틸팅패드베어링,포일베어링 으로 나뉘어 지며, 홈붙이 베어링은 홈을 설치하여 압력을 발생시키는 구조이며, 스파이럴 홈붙이 베어링이 대표적인 예이다. 동압 유체 필름 틸트 패드 베어링(Hydrodynamic fluid-film tilt pad bearing)은 사용조건이 매우 제한적이기 때문에 그 조건을 넘어서면 파손될 위험이 커지게 되는 단점이 있다. 예를 들어 설계조건 이상 또는 이하의 조건에서 강성이 급격히 저하하기 때문에 이 베어링은 충격과 축의 비정렬(misalignment)과 열변형에 매우 취약하다. 이에 비해 컴플라이언트 동압 유체필름베어링(Compliant hydrodynamic fluid-film bearing)이라고 불리는 포일베어링은 고정형태의 틸트패드베어링에 비하여 확연하게 높은 성능을 제공하며, 최근 20년간 비약적인 발전을 하여왔으며, 항공기 공기조화장치에서 충분한 내구성과 안정성이 확인된 바 있으며, 특히 10만 RPM이 넘는 초고속회전의 극저온용 터보압축기와 같은 고속회전기계에 사용되고 있다. 이 베어링은 약간의 액체가 섞여 있는 상황에서도 사용이 가능하며, 유연성과 저가격화의 가능성이 장점이다. 항공에서의 포일베어링은 1970년부터 환경조절장치(ECS)에서 케빈내의 압력과 온도를 조절하는 핵심구성품인 ACM(Air Cooling Machine)에 주로 사용되고 있으며, 가장 적절한 사용 예라고 볼 수 있다. 이 응용에서 포일베어링은 오일시스템이 없으므로 캐빈내부를 오염시키지 않고, 정해진 정비일정 없이 볼베어링에 비하여 충분히 긴 시간의 안정적 동작을 가능하게 하였다. 그리고 베어링의 파손시에도 터보구성품의 파손이 거의 없는 장점을 제공하며, 보잉747에 사용된 포일베어링은 수리없이 10만시간이상의 동작을 하고 있다.

포일베어링은 크게 두가지로 나뉘어진다. 도1과 같이 낱개의 날개형태의 포일을 회전방향으로 일부 겹쳐 배치하고 축을 지지하는 리프타입(Leaf Type)과, 도 2와 같이 전체를 하나의 포일로 하고 포일 외부에 여러 가지 형태로 포일을 지지하는 스프링(Spring)을 배치하는 범프타입(Bump Type)으로 나뉘어진다. 리프타입은 지지하중이 작고 외부충격이 적은 경우에 적용이 가능하며 기동토크가 큰 단점을 가지고 있다. 이에 비하여 범프타입은 기동시의 부하가 작으며, 내구성 및 강성이 우수하다고 알려져 있으나, 설계와 생산이 까다로우며 특히 안정성을 확보하는 것이 어려워 세계적으로 2-3군데 정도 밖에 기술을 보유하고 있지 못한 형편이다. 베어링 하우징(Bearing Housing) 안쪽에 스프링역할을 하는 범프(Bump Foil)가 베어링 하우징(Bearing Housing)에 용접되어 있고, 그 안쪽에 실질적으로 축(Shaft, Journal)과 맞닿는 탑포일(Top Foil)이 베어링 하우징(Bearing Housing)에 용접되어 있다. 축이 회전하여 공기를 끌고 지나가면 탑포일과 범프가 변형되며, 하중을 지지하는 유체필름을 형성하기 위한 공간을 생성하게 된다. 포일베어링에서 유체필름을 발생시키기 위한 기하학적형상은 탑포일의 탄성변형에 의해서 제공된다. 회전수가 높아질 수록 탑포일과 범프는 바깥쪽으로 밀려나가게 되며 축이 중심에서 벗어나게 되면 쐐기모양(Converging Wedge)의 공간이 형상된다. 이 때 포일베어링에서는 탑포일이 변형되는 특징을 가지고 있으므로 설계를 잘하여 미세한 탑포일의 변형에 의하여 복잡한 기계가공없이 적절한 동압이 발생되는 최적의 형태를 얻을 수 있게 된다. 또한 반경방향의 여유가 생기므로, 고속회전에 따른 축직경의 증가에 대응할 수 있게 되는 장점을 얻을 수 있다. 이러한 특성을 결정 짓는 것은 탑포일의 두께와 탑포일을 지지하는 범프의 형상이다. 특히 범프의 설계에 따라 축계가 필요로 하는 강성과 댐핑(Damping)을 제공하는 것이 결정되어 지므로, 범프의 형태, 두께, 높이, 피치, 개수 등이 베어링의 성능을 결정짓는 가장 중요한 인자가 되는 것이다.

더 나아가 군사용 베어링은 더욱 고속과 열악한 환경 및 충격에 견디는 성능을 요구하고 있으며, 고속 고출력 고효율 BLDC 모터에서는 일반적인 오일윤활 베어링으로는 요구성능을 제공할 수 없는 상황이다. 또한 구조적으로 충분한 비정렬과 열, 진동을 견디어 낼 수 있어야 하며 이를 위해 최대의 지지력을 얻기 위해서 범프를 축방향으로 분리하고 회전방향으로 분리하는 것이 유리하다고 알려져 있다.

미국내에 출원된 관련 특허는 다음과 같다. 4,300,806 ; 5,915,841; 5,988,885; 4,465,384; 5,498,083; 5,584,582; 6,024,491; 6,190,048 B1; 4,624,583; 3,893,733; 3,809,443; 4,178,046; 4,654,939; 4,005,914; 5,911,511; 5,534,723; 5,427,455; 5,866,518

원리에 대한 것이 이미 1970년대에 기본 특허가 출원되어 만료되었고, 범프와 탑포일에 대한 변경에 의하여 성능을 향상시키고자 노력해 왔음을 알 수 있다. 또한 5,866,518에는 고온에 적용가능하며 부착성이 우수한 금속성 건식윤활제를 개발하기 위하여 많은 노력을 하여 왔음을 알 수 있다.

본 발명은 범프타입 포일베어링에 관한 것으로 지지력을 향상시키고 정밀한 회전을 제공하는데에 목적이 있다.

지금까지의 포일베어링은 회전정밀도를 높이기 위하여 예하중을 주어 정지시에 축(6)과 탑포일(3)이 범프(2)의 예하중으로 조여진 상태로 있으므로, 회전에 의하여 축(6)과 탑포일(3)이 이격되기 위해서는 상당한 회전수까지 마찰이 있는 상태가 지속되게 된다. 따라서 기동시의 부하가 커지고 마모가 조기에 발생하는 문제점을 지니게 된다. 그렇다고 해서 예하중을 줄여 조립을 하게 되면 기동시의 부하나 마모는 감소하게 되지만 회전시 축의 거동이 커져 고정밀회전을 요하는 경우에는 적용하기 어렵게 된다.

따라서 본발명에서는 예하중을 주어 회전정밀도를 높이면서도 정지상태에서부터 마찰이 작도록 하는 래디알포일베어링을 제공하고자 한다.

본발명은 도2에 보인 것과 같이 베어링하우징(1), 범프(2), 탑포일(3), 키(4)로 구성되어진다.

예하중이 있는 경우에 탑포일(3)이 내경쪽으로 눌려 축(6)과 마찰을 하게 되므로, 탑포일(3)의 두께를 현재 통상적이라고 알려져 있는 것(직경 60mm 베어링의 경우 0.1t 박판을 사용하며 벤딩하거나 그대로 사용)보다 충분히 두껍게 하여 그 자체로 원형이 유지됨으로써 범프에는 예하중을 가하지만 축과 탑포일 사이의 간극이 줄어들지 않도록 하여 최소한의 간극을 항시 유지할 수 있도록 함으로써 정지상태에서도 마찰이 최소가 되도록 할 수 있다.

여기서 충분한 두께는 구조적인 강성과 성능시험을 통하여 다음의 관계를 만 족하는 것이 된다는 것을 확인하였다.

t : 두께 [mm]

D : 축직경 [mm]

이때, 탑포일(3)은 두께가 충분하므로 정밀한 형태를 위하여 선반으로 가공하고 절단을 하여 제작하게 되므로, 절단면이 맞닿으면서 범프(2)에 예하중을 주게 되면 탑포일 내경은 정확한 원이 아니게 된다. 따라서 도2와 같이 절단면이 맞닿게 하여 예하중을 주게 되면 지지력이 낮아지는 단점이 생기게 된다.

이 문제를 해결하기 위하여 도3과 같이 키(4)와 절단면(5) 사이에 스페이서를 두면, 탑포일(3)을 원형으로 유지할 수 있게 된다. 절단면의 공간은 장비에 따라 다르며 절단 두께와 동일한 스페이서를 사용하면 된다.

상기한 바와 같이 두꺼운 탑포일 자체의 강성에 의하여 초기 조립 예하중을 받아도 원형을 유지하도록 하여 축에 직접적인 힘을 가하지 않으므로 기동토크를 줄이고, 예하중을 줌으로써 회전정밀도가 높게 되는 효과를 가지게 된다.

Claims (2)

1. 다음의 두께를 가지는 탑포일(3)을 포함하는 래디알 포일베어링에 있어;

   

   t : 두께 [mm]

   D : 축직경 [mm]

   탑포일(3)의 절단면이 서로 맞닿아 예하중을 가하며 조립되어 탑포일(3)과 축(6)이 간섭이 없도록 조립되는 것을 특징으로 하는 래디알 포일베어링
2. 제1항의 래디알 포일 베어링에 있어서, 키(4)에 용접된 스페이서(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 래디알 포일 베어링

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