KR20120108021A - 경질/연질 페어링을 갖는 평베어링 - Google Patents

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벤자민 홀스타인
노르만 페르너
클라우스 슈피겔
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보이트 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 수중 발전소용 평베어링에 관한 것이고, 상기 평베어링은 제 1 평베어링 쉘을 형성하기 위한 적어도 하나의 평베어링 세그먼트와, 상기 평베어링 세그먼트에 대해 카운터 베어링 표면을 형성하는, 상기 제 2 평베어링 쉘의 적어도 하나의 구동 요소로서, 상기 구동 요소의 슬라이딩 표면은 상기 평베어링 세그먼트의 슬라이딩 표면보다 높은 경도를 갖는, 상기 적어도 하나의 구동요소와, 상기 구동 요소에 대한 지지 요소를 포함하며, 상기 구동 요소와 지지 요소 사이에 조정가능한 소성 변형능을 갖는 중간층이 배열된다.

Description

경질/연질 페어링을 갖는 평베어링 {PLAIN BEARING HAVING A HARD/SOFT PAIRING}
본 발명은 특히, 수중 발전소의 회전 유닛의 축방향 및/또는 반경방향 베어링을 형성하기 위해 슬라이딩 표면을 위한 경질/연질 페어링(hard/soft pairing)을 갖는 평베어링(plain bearing)에 관한 것이다.
발전소가 수중의 자립형 설비로 구성되는 조수 또는 수력을 이용한 수중 발전소는, 최고 가능한 정도까지 서비스 측정을 방지하기 위해, 특히 접근하기 어려운 설비 위치에 대해 하중 하에서 높은 안정성을 제공하여야 한다. 프로펠러 방식으로 전형적으로 구성되는 수차를 갖는 회전 유닛의 베어링 및 샤프트 스터브는 전체 설비의 서비스 수명에 영향을 미치는 구성요소들이다.
베어링 내로 침전물 유입이 완전히 배제될 수 없는 작동 조건에 대해 바람직한 안정성을 갖는 베어링을 구성하기 위한 한가지 가능성은, 예를 들어, 선박을 위한 선미관 베어링으로 알려져 있는 수윤활 평베어링(water-lubricated plain bearing)을 이용하는 것이다. 이러한 베어링은 재료 경도 및 연성에 상당한 차이를 나타내는 슬라이딩 표면들을 포함한다. 이러한 연질/경질 페어링의 경우에, Orkot®과 같은 폴리머 물질로 제조된 슬라이딩 표면을 갖는 복수의 가이드 슈(guide shoes)가 예를 들어, 제 1 평베어링 쉘을 형성하는 데 사용될 수 있다. 제 2 평베어링 쉘의 카운터-베어링 표면은 스틸 부분으로 구성되는 것이 일반적이다. 이러한 평베어링은 사포 등과 같은 연마 물질의 도입 중에도 윤활유로 충분한 물이 공급되는 경우에 낮은 마모 및 마손을 나타낸다.
범용 베어링의 단점은 미터 범위에서 베어링 치수를 갖는 수중 발전소의 경우에 요구되는 바와 같이 거대한 전체 크기의 경우의 제조 노력이다. 특히, 연속적인 슬라이딩 표면은 높은 경도로 정밀하게 제조되어야 한다. 이는 수중 발전소의 반경방향 및 축방향 하중을 지지하기 위해 여러개의 평베어링들이 제공될 때 많은 양의 노력을 특히 필요로 하며, 이러한 평베어링은 서로에 대해 정밀하게 조정되어야 한다.
연속적인 방식으로 통상적으로 배열되는 범용 평베어링의 높은 경도의 슬라이딩 표면은 예를 들어, 밀링 및 재연삭과 같은 기계적 처리 단계에 의해, 좀 더 복잡한 제조 프로세스를 통상적으로 요한다. 수중 발전소의 큰 크기의 일체형 회전 유닛에 이러한 베어링 표면이 통합될 필요가 있을 때 제조 노력이 특히 높을 것이다. 게다가, 설비의 소정 가동 시간 이후 이러한 방식으로 제공되는 슬라이딩 표면을 수리하는 것이 거의 불가능하다. 전체 설비를 탈거하여 회전 유닛의 샤프트 스터브를 전체적으로 재가공하거나 이를 교체하는 것도 불가피하다.
본 발명은 범용 평베어링의 장착 및 조정이 단순화되도록 범용 평베어링을 보강 방식으로 배열하는 목적에 기초한다. 더욱이, 유지보수 시에 개별 슬라이딩 표면을 수리하기 위한 가능성이 제공되어야 한다. 추가적으로, 슬라이딩 표면은, 특히, 바다에 위치한, 수중 발전소에 대한 거친 환경 조건 하에서도 실질적으로 관리가 필요없는 재료로 제조되어야 한다.
본 발명은 독립항의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들이 종속항에 의해 제공된다.
적어도 하나의 평베어링 세그먼트를 갖는 제 1 평베어링 쉘과, 구동 요소를 갖는 제 2 평베어링 쉘을 포함하는 범용 평베어링이, 특히 수중 발전소용으로, 사용된다. 이러한 평베어링을 위해 별도의 구동 요소의 이용이 제안되며, 상기 구동 요소는 높은 경도의 슬라이딩 표면을 형성하고, 지지체에 의해 중간층을 통해 지지된다.
구동 요소의 별도의 구성은 설비의 개별 슬라이딩 표면의 제조 및 차후 교환을 가능하게 한다. 따라서, 반경방향 베어링을 형성하기 위해, 슬라이딩 표면을 샤프트 내로 밀링하는 대신에, 베어링 레이스(bearing race)를 이용하는 것이 가능하고, 상기 베어링 레이스는 지지체로서 샤프트에 의해 지지된다. 따라서, 베어링 레이스는 축방향 힘을 지지하기 위한 구동 요소로 스러스트 칼라와 연계될 수 있다. 더욱이, 구동 요소의 별도의 구성은 감소된 전체 크기의 구성요소가 취급될 수 있는 장점을 유발하여, 코팅 프로세스가 단순화될 수 있다. 더욱이, 지지체가 후방 측부 상에서 구동 요소를 지지하기 때문에, 높은 경도, 그러나 소정의 취성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 이에 따라, 세라믹 또는 글래스형 물질로 적어도 부분적으로 구동 요소를 구성하거나, 이러한 코팅을 이용할 수 있다.
구동 요소와 지지체 사이에 본 발명에 따른 중간층이 제공되고, 이러한 중간 요소는 소정의 소성 변형능을 갖는다. 의도적인 방식으로 소성 변형능 정도를 조정할 수 있다면 특히 바람직하다. 설치된 상태에서 처음에는 연성을 갖고, 그 후 추가적인 공정 단계에서 저연성 물질로 변환될 수 있는 물질이 이 용도에서 특히 고려된다. 특히 바람직한 방식으로 이 용도로 구체적인 온도 범위가 지정된다.
열가소성 물질 또는 핫멜트 접착제(hot-melt adhesive)로부터 중간층을 제조하는 것이 가능하다. 열가소성 물질은 충분한 양의 소성 변형능(plastic deformability)이 존재하는 온도 범위로 천이될 수 있다. 따라서, 핫멜트 접착제가 사용될 때, 용융점 이상의 가열이 구동 요소의 제 1 장착 또는 조정 중 수행된다. 중간층의 소성 변형능은 온도 감소와 함께 감소하여, 평베어링의 작동 중 나타나는 베어링 온도가 지지체 상에서 구동 요소의 견고한 지지를 보장한다. 그러나, 비정상적으로 높은 표면 압력의 경우에 자동 조정능력의 범주 내에서 소정 크기의 재조정 기능을 베어링에서 유지하기 위해 정상 작동에 대해서도 중간층에 대한 소정의 잔류 양의 소성 변형능을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명은 아래에 제시되는 도면 및 실시예들을 참조하여 아래에서 세부적으로 설명될 것이다.
도 1은 스러스트 칼라 상에의 축방향 힘의 지지를 위한 본 발명에 따른 평베어링의 부분 단면도,
도 2는 반경방향 지지를 위한 본 발명에 따른 평베어링의 부분 단면도,
도 3은 본 발명에 따라 배열되는 평베어링을 갖는 수중 발전소의 부분 단면도.
도 3은 도식적으로 단순화된 부분 단면도로 도시되는 수중 발전소(20)를 도시하며, 상기 수중 발전소(20)의 회전 유닛은 수차(21), 후드(22), 샤프트 스터브(23), 및 발전기(26)의 로터(28)를 지지하기 위해 샤프트 스터브(23)에 연결된 샤프트 부분(29)을 포함한다. 상기 회전 유닛은 스러스트 칼라(7) 상에서 축방향으로 축방향 베어링(31.1, 31.2)을 이용하여, 그리고 반경방향으로 2개의 반경방향 베어링(30.1, 30.2)에 의해 지지된다. 이러한 베어링들은 수윤활 평베어링으로 배열되고, 지지체 상에 중간층을 통해 지지부와 함께 본 발명에 따른 구동 요소를 각각 포함한다. 이는 아래에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 각각의 평베어링은 세그먼트화된 방식으로 배열되는 제 1 평베어링 쉘을 포함하고, 상기 평베어링 세그먼트는 폴리머 물질로 제조된 슬라이딩 표면을 포함한다. 평베어링 세그먼트는 또한, 수중 발전소(20)의 정적 하우징 부분의 제 1 세그먼트(25.1) 및 제 2 세그먼트(25.2)에 조정가능하게 고정된다.
도 1은 축방향 베어링(31.2)의 단면 확대도를 도시한다. 제 1 평베어링 쉘(2.1)은 복수의 평베어링 세그먼트(3.1)를 포함하고, 그 중 하나가 단면도에 도시된다. 평베어링 세그먼트의 슬라이딩 표면(4.1)은 본 경우에 폴리머에 기초한 내해수성 평베어링 물질로 구성된다. 평베어링 세그먼트의 슬라이딩 표면(4.1)은 기저부(5.1)에 놓이고, 위치 설정 및 하우징 부분(6.1)에 고정하기 위한 장치(세부적으로 도시되지 않음)를 포함하는 것이 바람직하다. 하우징 부분(6.1) 상에서 소정의 운동 기능을 갖도록 평베어링 세그먼트(3.1)를 장착하는 것이 또한 가능하다.
제 2 평베어링 쉘(13.1)은 현재의 평베어링(1.1)에 대한 스러스트 칼라(7)의 일부분으로 배열된다. 따라서, 스러스트 칼라 지지부(18)가 본체(9.1)를 지니고, 스러스트 칼라 지지부(18) 내로 그루브(19)가 놓여 있다. 중간층(15.1)이 그루브(19)의 기저부 상에 배치되고, 그 위에 터빈 디스크(11)의 형태로 구동 요소(10.1)가 배열된다. 터빈 디스크(11)의 개선된 횡방향 가이던스(guidance)가 한 편으로 생성되고 다른 한편으로 작은 갭 폭만이 터빈 디스크(11)의 에지와 그루브(19)의 인접 벽체 사이에서 유지되도록, 그루브(19) 내로 부분적으로 터빈 디스크(11)가 돌출하도록, 중간층(15.1)에 대해 물질 두께가 선택되며, 상기 갭 폭은 그루브(19)의 중간층(15.1)이 높은 소성 변형능 상태에서도 그루브 내에 실질적으로 유지될 수 있도록 선택된다.
제 1 바람직한 실시예에서, 중간층(15.1)은 열가소성 물질로 구성된다. 열가소성 물질은 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐 클로라이드 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)에 의해 형성되는 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 플라스토머는 가열에 의해 충분히 큰 소성 변형능의 상태로 천이될 것이며, 이러한 가열은 도 1에 제시된 전기 가열 장치(33)에 의해 유도될 수 있다. 유지 관리의 경우에 구동 요소(10.1)의 조정 목적 또는 갱신된 설정을 위한 제 1 시간 장착 중 사용되는 이러한 상태에서, 구동 요소(10.1)의 위치는 추가적인 축방향 베어링(31.1) 및 반경방향 베어링(30.1, 30.2)의 구동 표면에 대해 측정 및 가이드 장치(도면에 세부적으로 도시되지 않음)를 이용하여 정렬된다. 회전 유닛의 샤프트 스터브(23)가 정밀하게 클램핑되고 회전하도록 구성될 때, 평베어링의 구동 요소의 자체-센터링(self-centering)은 정밀하게 설정된 리밋 스톱(limit stop)을 이용하여 달성될 수 있다.
도 2는 반경방향 베어링(30.1)의 확대 단면도에 기초하여 실시예의 대안적인 구성을 도시한다. 범용 평베어링(1.2)은 제 1 베어링 쉘(2.2)을 다시 포함하며, 제 1 베어링 쉘(2.2)과 관련하여 평베어링 세그먼트(3.2)가 기저부(5.2) 및 평베어링 세그먼트의 슬라이딩 표면(4.2)과 함께 도시되며, 상기 슬라이딩 표면은 하우징 부분(6.2)에 고정된다.
본 발명에 따른 평베어링(1.2)의 제 2 평베어링 쉘(13.2)은 베어링 레이스(12)의 형태로 별도의 구동 요소(10.2)를 포함한다. 베어링 레이스(12)의 내경에는, 본 실시예의 경우 지지체(9.2)를 나타내는, 샤프트(8)의 외경과 관련하여 간섭이 제공된다. 따라서, 베어링 레이스(12)는 샤프트(9) 위에 장착하기 위해 안내될 수 있다. 따라서, 베어링 레이스(12)와 샤프트(8) 사이에 형성되는 중간 공간은 중간층(15.2)에 의해 충전된다. 이를 위해, 베어링 구성요소는 소정의 온도에 놓일 것이고, 고온 상태에서 자유롭게 유동하는 핫멜트 접착제가, 샤프트(8) 내 리드-관통 개구부(17)를 통해 중간 공간 내로 충전될 것이다. 폴리이미드, 폴리에틸렌, 비정질 폴리알파올레핀, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리에스테르 일래스토머, 폴리우레탄 일래스토머, 코폴리아미드 일래스토머, 또는 이러한 폴리머들의 혼합물이 핫멜트 접착제용 기본 폴리머로 사용될 것이다.
핫멜트 접착제의 이탈을 방지하기 위해 베어링 레이스(12)와 샤프트 사이의 중간 공간의 환형 갭 개구부에 탄성 밀봉 요소(16.1, 16.2)가 제공되는 것이 바람직하다. 핫멜트 접착제를 도포한 후, 샤프트(8)에 대한 베어링 레이스(12)의 조정이 수행된다. 이 측정의 결과로, 편심성 및 센터링 부정확성이, 베어링 레이스의 별도의 재가공이 더이상 필요없을 정도로 이러한 측정에 의해 보상될 것이다. 핫멜트 접착제를 경화시키기 위한 평베어링(1.2)의 냉각이 그 후 이루어진다.
도 2는 구동 요소(10.2)가 경질층(14)을 운반하는 실시예를 도시한다. 이는 베어링 레이스(12) 상에 코팅 프로세스를 이용하여 도포되는 것이 바람직한 세라믹 물질 또는 글래스형 물질일 수 있다. 슬라이딩 표면보다 연질인 물질로 베어링 레이스를 제조하는 것이 이러한 실시예에서 가능하다. 비금속 물질의 이용도 고려할 수 있다. 에폭시 수지를 이용하여, 예를 들어, Epocast®를 이용하여, 주조 방식으로 제조할 수 있다. 더욱이, 순응성을 위해 소정 양의 탄성을 갖는 방식으로 구동 요소(10.1, 10.2)를 제공할 가능성이 존재한다. 슬라이딩 표면의 소망 정밀 윤곽은 하부 중간층(15.1, 15.2)이 연성에 따라 충분히 변형가능할 때에만 조정 단계에서 설정될 것이다. 소성 변형능 감소에 따라, 슬라이딩 표면의 윤곽, 따라서, 설정은 안정화될 것이어서, 평베어링의 작동에 충분히 로딩가능하고 정밀한 슬라이딩 표면이 존재할 것이다. 슬라이딩 표면은 재조정가능한 것이 바람직하고, 중간층이 최소 크기의 소성 변형능을 유지하도록 서로에 대해 부정확하게 설정된 구성요소들을 회전시킴으로써 텀블링 편심성을 감소시킬 수 있으며, 따라서, 구동 요소는 대향하는 슬라이딩 표면의 가장 좁은 지점으로부터 최소 거리를 계속적으로 유지할 것이다.
본 발명은 다음 청구범위의 범위 내에서 당 업자에 의해 변경될 수 있다. 본 발명에 따른 평베어링은 여러 개의 구동 요소(10.1, 10.2)를 포함하며, 상기 구동 요소들은 소정 환경 하에서 서로 조합되어 슬라이딩 표면을 형성할 수 있고, 일체형 구동 요소에 따라, 지지체(9.1, 9.2)와 함께 조정가능한 소성 변형능을 갖는 중간층(15.1, 15.2)을 통해 연결되며, 서로에 대해 조정될 수 있다.
1.1, 1.2 : 평베어링 2.1, 2.2 : 제 1 평베어링 쉘
3.1, 3.2 : 평베어링 세그먼트
4.1, 4.2 : 평베어링 세그먼트의 슬라이딩 표면
5.1, 5.2 : 기저부 6.1, 6.2 : 하우징 부분
7 : 스러스트 칼라 8 : 샤프트
9.1, 9.2 : 지지체 10.1, 10.2 : 구동 요소
11, 11.1, 11.2 : 터빈 디스크 12, 12.1, 12.2 : 베어링 레이스
13.1, 13.2 : 제 2 평베어링 쉘
14 : 경질층 15.1, 15.2 : 중간층
16.1, 16.2 : 밀봉 요소 17 : 리드-관통 개구부
18 : 스러스트 칼라 캐리어 19 : 그루브
20 : 수중 발전소 21 : 수차
22 : 후드 23 : 샤프트 스터브
24 : 기계 나셀 25.1 : 제 1 세그먼트
25.2 : 제 2 세그먼트 25.3 : 제 3 세그먼트
25.4 : 제 4 세그먼트 26 : 발전기
27 : 스테이터 28 : 로터
29 : 샤프트 부분 30.1, 30.2 : 반경방향 베어링
31.1, 31.2 : 축방향 베어링 32 : 지지 구조물
33 : 전기 가열 장치 34 : 회전축

Claims (12)

  1. 평베어링을 제조하는 방법으로서, 상기 평베어링은,
    제 1 평베어링 쉘(2.1, 2.2)을 형성하기 위한 적어도 하나의 평베어링 세그먼트(3.1, 3.2)와,
    상기 평베어링 세그먼트(3.1, 3.2)에 대해 카운터-베어링 표면을 형성하는 제 2 평베어링 쉘(13.1, 13.2)의 적어도 하나의 구동 요소(10.1, 10.2)로서, 상기 구동 요소(10.1, 10.2)의 슬라이딩 표면은 상기 평베어링 세그먼트(3.1, 3.2)의 슬라이딩 표면보다 높은 경도를 갖는, 상기 적어도 하나의 구동요소(10.1, 10.2)와,
    상기 구동 요소(10.1, 10.2)에 대한 지지체(9.1, 9.2)를 포함하는, 상기 평 베어링 제조 방법에 있어서,
    상기 구동 요소(10.1, 10.2)를 조정하는 단계와,
    이어서, 상기 구동 요소(10.1, 10.2)와 지지체(9.1, 9.2) 사이에 구성되는 중간층(15.1, 15.2)의 소성 변형능을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 요소(10.1, 10.2)를 조정하기 위해, 상기 중간층(15.1, 15.2)은 상기 평베어링의 작동 중에 나타나는 온도를 초과하여 가열되는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중간층(15.1, 15.2)은 열가소성 물질 또는 핫멜트 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열가소성 물질은 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리아미드(PA), 폴리카보니트(PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐 클로라이드 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)에 의해 형성되는 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 핫멜트 접착제의 기본 폴리머는 폴리아미드, 폴리에틸렌, 비정질 폴리알파올레핀, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리에스테르 일래스토머, 폴리우레탄 일래스토머, 코폴리아미드 일래스토머에 의해 형성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(9.1, 9.2) 내에는, 상기 중간층(15.1, 15.2) 및 상기 구동 요소(10.1, 10.2)의 일부분이 수용되는 그루브(19)가 제공되는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 요소(10.1, 10.2)와 상기 지지체(9.1, 9.2) 사이의 갭으로부터 중간층(15.1, 15.2)의 이탈에 반작용하는 적어도 하나의 밀봉 요소(16.1, 16.2)가 제공되는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(9.1, 9.2)는 스러스트 칼라 캐리어(18)의 일부분이고, 상기 구동 요소(10.1, 10.2)는 스러스트 칼라(7)와 연계된 터빈 디스크(11, 11.1, 11.2)인 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(9.1, 9.2)는 샤프트(8)의 일부분이고, 상기 구동 요소(10.1, 10.2)는 스러스트 칼라(7)와 연계된 베어링 레이스(12, 12.1, 12.2)인 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 요소(10.1, 10.2)는 바람직하게는 스틸로 제조된 금속 물질, 세라믹, 또는 글래스로 구성되거나, 이러한 물질로 이루어진 층을 지니는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 요소(10.1, 10.2)는 바람직하게는 금속 질화물 또는 세라믹 물질로 제조된 경질 물질로 이루어진 코팅을 상기 슬라이딩 표면 상에 포함하는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평베어링 세그먼트(3.1, 3.2)는 폴리머 물질로 이루어진 슬라이딩 표면(4.1, 4.2)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    평베어링 제조 방법.
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