KR20180018575A - 홈 타입 동압력 기체 저널 베어링 - Google Patents

홈 타입 동압력 기체 저널 베어링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 홈타입 동압력 기체 저널 베어링에 관한 것으로서, 베어링 외부 슬리브(1)와 베어링 내부 슬리브(2)를 포함하고, 상기 베어링 내부 슬리브(2)의 외주면과 양단면에는 모두 규칙적인 형상의 홈타입 패턴이 있고, 일단면의 홈타입 패턴과 타단면의 홈타입 패턴은 미러 이미지로 대칭되고, 외주면의 홈타입 패턴의 축방향 윤곽선과 양단면의 홈타입 패턴의 방사상 윤곽선은 모두 일대일 대응하며 서로 교접한다. 상기 홈타입 동압력 기체 저널 베어링은 1 내지 3kg의 부하용량 및 200,000 내지 450,000rpm의 극한 회전 속도를 구현할 수 있으며, 동압 가스 레이디얼 베어링을 비교적 큰 부하의 초고속 분야에 응용할 수 있도록 해 준다.

Description

홈타입 동압력 기체 저널 베어링
본 발명은 기체 베어링 기술 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링에 관한 것이며, 베어링 분에에 속한다.
기체 베어링은 회전 속도, 정밀도, 내고온성이 높으며 마찰손실이 적고 수명이 긴 장점 등을 가지고 있으며, 최근 수십 년간의 급성장을 거치면서 기체 베어링은 이미 고속 지탱, 고정밀 지탱 등 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 현재 기체 베어링은 이미 다양한 유형이 개발되었으며 이는 주로 동압력형과 정압형으로 나뉜다.
동압력 기체 베어링은 기체를 윤활제로 삼으며 축과 베어링 사이에 기체 필름을 구성하는데, 이동면과 정지면이 직접적으로 접촉하지 않는 베어링 형식으로서 오염이 없고 마찰손실이 낮으며 사용온도 범위가 광범위할 뿐만 아니라 운전이 안정적이고 사용시간이 길며 작업 회전속도가 높은 특징 등 수많은 장점을 가지고 있다. 마찰손실이 적어 액상 윤활유를 사용할 필요가 없기 때문에 고속 회전 응용 분야에서 광범위하게 사용된다. 특히 롤링 베어링으로 지탱하기 아주 어려운 초고속 응용 분야 및 액상 윤활유를 사용하기 쉽지 않는 곳에서 통상적으로 사용된다.
동압력 기체 베어링은 수용하는 부하의 방향에 따라 동압력 기체 저널 베어링(radial bearing), 동압력 기체 스러스트 베어링(thrust bearing), 동압력 기체 레이디얼 스러스트 조합 베어링으로 다시 나뉜다. 동압력 기체 저널 베어링은 상대적으로 이동하는 2개의 작업면에 웨지형(wedge type) 공간이 형성되고, 이것이 상대적으로 이동하면 기체가 그 자체의 점성 작용으로 인하여 함께 이동하여 웨지형 간극 내에 압축되면서 동압력을 발생시켜 부하를 지탱한다. 다른 구조 형식의 기체 동압력 레이디얼 베어링은 구조 상의 차이 때문에 그 작업 과정이 약간 다르다. 종래에 있어서 비교적 자주 사용되는 몇 가지 유형의 동압력 기체 저널 베어링 구조의 형식에는 틸팅 패드형(tilting pad type), 홈타입, 박막형이 있다.
틸팅 패드형 동압력 기체 저널 베어링은 성능이 우수한 동압력 기체 베어링으로, 자체 조절 성능을 갖추고 있고 더욱 작은 기체 필름 간극 범위 내에서 안전하게 작업할 수 있으며, 열과 탄성으로 인한 변형 등에 민감하지 않아 가공 정밀도를 보장할 수 있다. 또한 부하에 대한 변화에 있어서 "자동 추적"이라는 특출한 장점을 가지고 있어 현재 국내외 대형 고속 회전 기계와 터보 기계에 주로 응용되고 있다. 그러나 베어링 부시(bearing bush) 구조와 설치 공정이 비교적 복잡해 일반적인 레이디얼 베어링보다 요구 기준이 높아 그 응용이 제한적이다.
박막형 동압력 기체 저널 베어링은 탄성 지지를 갖추고 있어 베어링에 상응하는 일정한 지지 능력과 충격 진동 완화 능력을 부여하기는 하나, 박막형 베어링에 통상적으로 채택되는 것은 금속 박편이기 때문에 재료 제조 기술과 가공 공정 기술 상에 어느 정도 어려움이 존재하며 베어링의 감쇠비를 크게 향상시킬 수 없다. 이 때문에 베어링의 강성이 충분하지 않고 베어링의 임계 회전 속도가 비교적 낮아 고속 운전 시 안정성을 잃고 걸림 현상이 발생해 작동이 쉽게 멈출 수 있다.
홈타입 동압력 기체 저널 베어링은 안정성이 비교적 우수하며, 부하가 없는 상태에서도 일정한 안정성을 나타내는데, 특히 고속 회전 상태에서 정하중(static load) 능력이 다른 형식의 베어링보다 크다. 그러나 홈타입 동압력 기체 저널 베어링은 현재 0.5 내지 1.5kg의 부하용량 및 100,000 내지 200,000rpm의 극한 회전 속도만 구현할 수 있기 때문에, 비교적 큰 부하의 초고속 분야에는 응용할 수가 없다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 존재하는 상기 문제를 해결하기 위하여, 일종의 홈타입 동압력 기체 저널 베어링를 제안함으로써 동압력 기체 저널 베어링을 비교적 큰 부하의 초고속 분야에 응용하는 데에 있다.
상기 기술문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 이하의 기술방안을 채택하였다.
홈타입 동압력 기체 저널 베어링에 있어서, 베어링 외부 슬리브와 내부 슬리브를 포함하고, 상기 베어링 내부 슬리브의 외주면과 양단면에는 모두 규칙적인 형상의 홈타입 패턴이 있고, 상기 베어링 내부 슬리브의 일단면의 홈타입 패턴과 타단면의 홈타입 패턴은 미러 이미지로 대칭되고, 외주면의 홈타입 패턴의 축방향 윤곽선과 양단면의 홈타입 패턴의 방사상 윤곽선은 모두 일대일 대응하며 서로 교접한다.
일 실시예에 있어서, 상기 베어링 내부 슬리브의 외주면의 홈타입 패턴 중의 축방향 고수위선과 양단면의 홈타입 패턴 중의 방사상 고수위선은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접한다. 외주면의 홈타입 패턴 중의 축방향 중간수위선과 양단면의 홈타입 패턴 중의 방사상 중간수위선은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접한다. 외주면의 홈타입 패턴 중의 축방향 저수위선과 양단면의 홈타입 패턴 중의 방사상 저수위선은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접한다.
일 실시예에 있어서, 상기 홈타입 패턴은 임펠러 형상이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 베어링 내부 슬리브와 베어링 외부 슬리브의 매칭 간극은 0.003 내지 0.008mm이다.
바람직한 실시예에 있어서, 베어링 외부 슬리브의 양단에 스톱 링(stop ring)이 설치된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 베어링 외부 슬리브의 외주면에 동축의 통공과 오목홈이 있고, 상기 통공은 동축의 오목홈 내에 위치한다.
종래 기술과 비교할 때 본 발명은 이하의 현저한 진보성을 가진다.
본 발명은 베어링 내부 슬리브의 외주면과 양단면에 규칙적인 형상의 홈타입 패턴이 있으며, 일단면의 홈타입 패턴과 타단면의 홈타입 패턴이 미러 이미지로 대칭되고, 외주면의 홈타입 패턴의 축방향 윤곽선과 양단면의 홈타입 패턴의 방사상 윤곽선이 모두 일대일 대응하며 서로 교접하기 때문에, 양단면 홈타입 패턴에서 생성되는 증압 가스가 축심에서 방사상을 따라 끊임없이 외주면의 홈타입 패턴이 형성하는 오목홈 통로 내로 수송되는 것을 보장하고, 이를 통하여 고속 운전 베어링을 지탱하는 데에 필요한 더욱 강한 가스 필름을 형성할 수 있으며, 가스 필름은 동압 가스 레이디얼 베어링의 윤활제로 사용되기 때문에 상기 홈타입 동압력 기체 저널 베어링이 가스 부상 상태에서 안정적으로 고속 운전할 수 있도록 만들어 높은 극한 회전 속도를 보장할 수 있다. 시험한 바에 따르면, 본 발명에서 제안하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링은 1 내지 3kg의 부하용량 및 200,000 내지 450,000rpm의 극한 회전 속도를 구현할 수 있는데, 종래의 홈타입 동압 가스 레이디일 베어링은 0.5 내지 1.5kg의 부하용량 및 100,000 내지 200,000rpm의 극한 회전 속도밖에 구현할 수 없다. 여기에서 알 수 있듯이, 본 발명은 홈타입 동압력 기체 저널 베어링을 비교적 큰 부하에서의 초고속 회전 분야에 응용할 수 있기 때문에 종래 기술에 비해 현저한 진보성을 가진다.
도 1은 본 발명 실시예 1에서 제안하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링의 일부를 분할한 좌측 입체구조도이고;
도 2는 도 1에 있어서 A부분 확대도이고;
도 3은 본 발명 실시예 1에서 제안하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링의 일부를 분할한 우측 입체구조도이고;
도 4는 도 3에 있어서 B부분 확대도이고;
도 5는 본 발명 실시예 2에서 제안하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링의 단면 구조도이고;
도 6은 도 5에 있어서 C부분 확대도이다.
실시예 1
도 1 내지 3에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링은 베어링 외부 슬리브(1)와 베어링 내부 슬리브(2)를 포함하고, 상기 베어링 내부 슬리브(2)의 외주면과 좌우단면에 모두 규칙적인 형상의 홈타입 패턴이 있고(도면에서 21, 22 및 23에서 도시하는 바와 같음. 본 실시예에 있어서 홈타입 패턴은 모두 임펠러 형상임), 좌단면의 홈타입 패턴(22)과 우단면의 홈타입 패턴(23)은 미러 이미지로 대칭된다.
도 1 내지 4에서 도시하는 바와 같이, 상기 베어링 내부 슬리브(2)의 외주면의 홈타입 패턴(21)의 축방향 윤곽선과 좌우양단의 홈타입 패턴(22와 23)의 방사상 윤곽선은 모두 일대일 대응하고 서로 교접한다. 즉, 외주면의 홈타입 패턴(21) 중의 축방향 고수위선(211)과 좌우단면의 홈타입 패턴(22와 23) 중의 방사상 고수위선(221과 231)은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접한다. 외주면의 홈타입 패턴(21) 중의 축방향 중간수위선(212)과 좌우단면의 홈타입 패턴(22와 23) 중의 방사상 중간수위선(222와 232)은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접한다. 외주면의 홈타입 패턴(21) 중의 축방향 저수위선(213)과 좌우단면의 홈타입 패턴(22와 23) 중의 방사상 저수위선(223과 233)은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접한다.
베어링 내부 슬리브(2)의 외주면과 양단면에는 규칙적인 형상의 패턴(21, 22, 23)이 형성되므로, 좌단면의 홈타입 패턴(22)과 우단면의 홈타입 패턴(23)은 미러 이미지로 대칭되고, 외주면의 홈타입 패턴(21)의 축방향 윤곽선과 좌우단면의 홈타입 패턴(22와 23)의 방사상 윤곽선이 모두 일대일 대응하고 서로 교접하도록 만듦으로써, 양단면의 임펠러 형상의 홈타입 패턴(22와 23)에서 생성되는 증압 기체가 축심에서 방사상을 따라 끊임없이 외주면의 홈타입 패턴(21)이 형성하는 오목홈 통로 내로 수송되는 것을 보장하고, 이를 통하여 고속 운전 베어링을 지탱하는 데에 필요한 더욱 강한 기체 필름을 형성할 수 있으며, 기체 필름은 동압력 기체 저널 베어링의 윤활제로 사용되기 때문에 상기 홈타입 동압력 기체 저널 베어링이 기체 부상 상태에서 안정적으로 고속 운전할 수 있도록 만들어 높은 극한 회전 속도를 보장할 수 있다.
또한, 베어링 외부 슬리브(1)의 양단에 스톱 링(stop ring)(11)을 설치하면 고속 회전 축이 움직이는 상황에서 베어링 내부 슬리브(2)의 양단면과 스톱 링(11) 사이에 밀봉 작용을 발생시켜 홈타입 패턴이 연속적으로 만들어내는 동압 가스를 베어링의 전체 매칭 간극에 밀봉하여 보존할 수 있기 때문에, 고속 운전하는 동압 가스 레이디얼 베어링의 윤활 수요를 충분히 보장할 수 있다. 상기 베어링 내부 슬리브와 베어링 외부 슬리브 사이의 매칭 간극은 바람직하게는 0.003 내지 0.008mm이며, 이를 통하여 베어링 고속 운전의 신뢰성과 안전성을 더욱 잘 보장할 수 있다.
실시예 2
도 5 및 6에서 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서 제안하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링과 실시예 1의 차이점은 이하와 같다. 즉, 상기 베어링 외부 슬리브(1)의 외주면 상에 동축의 통공(12)과 오목홈(13)이 있고, 상기 통공(12)은 동축의 오목홈(13) 내에 위치한다. 상기 통공(12)과 오목홈(13)은 상기 베어링 운행 상태를 온라인 상으로 모니터링하는 센서(예를 들어 온도 센서, 압력 센서, 회전속도 센서 등)의 설치와 데이터 수집에 용이하다.
시험한 바에 따르면, 본 발명에서 제안하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링은 1 내지 3kg의 부하용량 및 200,000 내지 450,000rpm의 극한 회전 속도를 구현할 수 있는데, 종래의 홈타입 동압 가스 레이디일 베어링은 0.5 내지 1.5kg의 부하용량 및 100,000 내지 200,000rpm의 극한 회전 속도밖에 구현할 수 없다. 여기에서 알 수 있듯이, 본 발명은 홈타입 동압력 기체 저널 베어링을 비교적 큰 부하에서의 초고속 회전 분야에 응용할 수 있기 때문에 종래 기술에 비해 현저한 진보성을 가진다.
마지막으로 설명이 필요한 부분은 이하와 같다. 즉, 상기 내용은 본 발명의 기술방안을 더욱 상세히 설명하기 위한 것으로서 본 발명의 보호범위를 제한하지 않으며, 본 발명이 속한 기술분야의 당업자가 상기 내용을 기반으로 진행한 본질적이지 않은 개선과 조정은 모두 본 발명의 보호범위에 속한다.
1: 베어링 외부 슬리브; 11: 스톱 링; 12: 통공; 13: 오목홈; 2: 베어링 내부 슬리브; 21: 외주면의 홈타입 패턴; 211: 축방향 고수위선; 212: 축방향 중간수위선; 213: 축방향 저수위선; 22: 좌단면의 홈타입 패턴; 221: 방사상 고수위선; 222: 방사상 중간수위선; 223: 방사상 저수위선; 23: 우단면의 홈타입 패턴; 231: 방사상 고수위선; 232: 방사상 중간수위선; 233: 방사상 저수위선

Claims (7)

  1. 베어링 외부 슬리브와 내부 슬리브를 포함하고, 상기 베어링 내부 슬리브의 외주면과 양단면에는 모두 규칙적인 형상의 홈타입 패턴이 있고, 상기 베어링 내부 슬리브의 일단면의 홈타입 패턴과 타단면의 홈타입 패턴은 미러 이미지로 대칭되고, 외주면의 홈타입 패턴의 축방향 윤곽선과 양단면의 홈타입 패턴의 방사상 윤곽선은 모두 일대일 대응하며 서로 교접하는 것을 특징으로 하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 내부 슬리브의 외주면의 홈타입 패턴 중의 축방향 고수위선과 양단면의 홈타입 패턴 중의 방사상 고수위선은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접하며; 외주면의 홈타입 패턴 중의 축방향 중간수위선과 양단면의 홈타입 패턴 중의 방사상 중간수위선은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접하교; 외주면의 홈타입 패턴 중의 축방향 저수위선과 양단면의 홈타입 패턴 중의 방사상 저수위선은 모두 서로 대응하고 단면 원주 챔퍼 앞에서 서로 교접하는 것을 특징으로 하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 홈타입 패턴은 임펠러 형상인 것을 특징으로 하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 내부 슬리브와 베어링 외부 슬리브의 매칭 간극은 0.003 내지 0.008mm인 것을 특징으로 하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 베어링 외부 슬리브의 양단에 스톱 링(stop ring)이 설치되는 것을 특징으로 하는 혼합식 동압력 기체 저널 베어링.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 베어링 외부 슬리브의 외주면에 동축의 통공과 오목홈이 있고, 상기 통공은 동축의 오목홈 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 베어링 외부 슬리브의 외주면에 동축의 통공과 오목홈이 있고, 상기 통공은 동축의 오목홈 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 홈타입 동압력 기체 저널 베어링.
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