KR100600668B1

KR100600668B1 - 다공성 포일을 갖는 공기 포일 베어링

Info

Publication number: KR100600668B1
Application number: KR1020040083186A
Authority: KR
Inventors: 이용복; 김창호; 조준현; 류근
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: US20080310778A1; JP2008517238A; KR20060034054A; CN100516568C; WO2006043736A1; CN101044332A

Abstract

베어링 하우징, 제1 단부가 상기 베어링 하우징에 대해 고정되고 제2 단부가 자유단을 형성하며 회전축의 외면과의 사이에 공기윤활막을 두고 상기 회전축 외주를 따라 연장되는 제1 포일, 그리고 상기 제1 포일과 상기 베어링 하우징 사이에서 상기 제1 포일을 따라 연장되고 다공질 형상을 가지며 탄성 변형 가능한 재료로 된 제2 포일을 포함하며, 상기 회전축의 회전시 상기 공기윤활막의 압력 증가에 의해 상기 제1 포일이 상기 베어링 하우징을 향해 탄성 변형되고, 상기 제2 포일은 상기 제1 포일의 변형에 의해 탄성 압축 변형되고, 압축 변형에 대한 상기 기공 내의 공기 저항에 의해 상기 회전축의 진동이 감쇠되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링이 제안된다.

포일, 베어링, 다공성, 진동, 감쇠, 칩, 금속

Description

다공성 포일을 갖는 공기 포일 베어링{AIR FOIL BEARING HAVING A POROUS FOIL}

도 1은 종래기술에 따른 공기 포일 베어링의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 다공성 포일을 갖는 공기 포일 베어링의 단면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 사용되는 포일들의 감쇠 기능을 설명하기 위한 개략 단면도로서, 도 3a는 포일이 변형되기 전 상태를 나타내고, 도 3b는 포일이 변형된 후 상태를 나타내는 도.

도 4는 본 발명의 금속 칩을 이용하여 성형한 다공성 포일을 갖는 베어링과 종래기술의 범프 포일 베어링을 터보 시스템에 적용하여 실시한 슈퍼벤딩 오퍼레이션 실험에서의 제진 효과를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2a: 베어링 하우징

2b: 심포일

2c: 다공성 포일

2d: 탑포일

2f: 회전축

2g: 공기 윤활막

2h: 핀

본 발명은 고속 회전기기 예를 들면, 항공기용 공조 시스템의 핵심부품인 ACM(air cycle machine) 등의 회전체를 지지하기 위한 공기 포일 베어링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 다공성 금속 재료의 포일을 사용하여 진동 감쇠능력을 향상시킴으로써 지지된 회전체의 최고 회전수를 보다 상승시킬 수 있는 공기 포일 베어링에 관한 것이다.

박막 형태의 포일(foil)은 윤활 매체인 공기의 동적(hydrodynamic) 특성을 이용하여 고속으로 회전하는 회전축의 축 하중을 지지한다. 고속의 회전체로서는 항공기용 보조동력장치(APU)나 공기조화시스템(ACM) 등을 들 수 있다. 이와 같은 포일 저널 베어링의 형태는 일반적인 공기 베어링의 형태와 유사하나 저널과 베어링 사이에 범프 포일을 포함한 탄성을 갖는 얇은 포일이 삽입되어 부가적인 강성 및 감쇠를 제공하는 것이 다르다. 포일은 일반적으로 0.1~0.3 mm 두께 내외의 매우 얇은 박판으로 고속 회전하는 축과의 접촉으로 인한 마모(wear)를 방지하기 위하여 일반적으로 코팅물질을 통하여 내마모성을 증대시킨구성을 갖는다.

일반적으로 포일 저널 베어링은 운전 시동 시와 종료 시 축과 베어링과의 불안정한 접촉으로 인한 마모가 발생한다. 따라서 이에 대한 내구성 설계와 아울러 하중지지 능력의 향상 그리고 부가적인 감쇠 성능 향상이 최근의 연구의 초점이 되어 왔다. 이와 같은 연구의 궁극적인 목표는 700°C 이상의 고온 환경에서 무급유 상태로 지지력을 제공할 수 있는 베어링의 개발이라고 할 수 있다.

공기 포일 베어링의 진동 감쇠 메커니즘은 주로 윤활제와 하우징 내면에 설치된 포일이 갖고 있는 탄성력에 의존한다.

도 1에는 종래기술에 따른 공기 포일 베어링이 도시되어 있다.

도시된 공기 포일 베어링은 회전축(1f) 주위에 3개의 포일층을 갖고 있다. 즉, 회전축(1f)에 가까운 곳으로부터 탑포일(1d), 범프 포일(1c) 및 심포일(1b)이 배치되어 있다. 각 포일(1d, 1c, 1b)은 스테인레스 강 재질로 되어 있다. 각 포일(1d, 1c, 1b)의 일단은 핀(1h)에 의해 베어링 하우징(1a) 내면에 고정되고, 타단은 대략 하우징 내면 형상을 따라 연장되어 자유단을 형성한다. 각 포일(1d, 1c, 1b)의 면은 코팅 처리를 하여 마찰을 높일 수 있도록 되어 있다.

탑포일(1d)은 회전축(1f)과 공기 윤활막(1g)을 사이에 두고 배치되는 포일이고, 범프 포일(1c)은 자체의 강성이 높아 회전축 하중 지지능력을 향상시키기 위해 설치되는 것으로 회전축(1f)의 회전에 의해 동압이 발생하면 원주방향으로 변형되어 하중을 지지한다. 심포일(1b)은 하우징(1a) 내면에 설치되어 표면을 보호하면서 범프 포일(1c)과 마찰작용을 일으킨다.

상술한 다수의 포일은 공기 포일 베어링 내부에서 회전축(1f)이 회전할 때 발생하는 진동을 감쇠시키는 기능을 한다. 즉, 각 포일이 가지고 있는 자체의 탄성과, 회전축의 고속 회전시 작용하는 동압에 의해 각 포일이 서로 밀착되어 원주 방향으로 상대운동함에 따라 발생하는 쿨롱 마찰력이 회전축 진동시의 에너지를 소 산시켜 진동을 감쇠시키게 된다.

그러나, 도시된 종래기술의 공기 포일 베어링은 에너지 소산 메커니즘이 매우 약하여 진동 감쇠능력이 부족하다. 특히, 각 포일에 코팅처리를 하여 증가된 쿨롱 마찰력은 진동이 소정의 한계점을 넘게되면 오히려 감쇠능력이 떨어진다.

공기 포일 베어링에서의 이러한 감쇠능력의 부족 혹은 감소는 곧바로 회전체의 지지 불가 혹은 물리적 충격에 의한 부품 파손으로 이어질 수 있다. 예를 들면 시스템 공진과 같은 외란이 발생하면 감쇠 능력이 부족한 베어링은 회전축의 진동을 수용하지 못해 베어링 고유의 지지 가능 회전수에 훨씬 못미치는 회전수 상태임에도 불구하고 더 이상 회전축 지지를 수행할 수 없는 상태가 되어버린다.

또한, 공기 포일 베어링의 감쇠능력이 부족하면 베어링이 지지할 수 있는 회전체의 최고 회전수가 그 만큼 낮아지게 된다. 따라서, 도시된 종래기술의 공기 포일 베어링은 고속 회전을 필요로 하는 터보 시스템에서 그 성능을 제대로 발휘하기 힘들다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 지지되는 회전체의 진동을 감쇠시키는 구조를 개선하여 회전체가 보다 높은 회전수까지 회전할 수 있게 하는 공기 포일 베어링을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 목적 및 또 다른 목적은 베어링 하우징, 제1 단부가 상기 베어링 하우징에 대해 고정되고 제2 단부가 자유단을 형성하며 회전축의 외면과의 사이에 공기윤활막을 두고 상기 회전축 외주를 따라 연장되는 제1 포일, 그리고 상기 제1 포일과 상기 베어링 하우징 사이에서 상기 제1 포일을 따라 연장되고 다공질 형상을 가지며 탄성 변형 가능한 재료로 된 제2 포일을 포함하며, 상기 회전축의 회전시 상기 공기윤활막의 압력 증가에 의해 상기 제1 포일이 상기 베어링 하우징을 향해 탄성 변형되고, 상기 제2 포일은 상기 제1 포일의 변형에 의해 탄성 압축 변형되고, 압축 변형에 대한 상기 기공 내의 공기 저항에 의해 상기 회전축의 진동이 감쇠되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링을 제공하여 달성될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 공기 포일 베어링의 단면도가 도 2에 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 공기 포일 베어링은 베어링 하우징(2a), 탑포일(2d), 다공성 포일(2c) 및 심포일(2b)로 구성된다.

탑포일(2d)은 회전축(2f)과의 사이에 공기 윤활막(2g)을 두고 위치하는 것으로 베어링 하우징(2a) 내에서 최내측에 위치하는 포일이다. 탑포일(2d)의 상면, 즉, 회전축(2f)을 향한 면에는 고체 윤활 코팅면(도시되지 않음)이 형성되어 회전축(2f)의 시동 및 정지 시 회전축(2f)과의 마찰을 최소화하도록 되어 있다. 공기 포일 베어링에서의 포일 사이의 마찰력 증가를 위한 이러한 코팅 처리는 많은 기술이 공지되어 있으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.

탑포일(2d)의 일단은 핀(2h)에 의해 베어링 하우징(2a) 내면에 고정되고, 타단은 자유단으로 되어 있다.

본 발명의 핵심 부재인 다공성 포일(2c)은 금속 재료로 된 포일로서, 탑포일(2d)하부에 설치된다. 다공성 포일(2c)은 재료가 갖는 강성(stiffness) 특성 및 구조적 감쇠(structural damping)특성과, 기공의 기하학적인 저항 특성으로 고온 공기의 누수를 감소시켜서 포일 내부에서 공기에 대한 부가적 감쇠 효과를 발생하켜 에너지 소산을 크게 하는 스퀴즈(squeeze) 원리를 이용하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 다공성 포일(2c)은 금속 칩을 가공하여 형성된다. 따라서, 다공성 포일(2c)은 다수의 기공이 형성된 다공질 형상을 가지게 된다. 칩 재료로서는 동적 혹은 정적 힘을 가했을 때 탄성변형과 함께 충격을 흡수 할 수 있는 특성을 갖는 재료가 사용될 수 있는데, 탄성에 따른 복원력이 우수한 인코넬(Inconel) 계열의 스프링강 이나 혹은 충격 흡수에 좋은 주철 계열이 바람직하다. 실험을 통해, 이와 같은 재료의 특성은 상온에서 뿐만 아니라 고온에서의 공기 감쇠 효과에 중요한 영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 칩 포일은 핫 플레이트(Hot Plate)를 사용하여 일정 이상의 열과 압력 하에서 압착 몰딩되어 형성된다. 즉, 베어링의 크기를 고려한 크기의 암수 형태의 2개의 형틀을 준비하고, 여기에 칩 포일용 재료(인코넬 718)를 넣고, 핫 플레이트 장비를 이용하여 고온, 고압상태를 장시간 유지하여 칩 포일을 형성한다.

다공성 포일(2c)의 하면, 즉, 심포일(2b)을 향하는 면에는 마찰력을 증가시키기 위해 언급한 바와 같은 코팅 처리를 할 수도 있다.

심포일(2b)은 베어링 하우징(2a) 내면과 다공성 포일(2c)의 하면 사이에 설치된다. 심포일(2b)의 상면, 즉, 다공성 포일(2c)을 향하는 면에는 다공성 포일(2c)과의 상대 운동 시 마찰력을 높이기 위한 코팅 처리가 되어 있다.

상술한 탑포일(2d), 다공성 포일(2c) 및 심포일(2b)은 베릴륨 카퍼(Beryllium copper), 스테인레스 강 혹은 인코넬(inconel) 계열의 강으로 제조되는 것이 바람직하며, 핀(2h)에 의해 그 일단이 베어링 하우징(2a) 내면에 고정된다. 상술한 포일들의 반대단부는 자유단으로 되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 포일 베어링은 3개의 포일층을 갖는 것으로 기술하였지만, 본 발명의 특징이 이것으로 한정되지는 않는다. 예를 들면, 심포일(2b)과 다공성 포일(2c) 사이에 범프 포일을 삽입하는 구성도 가능하며, 심포일(2b) 대신 범프 포일을 사용하는 것도 가능하다. 베어링 하우징(2a)의 내면 파손의 염려가 없고 진동 감쇠 성능이 충분한 경우 심포일(2b)은 사용하지 않아도 무방하다. 범프 포일과 다공성 포일(2c)을 함께 사용하는 경우에도 향상된 제진효과를 얻을 수 있는 것으로 판명되었다.

이와 같이 구성된 공기 포일 베어링의 동작을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 심포일(2b)이 없는 경우를 예로 하여 설명한다.

매끄러운 탑포일(2d) 상면에 위치된 회전축(2f)이 정지상태로부터 회전을 시작하면, 회전축(2f)이 부상하고 공기 윤활막(2g)에는 회전축(2f)의 반경방향 외측으로 동압이 작용한다. 이 때, 회전축(2f)의 회전이 진동이 적고 동압이 일정한 경우에는 도 3a에 도시한 바와 같이 다공성 포일(2c)을 포함한 각 포일은 그 변형량이 적고 각 포일면 사이의 마찰력 또한 크게 작용하지 않는다.

그러나, 도 3b에 도시한 바와 같이, 회전축(2f)의 진동에 의해 큰 압력이 포일면에 작용하게 되면, 모든 포일(2c, 2d)은 자체적으로 탄성 변형된다. 즉, 탑포일(2d) 및 다공성 포일(2c)은 그 두께가 작아지게 되어 원주와 축 방향으로 변형되면서 그 높이가 낮아진다. 또한, 각 포일 사이의 접촉면은 진동에 의한 압력이 작 용한 상태에서 마찰력이 발생한다. 이때, 탑포일(2d)의 하면과 다공성 포일(2c)의 상면, 심 포일(2b)의 상면과 다공성 포일(2c)의 하면사이에서는 재료의 구조적 감쇠(structural damping) 특성 뿐만 아니라 칩포일의 기공에 대한 고온 공기의 누수 저항으로 공기에 대한 부가적 감쇠 효과가 발생하여 큰 에너지 소산이 일어난다.

이러한 탄성 변형 및 마찰력에 의한 에너지 소산은 진동에 의한 압력 변화를 보다 짧은 시간 안에 다른 형태의 에너지로 변환시킴으로써 진동에 대한 감쇠효과를 크게 한다.

도 4는 다공성 포일을 갖는 베어링과 종래기술의 범프 포일 베어링을 터보 시스템에 적용하여 실시한 슈퍼벤딩 오퍼레이션 실험에서의 제진 효과를 나타내는 그래프이다. 회전수(4a)는 공진이 발생하는 회전수 대략 30,000 RPM을 의미한다. 알 수 있는 바와 같이, 일반적인 공기 포일 베어링의 진폭 그래프(4b)와 본 발명의 다공성 포일을 사용한 베어링의 진폭 그래프(4c)가 공진 회전수 근처에서 큰 진폭의 차이를 나타냄을 알 수 있다.

한편, 실험을 통해, 이와 같은 다공성 포일(2c)의 상온 및 고온에서의 공기 감쇠 효과에 있어, 밀집율이 또한 중요한 영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다.

밀집율은 부피를 일정히 하였을 때 그에 따른 칩의 질량을 퍼센트로 나타낸 것으로, 종종 기공율로 대신되어지기도 한다.

밀집율= 1-[ (인코넬의 질량-칩의 질량)/단위 부피]

기공율 = 1- 밀집율

일반적으로 기공율에 따라 물성치가 변화하는 데 기공율이 높을수록, 칩 포 일의 밀집도가 낮아 단위 부피당의 질량이 가벼워진다.

실험에는, 일반적으로 스프링 강으로 활용되며 8510kg/m³정도의 밀도(density)를 갖는 인코넬 718을 1 마이크로미터 크기의 미세한 칩으로 가공한 후 이를 압착 성형하여 탑 포일과 동일한 크기로 형성하고 탑 포일 후면에 설치하여 수행되었다.

실험에 사용된 인코넬 718은 다음의 물성치를 갖는다.

최대 사용온도: 150℃, 탄성계수(Elastic Modulus): 3 x 10⁴ ~ 2 x 10⁷, 손실율(Loss Factor): 0.2 ~ 0.9

칩 포일은 0.45mm 의 두께를 가지며, 가진기를 이용해 측정된 강성계수 값과, 감쇠 계수 값이 각각 2.0~4.2×10⁵ 의 범위 및 2.0~2.7×10³ 의 범위를 가진다.

두 공기 포일 베어링의 규격은 다음과 같다.

회전축의 직경: 35mm

탑포일 두께: 0.1mm

다공성 포일의 두께: 0.45mm

범프 포일의 높이: 0.45mm

심포일의 두께: 0.076mm

공기 윤활막의 두께: 0.07mm

본 발명의 공기 포일 베어링은 다공성 포일을 구비함으로써, 그 감쇠 특성에 기인하여 고속 회전체를 포함하는 시스템의 진동에 있어 그 주기 및 진폭을 크게 개선할 수 있다. 또한, 종래기술에 따른 공기 포일 베어링과 비교하였을 때, 적용된 시스템이 진동 거동에 있어 보다 안정된 형태를 취하도록 하는 장점을 갖고 있다.

종래의 기술인 구조 감쇠에 의한 포일 베어링이 제한된 감쇠력을 갖고 설계 등을 전문가에 많이 의존하였던 반면, 본 발명의 다공성 포일 재료의 경우, 우수한 진동 감쇠 성능으로 적용성이 뛰어나고 공기의 부가적 감쇠효과로 뛰어난 제진능력을 가지며, 설계가 비교적 용이하다는 장점을 갖는다.

이러한 형태를 갖는 포일 베어링은 터빈부와 같은 고온 환경에 노출되는 베어링 등이 요구되는 가스 터빈이나 스팀 터빈의 베어링 뿐 만 아니라 극 저온 냉매용 회전기기의 베어링으로 활용 가능하고 특히 디젤 자동차 등에 사용되는 터보 과급기(turbo charger)와 같은 임계속도 이상의 고속 운전 범위를 갖는 시스템에도 적용이 가능하다. 특히, 기존의 오일 베어링에 비해 마찰이 적기 때문에, 과급기의 터보 래그(turbo lag) 현상을 보다 개선시킬 수 있다.

본 발명은 뛰어난 진동 감쇠 능력을 갖는 무급유 포일 베어링을 제공할 수 있다.

Claims

베어링 하우징,

제1 단부가 상기 베어링 하우징에 대해 고정되고 제2 단부가 자유단을 형성하며 회전축의 외면과의 사이에 공기윤활막을 두고 상기 회전축 외주를 따라 연장되는 제1 포일, 그리고

상기 제1 포일과 상기 베어링 하우징 사이에서 상기 제1 포일을 따라 연장되고 다공질 형상을 가지며 탄성 변형 가능한 재료로 된 제2 포일을 포함하며,

상기 회전축의 회전시 상기 공기윤활막의 압력 증가에 의해 상기 제1 포일이 상기 베어링 하우징을 향해 탄성 변형되고, 상기 제2 포일은 상기 제1 포일의 변형에 의해 탄성 압축 변형되고, 압축 변형에 대한 상기 기공 내의 공기 저항에 의해 상기 회전축의 진동이 감쇠되는 것을 특징으로 하는

공기 포일 베어링.
제1항에 있어서,

상기 제2 포일과 상기 베어링 하우징 사이에 위치하며 제1 단부가 상기 베어링 하우징에 대해 고정되고 제2 단부가 자유단을 형성하는 제3 포일을 더 포함하는 공기 포일 베어링.
제1항에 있어서,

상기 제2 포일과 상기 베어링 하우징 사이에 위치하며 제1 단부가 상기 베어링 하우징에 대해 고정되고 제2 단부가 자유단을 형성하는 범프 포일을 더 포함하는 공기 포일 베어링.
제2항에 있어서,

상기 제2 포일과 상기 제3 포일 사이에 위치하며 제1 단부가 상기 베어링 하우징에 대해 고정되고 제2 단부가 자유단을 형성하는 범프 포일을 더 포함하는 공기 포일 베어링.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 포일은 다공성을 갖도록 금속 칩을 압착 성형하여 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링.
제5항에 있어서,

상기 금속은 스프링강 및 주철을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 재료인 공기 포일 베어링.