모든 회전 기계의 축은 베어링이 지지하게 된다. 따라서 회전기계의 축을 지지하는 베어링의 성능은 회전기계의 운전 신뢰성을 높이는데 중요한 요소이며, 최근 들어 회전기계의 발전에 따라 더욱 극한의 환경에서 높은 안정성을 필요로 하는 베어링의 설계가 요구되고 있다. 유체 윤활 베어링 중 하나인 틸팅 패드 저널 베어링은 고속에서 우수한 안전성을 갖으며 이로 인해 회전기계의 고속 회전축 지지용 베어링으로 많이 사용되고 있다. 이는 베어링 ...
모든 회전 기계의 축은 베어링이 지지하게 된다. 따라서 회전기계의 축을 지지하는 베어링의 성능은 회전기계의 운전 신뢰성을 높이는데 중요한 요소이며, 최근 들어 회전기계의 발전에 따라 더욱 극한의 환경에서 높은 안정성을 필요로 하는 베어링의 설계가 요구되고 있다. 유체 윤활 베어링 중 하나인 틸팅 패드 저널 베어링은 고속에서 우수한 안전성을 갖으며 이로 인해 회전기계의 고속 회전축 지지용 베어링으로 많이 사용되고 있다. 이는 베어링 케이싱에 다수의 패드가 피봇으로 조립되며, 축 회전 시 각각의 패드가 독립적으로 틸팅되어 회전축을 지지하게 되므로 타 베어링에 비해 높은 안정성을 갖기 때문이다. 틸팅 패드 저널 베어링의 운전 한도에는 베어링 패드의 최대 온도, 완전한 유막 형성을 하기 위한 최소 유막 두께 등이 있으며 실제 운전 중 베어링이 파손되는 주요 요인으로는 패드의 온도 상승에 의한 베어링 메탈의 강도 저하이다. 이를 방지하기 위해서는 허용치 이내에서 베어링 패드의 최대 온도가 분포할 수 있도록 설계해야 한다. 틸팅 패드 저널 베어링에는 오일 유입부가 있는 패드와 패드 사이 그루브에서 복잡한 오일의 혼합과 함께 패드 메탈과 오일 간의 열 전달이 일어난다. 공급되는 신선한 오일과 이전 패드의 트레일링 엣지에서 나오는 뜨거운 오일이 혼합되어 다음 패드의 유막으로 유입되는데, 이 때 패드의 유막으로 유입되는 오일의 온도와 유량에 따라 패드 면의 냉각 성능이 달라지게 되며 이는 중요한 설계 변수가 된다. 현재 대부분의 유체 윤활 베어링의 유동 해석에는 단순화한 1-D, 2-D 레이놀즈 식과 에너지 식을 기반으로 하여 회전축과 패드 사이의 유막을 해석 영역으로 하여 진행되고 있다. 하지만 이러한 해석 방법에는 다양한 가정으로 인해 실리적이지만 베어링의 주요 변수 해석에 있어서 근사적인 접근으로 인한 제한성을 갖게 되며, 베어링 설계 결과는 실험 결과와 오차를 갖게 된다. 따라서 설계 단계에서 보다 정확한 베어링 성능 특성 확인을 위한 해석 방법을 필요로 한다. 본 연구에서는 틸팅 패드 저널 베어링에서 유막을 포함한 실제 모든 유로를 고려하여 3차원 점성 유동의 지배방정식인 Navier-Stokes식의 해를 구하는 CFD 해석을 통해 틸팅 패드 저널 베어링에서 열 및 유동 특성을 해석하였다. 실제와 가까운 유체-고체 복합열전달을 고려한 계산을 통해 유체만을 해석 영역으로 한 결과와 비교하여 실제 운전시 베어링 주요 위치의 온도, 압력, 유량 등을 예측하였고, 이를 실험값과 비교하여 보다 정확한 베어링 성능 특성 확인을 위한 해석 방법을 확립하였다. 또한, 유막 외로 흐르는 패드와 케이싱 사이의 우회 유로와 함께 유체-고체 복합열전달을 고려하여 실제에 가까운 3차원 CFD 해석을 통해 유막과 오일 공급부만을 고려한 기존의 hot oil carry over factor 정의를 바탕으로 3차원 해석을 통해 알 수 있는 패드의 유막, 우회유로, 측면 출구부에서의 온도와 유량을 모두 고려한 새로운 hot oil carry over factor를 제안하여 이를 수치계산 결과에 적용하였다.
모든 회전 기계의 축은 베어링이 지지하게 된다. 따라서 회전기계의 축을 지지하는 베어링의 성능은 회전기계의 운전 신뢰성을 높이는데 중요한 요소이며, 최근 들어 회전기계의 발전에 따라 더욱 극한의 환경에서 높은 안정성을 필요로 하는 베어링의 설계가 요구되고 있다. 유체 윤활 베어링 중 하나인 틸팅 패드 저널 베어링은 고속에서 우수한 안전성을 갖으며 이로 인해 회전기계의 고속 회전축 지지용 베어링으로 많이 사용되고 있다. 이는 베어링 케이싱에 다수의 패드가 피봇으로 조립되며, 축 회전 시 각각의 패드가 독립적으로 틸팅되어 회전축을 지지하게 되므로 타 베어링에 비해 높은 안정성을 갖기 때문이다. 틸팅 패드 저널 베어링의 운전 한도에는 베어링 패드의 최대 온도, 완전한 유막 형성을 하기 위한 최소 유막 두께 등이 있으며 실제 운전 중 베어링이 파손되는 주요 요인으로는 패드의 온도 상승에 의한 베어링 메탈의 강도 저하이다. 이를 방지하기 위해서는 허용치 이내에서 베어링 패드의 최대 온도가 분포할 수 있도록 설계해야 한다. 틸팅 패드 저널 베어링에는 오일 유입부가 있는 패드와 패드 사이 그루브에서 복잡한 오일의 혼합과 함께 패드 메탈과 오일 간의 열 전달이 일어난다. 공급되는 신선한 오일과 이전 패드의 트레일링 엣지에서 나오는 뜨거운 오일이 혼합되어 다음 패드의 유막으로 유입되는데, 이 때 패드의 유막으로 유입되는 오일의 온도와 유량에 따라 패드 면의 냉각 성능이 달라지게 되며 이는 중요한 설계 변수가 된다. 현재 대부분의 유체 윤활 베어링의 유동 해석에는 단순화한 1-D, 2-D 레이놀즈 식과 에너지 식을 기반으로 하여 회전축과 패드 사이의 유막을 해석 영역으로 하여 진행되고 있다. 하지만 이러한 해석 방법에는 다양한 가정으로 인해 실리적이지만 베어링의 주요 변수 해석에 있어서 근사적인 접근으로 인한 제한성을 갖게 되며, 베어링 설계 결과는 실험 결과와 오차를 갖게 된다. 따라서 설계 단계에서 보다 정확한 베어링 성능 특성 확인을 위한 해석 방법을 필요로 한다. 본 연구에서는 틸팅 패드 저널 베어링에서 유막을 포함한 실제 모든 유로를 고려하여 3차원 점성 유동의 지배방정식인 Navier-Stokes식의 해를 구하는 CFD 해석을 통해 틸팅 패드 저널 베어링에서 열 및 유동 특성을 해석하였다. 실제와 가까운 유체-고체 복합열전달을 고려한 계산을 통해 유체만을 해석 영역으로 한 결과와 비교하여 실제 운전시 베어링 주요 위치의 온도, 압력, 유량 등을 예측하였고, 이를 실험값과 비교하여 보다 정확한 베어링 성능 특성 확인을 위한 해석 방법을 확립하였다. 또한, 유막 외로 흐르는 패드와 케이싱 사이의 우회 유로와 함께 유체-고체 복합열전달을 고려하여 실제에 가까운 3차원 CFD 해석을 통해 유막과 오일 공급부만을 고려한 기존의 hot oil carry over factor 정의를 바탕으로 3차원 해석을 통해 알 수 있는 패드의 유막, 우회유로, 측면 출구부에서의 온도와 유량을 모두 고려한 새로운 hot oil carry over factor를 제안하여 이를 수치계산 결과에 적용하였다.
The rotating shaft of all rotating machines are supported by bearings. Therefore, the performance of the bearing supporting the shaft of the rotating machine is an important factor for enhancing the reliability of operation of the rotating machine. Recently, as the rotating machine is developed, the...
The rotating shaft of all rotating machines are supported by bearings. Therefore, the performance of the bearing supporting the shaft of the rotating machine is an important factor for enhancing the reliability of operation of the rotating machine. Recently, as the rotating machine is developed, the design of the bearing requiring high stability in a more extreme environment is required. Tilting pad journal bearings, one of the fluid lubrication bearings, have excellent safety at high speed and are therefore widely used as bearings for supporting the high rotational axis of a rotating machine. This is because of the bearing pads are assembled with bearing casing by pivot, and when the shaft rotates, each pad tilts independently to support the rotating machine, so that it has higher stability than the other bearings. The operating limits of the tilting pad journal bearings include the maximum temperature of the bearing pad and the minimum film thickness to form a complete oil film. The main cause of the bearing failure during operation is the decrease in the strength of the bearing metal due to the temperature rise of the pad. In order to prevent this, the maximum temperature of the bearing pad should be designed to be distributed within the tolerance. The tilting pad journal bearing has heat transfer between the pad metal and the oil along with the complex mixing of oil in the grooves between the pads with the oil inlet. The supplied fresh oil is mixed with the hot oil from the trailing edge of the previous pad, and then flows into the oil film of the next pad. The cooling performance of the pad surface varies depending on the temperature and flow rate of the oil flowing into the oil film of the pad. This is an important design variable. Currently, the flow analysis of most fluid lubricated bearings is based on the simplified 1-D, 2-D Reynolds equation and the energy equation, and the oil film between the rotating shaft and the pad is being analyzed. However, this analysis method is efficient due to various assumptions, but it has limitations due to the approximate approach in the analysis of the main variables of the bearing. and the bearing design result has an error with the experimental result. Therefore, it is necessary to analyze the bearing performance characteristics more accurately at the design stage. In this study, the heat and flow characteristics of a tilting pad journal bearing were analyzed by CFD analysis of Navier-Stokes equation, which is the governing equation of three-dimensional viscous flow, considering all the actual flow paths including oil film in tilting pad journal bearings. Compared with the fluid domain analysis results and the fluid - solid conjugate heat transfer calculation results as the actual operating condition, the temperature, pressure, and flow rate of the bearing were predicted. The analytical method for confirming the bearing performance characteristics was established by comparing with the experimental results. Based on the definition of existing hot oil carry over factor considering only oil film and oil supply part, the new hot oil carry over factor was proposed which the temperature and flow rate at the oil film, oil bypass through pad and casing, side leakage are considered.
The rotating shaft of all rotating machines are supported by bearings. Therefore, the performance of the bearing supporting the shaft of the rotating machine is an important factor for enhancing the reliability of operation of the rotating machine. Recently, as the rotating machine is developed, the design of the bearing requiring high stability in a more extreme environment is required. Tilting pad journal bearings, one of the fluid lubrication bearings, have excellent safety at high speed and are therefore widely used as bearings for supporting the high rotational axis of a rotating machine. This is because of the bearing pads are assembled with bearing casing by pivot, and when the shaft rotates, each pad tilts independently to support the rotating machine, so that it has higher stability than the other bearings. The operating limits of the tilting pad journal bearings include the maximum temperature of the bearing pad and the minimum film thickness to form a complete oil film. The main cause of the bearing failure during operation is the decrease in the strength of the bearing metal due to the temperature rise of the pad. In order to prevent this, the maximum temperature of the bearing pad should be designed to be distributed within the tolerance. The tilting pad journal bearing has heat transfer between the pad metal and the oil along with the complex mixing of oil in the grooves between the pads with the oil inlet. The supplied fresh oil is mixed with the hot oil from the trailing edge of the previous pad, and then flows into the oil film of the next pad. The cooling performance of the pad surface varies depending on the temperature and flow rate of the oil flowing into the oil film of the pad. This is an important design variable. Currently, the flow analysis of most fluid lubricated bearings is based on the simplified 1-D, 2-D Reynolds equation and the energy equation, and the oil film between the rotating shaft and the pad is being analyzed. However, this analysis method is efficient due to various assumptions, but it has limitations due to the approximate approach in the analysis of the main variables of the bearing. and the bearing design result has an error with the experimental result. Therefore, it is necessary to analyze the bearing performance characteristics more accurately at the design stage. In this study, the heat and flow characteristics of a tilting pad journal bearing were analyzed by CFD analysis of Navier-Stokes equation, which is the governing equation of three-dimensional viscous flow, considering all the actual flow paths including oil film in tilting pad journal bearings. Compared with the fluid domain analysis results and the fluid - solid conjugate heat transfer calculation results as the actual operating condition, the temperature, pressure, and flow rate of the bearing were predicted. The analytical method for confirming the bearing performance characteristics was established by comparing with the experimental results. Based on the definition of existing hot oil carry over factor considering only oil film and oil supply part, the new hot oil carry over factor was proposed which the temperature and flow rate at the oil film, oil bypass through pad and casing, side leakage are considered.
주제어
#유체 윤활 베어링 틸팅 패드 저널 베어링 유체-고체 복합열전달CFD 온도 예측 Fluid lubricated bearing Tilting pad journal bearing Fluid-Solid conjugate heat transfer CFD Temperature prediction Hot oil carry over factor
학위논문 정보
저자
임의진
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
엔지니어링융합학과
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발행연도
2019
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유체 윤활 베어링 틸팅 패드 저널 베어링 유체-고체 복합열전달CFD 온도 예측 Fluid lubricated bearing Tilting pad journal bearing Fluid-Solid conjugate heat transfer CFD Temperature prediction Hot oil carry over factor
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