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문제 정의
- 본 연구에서는 LBP형 4패드 틸팅패드 저어널베어링 의 패드 fluttering의 진동특성, 즉 공급윤활유, 부하하 중 그리고 속도 변동에 따른 패드의 fluttering 진동주 파수, 진동진폭, 초기 fluttering 발생속도(incipient pad fluttering velocity) 그리고 발생원인 등을 실험적으로 규명함으로써 fluttering이 발생되지 않는 베어링 즉, anti-fluttering 틸팅패드 저어널베어링을 개발하는데 필요한 운전 및 설계자료를 제시코자 한다.
- 그러나 패드 fluttering의 진동주파수는 여러가지 운전 및 설계변수 등에 의해서 다양한 진 동주파수를 가질 수 있을 것으로 예상되며, 경우에 따라서는 oil whip의 경우에 해당하는 진동주파수도 가질 수 있을 것으로 사료된다. 이와 관련된 연구내용 중의 하나로서 패드의 표면에 가속도 센서를 설치하여 보다 정확한 패드의 fluttering 진동현상을 규명코자 하며, 패드의 fluttering을 발생시키는 원인을 포함한 연구를 보완하여 후에 그 결과를 제시코자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 패드의 fluttering 진동특성을 실험적으로 규명하기 위하여 저어널면에 설치되어 있는 변위 센서는 디지털 오실로스코프를 이용하여 파형을 분석하고, 베어링 케이싱에 수평 및 수직방향으로 설치되어 있는 변위센서는 FFT analyzer를 이용하여 주파수 분석을 하였다. 그리고 축의 회전속도는 디지털 타코 메타를 이용하여 측정하였다.
- 베어링 케이싱에 와전류형 비접촉식 변위센서 2개를 서로 90°의 각도로 즉, 수평 및 수직방향으로 설치하여 운전 중에 저어널과 베어링과의 상대운동을 측정함으로써 패드의 fluttering 진동, 로터-베어링계의 위험속 도(critical speed), 축의 궤적 및 편심율 등을 측정할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 축의 회전속도(N), 공급유량(0), 부하 하중(W(_) 등의 변화에 따른 패드의 fluttering 진동특성 변화를 실험적으로 규명하기 위해 다음과 같은 실험조건을 설정하고 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 패드의 fluttering 진동특성을 실험적으로 규명하기 위하여 저어널면에 설치되어 있는 변위 센서는 디지털 오실로스코프를 이용하여 파형을 분석하고, 베어링 케이싱에 수평 및 수직방향으로 설치되어 있는 변위센서는 FFT analyzer를 이용하여 주파수 분석을 하였다. 그리고 축의 회전속도는 디지털 타코 메타를 이용하여 측정하였다.
- 1 패드의초기 fluttering 발생속도 (incipient pad fluttering velocity)^ 훨씬 이전의 속도에서부터 발생하였다. 본 연구에서는 패드의 초기 fluttering 발생속도 및 fluttering성장정도 등을 규명하는 방법으로써 위에서 설명한 방법을 이용하였다.
- 아울러 베어링 예압(preload)의 관점에서 이론해석을 통하여 spragging 방지할 수 있는 유효 예압치를 제시하였다 [4].
- 원주방향으로의 유막압력, 유막두께 및 저어널 표면의 온도를 측정하기 위하여 저어널면의 중앙에 원주방 향으로 압력센서, 변위센서 및 열전대를 각각 1개씩 설치하였다. 압력센서와 변위센서 사이에는 180°의 위 상차가 있다.
- 유체윤활 틸팅패드 저어널베어링에 대한 패드 flu- tlering의 진동특성을 실험적으로 규명하고, anti-flut- tering 틸팅패드 저어널베어링을 개발하기 위한 유용한 데이터를 확보하기 위하여 실험장치를 설계/제작하고, 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 2는 실험장치의 개략도를 보여주는 사진이다. 본 실험장치는 시험베어링, 축과 저어널, 하중인가장치 , 동력전달장치 , 윤활유공급장치 , 신호처리장치, 그리고 유압가진장치 등으로 구성되어 있다.
- 신호처리장치로는 각종 센서(압력센서, 변위센서, 열 전대 등) 및 앰프, 전압공급장치, 디지털 타코메터, 슬 립링, 데이터저장장치, 디지털 오실로스코프, 그리고 PC 둥으로 구성되어 있다. 저어널에 설치된 압력센서, 변위센서 및 열전대로부터 감지되는 전기적 신호는 슬립링을 통하여 외부로 검출되게 하였다.
성능/효과
- 1. 패드 fluttering 진동주파수는 회전속도가 증가하여도 거의 일정한 sub-synchronous 주파수로 진동하며, 진동진폭은 회전속도가 증가함에 따라 크게 성장하는 자려진동 현상을 보인다.
- 2. 적절한 공급유량이 제공될 경우 패드의 fluttering은 로터-베어링계의 1차 위험속도를 통과하는 경우에도 발생하지 않았다. 이 실험결과로부터 패드의 flu ttering 발생원인은 축진동의 크기와는 무관함을 보였다.
- 3. 패드의 초기 fluttering 발생속도는 공급유량이 감소할수록, 부하하중이 클수록 낮은 속도에서 발생하며, 공급유량이 증가할수록, 부하하중이 작을수록 높은 속도에서 발생한다.
- 4. 패드의 fluttering이 급격히 성장한 경우라도 공급 유량을 증가시키면 패드의 fluttering 현상은 없어진다. 즉, 적절한 공급유량의 조절을 통해서 패드의 flu ttering 현상을 효과적으로 제어할 수 있음을 보였다.
- 5. 부하지지하중이 작은 경우 즉, 부하하중이 작아질수록 패드의 fluttering에 의한 진동은 로터-베어링계의 과대진동을 유발시킬 수 있으며 부하지지하중이 큰 경우 즉, 부하하중이 크게 될수록 패드의 fluttering에 의한 로터-베어링계의 과대진동 가능성은 작아지지만, 패드의 초기 fluttering 발생속도는 점점 낮아진다.
- 그리고 패드 fluttering에 의한 진동진폭을 살펴보면, 최대진동진폭이 약 65.5㎛로써 1차 위험속도에서의 진동진폭인 87.9㎛에 비해 약 75%에 해당되는 큰 진동을 하고 있음을 알 수 있다. 다시 말하면 패드 fluttering에 의해서 발생하는 진동은 로터-베어링계의 과대진동을 유발시킬 수 있는 하나의 요인이 될 수 있을 것으로 사료된다.
- 5(b)에서 보여지는 이 sub-synchr onous 주파수 성분들이 패드의 fluttering에 의한 진동 주파수 성분임을 알 수 있었다. 다시 말하면 회전속도 의 증가에 따라 각 패드들의 fluttering이 성장하는 경우에는 sub-synchronous 주파수 성분도 동시에 성장하고, 회전속도를 감소함에 따라 각 패드들의 fluttering이 없게 되는 경우에는 이 sub-synchronous 주파수성분들도 동시에 없어짐을 확인하였다.
- 바로 이 sub-synchronous 주파수 성분들이 패드의 fluttering 진동주파수 성분이다. 본 연구에서는 디지털 오실로스코프를 이용한 각 패드들의 파형분석과 FFT analyzer를 이용한 로터-베어링계의 주파수 분석을 동시에 수행하여 Fig. 5(b)에서 보여지는 이 sub-synchr onous 주파수 성분들이 패드의 fluttering에 의한 진동 주파수 성분임을 알 수 있었다. 다시 말하면 회전속도 의 증가에 따라 각 패드들의 fluttering이 성장하는 경우에는 sub-synchronous 주파수 성분도 동시에 성장하고, 회전속도를 감소함에 따라 각 패드들의 fluttering이 없게 되는 경우에는 이 sub-synchronous 주파수성분들도 동시에 없어짐을 확인하였다.
- 1 패드의 초기 fluttering의 발생속도에 대한 실험결과를 보여주고 있다. 이 실험결과로부터 패드의 fluttering은 공급 유량이 감소할수록 낮은 속도에서 발생하며 공급유량 이 증가될수록 높은 속도에서 발생함을 알 수 있다.
- 적절한 공급유량이 제공될 경우 패드의 fluttering은 로터-베어링계의 1차 위험속도를 통과하는 경우에도 발생하지 않았다. 이 실험결과로부터 패드의 flu ttering 발생원인은 축진동의 크기와는 무관함을 보였다.
- 1 패드의 초기 fluttering 발생속도를 측정한 결과를 보여주고 있다. 이 실험결과로부터 패드의 초기 fluttering 발생속 도는 공급유량은 증가할수록, 편심율은 작아질수록 높은 속도에서 발생함을 알 수 있다.
- 패드의 fluttering이 급격히 성장한 경우라도 공급 유량을 증가시키면 패드의 fluttering 현상은 없어진다. 즉, 적절한 공급유량의 조절을 통해서 패드의 flu ttering 현상을 효과적으로 제어할 수 있음을 보였다.
후속연구
- 6. 본 연구를 통하여 얻어진 실험결과는 유체윤활 틸 팅패드 저어널베어링의 패드 fluttering에 관한 진동 특 성을 이해하고, 이를 이용한 anti-fluttering 틸팅패드 저어널베어링을 개발하는데 필요한 참고자료로서 매우 유용할 것으로 기대된다.
- 8그리고 Table 1의 실험결과는 적절한 공급유량의 조절을 통해서 패드의 fluttering 현상을 효과적으로 제어할 수 있음을 보였다. 그러나 이 현상에 대한 보다 정확한 규명을 위해서는 보다 많은 실험과 관련 메커니즘 연구가 필요하며, 향후 연구를 보완하여 결과를 논하고자 한다.
- 28X 정도인 sub-synchronous 주파수로서 이와는 다름을 알 수 있다. 그러나 패드 fluttering의 진동주파수는 여러가지 운전 및 설계변수 등에 의해서 다양한 진 동주파수를 가질 수 있을 것으로 예상되며, 경우에 따라서는 oil whip의 경우에 해당하는 진동주파수도 가질 수 있을 것으로 사료된다. 이와 관련된 연구내용 중의 하나로서 패드의 표면에 가속도 센서를 설치하여 보다 정확한 패드의 fluttering 진동현상을 규명코자 하며, 패드의 fluttering을 발생시키는 원인을 포함한 연구를 보완하여 후에 그 결과를 제시코자 한다.
- 따라서 대형 터빈과 같이 고속, 고하중 하에서 운전되고 있는 회전기계 시스템의 운전효율을 높이고, 안정성을 향상시키기 위해서는 동 베어링에 대한 운전특성 을 정확하게 예측할 수 있는 기술 뿐만 아니라 운전 중에 발생하는 각종 베어링의 손상 둥과 같은 문제점을 규명하고 이를 방지할 수 있는 운전 및 설계기술을 개발하는 것이 필요하다.
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