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문제 정의
- 본 논문에서는 공기 포일베어링으로 지지되는 마이크로 가스터빈 엔진의 구동안정성 향상에 관한 연구를 수행 하였다. 공기 포일베어링은 고속영역에서 낮은 감쇠로 인하여 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
제안 방법
- 공기 포일베어링으로 지지되는 마이크로 가스터빈 엔진의 운전 특성을 파악하기 위한 실험 장치를 설계, 제작하였다. 구동 실험에 있어서 고온의 열로 인한 영향을 고려하지 않기 위해 실험 장치는 마이크로 가스터빈 엔진에서 연소기를 제거하고, 터빈입구에 상온의 압축공기를 공급하여 터빈에 지속적인 유량 공급을 하게 하는 일종의 터보차저의 구조로 설계 되었다.
- 공기 포일베어링으로 지지되는 마이크로 가스터빈 엔진의 운전 특성을 파악하기 위한 실험 장치를 설계, 제작하였다. 구동 실험에 있어서 고온의 열로 인한 영향을 고려하지 않기 위해 실험 장치는 마이크로 가스터빈 엔진에서 연소기를 제거하고, 터빈입구에 상온의 압축공기를 공급하여 터빈에 지속적인 유량 공급을 하게 하는 일종의 터보차저의 구조로 설계 되었다. Fig.
- 마이크로 가스터빈 엔진의 구동실험을 위한 마이크로 터보차저를 설계 및 제작하였다. 또한 기존 공기 포일베어링과 점탄성 공기 포일베어링을 가각 적용하여 구동실험을 수행하여서 실험 결과를 통해 추가적 감쇠성분이 초고속 로터의 구동 안정성 향상에 미치는 영향을 살펴보았다.
- 진동의 크기는 오실로스코프(oscilloscope)를 통하여 시각적으로 확인하였다. 또한 스펙트럼 분석기(FFT signal analyzer, Yokogawa DL1520)를 통하여 실험장치의 진동에 대한 주파수 성분을 분석 하였다. 모든 센서에서 나오는 출력은 시험 후 분석을 위하여 디지털 레코더(digital recorder,Sony SIR-1000)에 저장하였다.
- 탄성 구조물이 스프링처럼 작용하여 회전축을 지지하기 때문에 그 회전축을 둘러싼 탑 포일은 일반적인 공기 베어링 보다 넓은 범위에 걸쳐 극소 윤활 틈새를 유지할 수 있게 되고, 이에 따라 안정적인 회전이 가능하게 된다. 본 논문에서는 탄성 구조물로 범프 형상의 포일을 사용한다. 포일의 재료는 SUS301을 사용하였고, 범프 포일에는 쿨롱 감쇠를 증가시키기 위해 구리 코팅을 하였다.
- 본 논문에서는 탑 포일 뒷면에 점탄성 물질을 삽입하여 탄성 구조물에 추가적 감쇠를 준 점탄성 공기 포일베어링을 적용하였다. 점탄성 공기 포일베어링(viscoelastic air foil bearing)은 Lee(5)에 의해 처음 제시 되었으며, 감쇠성능이 기존의 범프 포일 베어링에 비하여 최대 80% 정도 향상된 결과를 보여주었다.
- 이는 센서의 출력범위인 0~5V에서 변위 변화에 대한전압의 변화를 선형적으로 유지시켜줄 뿐 아니라 2 mV/μm의 sensitivity 를 제공한다. 이러한 변위 센서로 회전축의 스러스트 칼라 윗부분에서 반경 방향의 변위를 측정하였고, 로터의 축 끝단 너트에 부분에서 축 방향 변위를 측정하였다. Fig.
- 공기 포일베어링은 고속영역에서 낮은 감쇠로 인하여 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이에 대한 해결책으로 탑포일 뒤에 점탄성 물질을 코팅하여 포일베어링에 추가적 감쇠를 준 점탄성 공기 포일베어링을 설계 및 제작하여 기존 공기 포일베어링과의 구동실험을 통해 성능을 비교하였다. 점탄성 공기 포일베어링과 기존 공기 포일베어링 각각에 대하여 구동실험을 한 결과, 점탄성 공기 포일 베어링의 증대된 감쇠 성능이 로터의 진동을 최대 50% 이상 줄였고, 비선형에 기인한 진동 성분을 효과적으로 제진하였다.
- 로터는 터빈, 압축기, 샤프트로 구성되었으며 중심에서 볼트와 너트로 체결된다. 조립 시각 부품의 동심을 일치시켜 주기 위해 임펠러와 축이 만나는 부분에 단을 지어 맞물리게 하였다.
- 진동의 크기는 오실로스코프(oscilloscope)를 통하여 시각적으로 확인하였다. 또한 스펙트럼 분석기(FFT signal analyzer, Yokogawa DL1520)를 통하여 실험장치의 진동에 대한 주파수 성분을 분석 하였다.
- 마이크로 가스터빈 엔진의 회전체 실험 장치는원심형 터빈(centrifugal type turbine)으로 구동되며, 축의 회전속도는 공기 터빈으로 유입되는 공기량을 통해 제어하였다. 터빈의 입구에 Mass flow meter (Bronkhorst, F-113AC-aAHD-55-V)를 설치하여 터빈에 공급해 주는 유량의 정도를 확인하였다. 회전축과 하우징의 상대변위는 philtec 사의 RC 20-Z모델인 fiber optic displacement sensor를 사용하였으며, 측정에서의 선형성을 확보하기 위해 출력 전압 범위에서 선형성을 유지할 수 있는 Z 센서 옵션을 채택하였다.
대상 데이터
- 압축기는 블레이드 6개, 스플리터(splitter) 6개 등 총 12개의 날개와 9개의 디퓨저 베인(diffuser vane) 으로 구성되었다. 고온 실험에서도 온도가 최대 200℃내에서 유지되므로 가공성이 좋고 터빈과 질량이 비슷한 SUS304로 제작되었다. 임펠러는 모두 5축 밀링 가공장비를 이용하여 자유 곡면형상을 가지는 블레이드로 정밀가공 되었다.
- 점탄성 공기 포일베어링(viscoelastic air foil bearing)은 Lee(5)에 의해 처음 제시 되었으며, 감쇠성능이 기존의 범프 포일 베어링에 비하여 최대 80% 정도 향상된 결과를 보여주었다. 마이크로 가스터빈 엔진의 구동실험을 위한 마이크로 터보차저를 설계 및 제작하였다. 또한 기존 공기 포일베어링과 점탄성 공기 포일베어링을 가각 적용하여 구동실험을 수행하여서 실험 결과를 통해 추가적 감쇠성분이 초고속 로터의 구동 안정성 향상에 미치는 영향을 살펴보았다.
- 마이크로 가스터빈 엔진의 회전체 실험 장치는원심형 터빈(centrifugal type turbine)으로 구동되며, 축의 회전속도는 공기 터빈으로 유입되는 공기량을 통해 제어하였다. 터빈의 입구에 Mass flow meter (Bronkhorst, F-113AC-aAHD-55-V)를 설치하여 터빈에 공급해 주는 유량의 정도를 확인하였다.
- 터빈은 7개의 블레이드(blade)와 12개의 노즐 베인(nozzle vane) 으로 이루어 져 있고,재질은 추후에 고온 실험을 대비하여 고온의 작동온도에서 재료적 특성이 좋은 Inconel718을 사용하였다. 압축기는 블레이드 6개, 스플리터(splitter) 6개 등 총 12개의 날개와 9개의 디퓨저 베인(diffuser vane) 으로 구성되었다. 고온 실험에서도 온도가 최대 200℃내에서 유지되므로 가공성이 좋고 터빈과 질량이 비슷한 SUS304로 제작되었다.
- 터빈과 압축기의 직경은 10mm이며, 구동속도(870,000 rpm)에서 브레이튼 사이클을 만족하도록 설계되었다. 터빈은 7개의 블레이드(blade)와 12개의 노즐 베인(nozzle vane) 으로 이루어 져 있고,재질은 추후에 고온 실험을 대비하여 고온의 작동온도에서 재료적 특성이 좋은 Inconel718을 사용하였다. 압축기는 블레이드 6개, 스플리터(splitter) 6개 등 총 12개의 날개와 9개의 디퓨저 베인(diffuser vane) 으로 구성되었다.
- 본 논문에서는 탄성 구조물로 범프 형상의 포일을 사용한다. 포일의 재료는 SUS301을 사용하였고, 범프 포일에는 쿨롱 감쇠를 증가시키기 위해 구리 코팅을 하였다. 탑 포일 윗면에는 초기 구동 시 구동토크를 감소시키기 위해 MoS2 코팅을 하였다.
이론/모형
- 터빈의 입구에 Mass flow meter (Bronkhorst, F-113AC-aAHD-55-V)를 설치하여 터빈에 공급해 주는 유량의 정도를 확인하였다. 회전축과 하우징의 상대변위는 philtec 사의 RC 20-Z모델인 fiber optic displacement sensor를 사용하였으며, 측정에서의 선형성을 확보하기 위해 출력 전압 범위에서 선형성을 유지할 수 있는 Z 센서 옵션을 채택하였다. 이는 센서의 출력범위인 0~5V에서 변위 변화에 대한전압의 변화를 선형적으로 유지시켜줄 뿐 아니라 2 mV/μm의 sensitivity 를 제공한다.
성능/효과
- 이러한 추가적 감쇠력은 고속에서 감쇠가 감소하여 외부 기진력에 취약한 포일베어링의 단점을 보완해준다. 따라서 초고속 구동의 터보기기에 점탄성 공기 포일베어링을 적용 시, 기존 공기 포일베어링에서 구동안정성의 향상을 가져올 것이다. 본 논문에서는 다음과 같은 사실을 구동실험을 통해 증명하였다.
- 8은 이때의 Waterfall Diagram을 보여준다. 로터의 초기 구동 시 베어링에 동압이 형성 되면서 로터가 빠른 속도로 가속되었으며 이 과정에서 기존 공기 포일베어링을 적용한 로터에서는 공력불안정성에 의해 로터 불안정성이 나타났다. 이로 인해 Waterfall의 100Hz 미만에서 큰 비동기 주파수가 나타남을 알 수 있다.
- 반면, 점탄성 포일 스러스트 베어링으로지지되는 로터의 경우, 비동기 주파수의 성분이 나타나지 않으며 로터의 진폭 또한 2μm 정도로 공기 포일 스러스트 베어링에 비해 약 두 배 정도의 진동 감쇠 효과가 있었다.
- 베어링의 추가적 감쇠 성분은 동기 주파수의 진폭에도 영향을 주었음을 확인 할 수 있는데 기존 공기 포일베어링으로 지지한 로터에서는, 동기 주파수의 진폭이 대략 30μm에 이르는데 비해 점탄성 공기 포일베어링으로 지지한 로터에서는 그 진폭이 대략 15μm로 50%정도 진동 감쇠효과가 있었음을 확인할 수 있다.
- 상기한 결과에 의거하여 점탄성 공기 포일 베어링의 감쇠 성능은 기존 공기 포일 베어링보다 우수함을 알 수 있다. 이는 마이크로 터보차저의 구동 안정성을 향상 시켰으며 실제 고속 터보기기에 적용 시 효과적으로 작동할 수 있으리라 판단된다.
- 이에 대한 해결책으로 탑포일 뒤에 점탄성 물질을 코팅하여 포일베어링에 추가적 감쇠를 준 점탄성 공기 포일베어링을 설계 및 제작하여 기존 공기 포일베어링과의 구동실험을 통해 성능을 비교하였다. 점탄성 공기 포일베어링과 기존 공기 포일베어링 각각에 대하여 구동실험을 한 결과, 점탄성 공기 포일 베어링의 증대된 감쇠 성능이 로터의 진동을 최대 50% 이상 줄였고, 비선형에 기인한 진동 성분을 효과적으로 제진하였다.
- 초고속 마이크로 터보차저의 구동 실험에서 로터는 점탄성 공기 포일베어링으로 지지한 경우와 기존 공기 포일베어링으로 지지한 경우 모두 430,000 rpm 이상에서 안정적으로 구동을 하였다. 특히, 점탄성 공기 포일베어링으로 지지한 로터는 최고 480,000 rpm 이상으로 구동하였고 10분 이상의 시간동안 안정적으로 구동하였다.
- 초고속 마이크로 터보차저의 구동 실험에서 로터는 점탄성 공기 포일베어링으로 지지한 경우와 기존 공기 포일베어링으로 지지한 경우 모두 430,000 rpm 이상에서 안정적으로 구동을 하였다. 특히, 점탄성 공기 포일베어링으로 지지한 로터는 최고 480,000 rpm 이상으로 구동하였고 10분 이상의 시간동안 안정적으로 구동하였다. Fig.
후속연구
- 하지만 본 논문에서 적용한 점탄성 물질의 작동온도가 100℃ 미만인 점을 감안하면, 고온의 마이크로 가스터빈에 적용하기 위해서는 고온에서 사용 할 수 있는 새로운 점탄성 물질의 개발이 필요하다.
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