[논문]프로세스 대형 모터-발전기의 저어널 베어링 설계 개선 - Part II : 로터다이나믹스 해석

이안성

doi:10.9725/kstle-2012.28.6.265

프로세스 대형 모터-발전기의 저어널 베어링 설계 개선 - Part II : 로터다이나믹스 해석
Journal Bearing Design Retrofit for Process Large Motor-Generator - Part II : Rotordynamics Analysis 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.28 no.6, 2012년, pp.265 - 271

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In the preceding Part I study, for improving the unbalance response vibration of a large PRT motor-generator rotor fundamentally by design, a series of design analyses were carried out for bearing improvement by retrofitting from original plain partial journal bearings, applied for operation at a rated speed of 1,800 rpm, to final tilting pad journal bearings. To satisfy evenly key basic lubrication performances such as the minimum lift-off speed and maximum oil-film temperature, a design solution of 5-pad tilting pad journal bearings and maximizing the direct stiffness by about two times has been achieved. In this Part II study, a detailed rotordynamic analysis of the large PRT motor-generator rotor-bearing system will be performed, applying both the original plain partial journal bearings and the retrofitted tilting pad journal bearings, to confirm the effect of rotordynamic vibration improvement after retrofitting. The results show that the rotor unbalance response vibrations with the tilting pad journal bearings are greatly reduced by as much as about one ninth of those with the plain partial journal bearings. In addition, for the tilting pad journal bearings there exist no critical speed up to the rated speed and just one instance of a concerned critical speed around the rated speed, whereas for the plain partial journal bearings there exist one instance of a critical speed up to the rated speed and two instances of concerned critical speeds around the rated speed.

주제어

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문제 정의

본 Part II 연구는 원래 평 부분 저어널 베어링과 설계 개선 틸팅 패드 저어널 베어링을 적용한 대형 PRT 모터-발전기 로터-베어링 시스템의 상세한 로터다이나믹스 해석을 수행하여, 베어링 개선에 따른 로터다이나믹스 진동특성 개선 효과를 확인하고자 한다.
본 연구의 선행인 Part I 연구[8]는, 대형 PRT 모터-발전기 로터의 불균형 응답진동을 근본적인 설계적으로 개선할 목적으로, 원래 평 부분 저어널 베어링으로부터 최종 틸팅 패드 저어널 베어링으로 베어링 개선 설계해석을 수행하였다. 결과 제시된 틸팅 패드 저어널 베어링 설계는, 최소 부상 속도 8 rpm과 최대 유막 온도 53.

제안 방법

본 Part II 연구는 원래 평 부분 저어널 베어링과 설계 개선 틸팅 패드 저어널 베어링을 적용한 대형 PRT 모터-발전기 로터-베어링 시스템의 로터다이나믹스 해석을 수행하였다.

성능/효과

결과 제시된 틸팅 패드 저어널 베어링 설계는, 최소 부상 속도 8 rpm과 최대 유막 온도 53.4℃를 갖는 것으로 예측되어, 기본 윤활 성능에서 원래 평 부분 저어널 베어링 설계와 대등할 뿐만 아니라, 모터-발전기 로터의 설계적 진동저감에 가장 중요한 성능 인자로 판단되는 평균 직접 강성이 정격 1,800 rpm에서 11.5×108N/m로 원래 베어링 설계의 약 2배 값을 갖는 것으로 해석되었다.
그림에서 1X 동기 회전속도 선과의 교차 점이 위험속도를 나타내며, 2,000 rpm이하에서 2개(1,200과 1,700 rpm 부근)의 1차 전진(forward) 위험속도가 존재하는 것으로 파악된다. 상세한 감쇠 모드 및 위험속도 해석을 수행하였으며, 그 결과 1,281 rpm의 위험속도는 5.666의 대수감소율(logarithmic decrement, LogDeg)을 가져(즉, 충분 이상의 감쇠를 가져) 위험속도에서 제외되었고, Fig. 6에 보여진 것과 1,730 rpm의 위험속도는 1.812의 대수감소율을 가져 정격속도 1,800 rpm에 도달하기 까지 어느 정도 진동 상승에 기여하는 것으로 분석된다. 참고로, 본 논문에서는 대수감소율이 2.
이상에서, 설계 개선 틸팅 패드 저어널 베어링은, 원래 평 부분 저어널 베어링 대비 기본 윤활 성능에서 우려되는 악영향 없이 매우 우수한 로터다이나믹스 진동특성을 제공하여, PRT 모터-발전기 로터-베어링 시스템의 운전 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 결론된다.
최종 개선 선정 설계된 5패드 LBP (load between pads) 틸팅 패드 저어널 베어링은 패드 각 58º, 패드 가공 틈새 Cm/R = 0.0017, 패드 예압(preload) m = 0.5, 그리고 패드 오프셋 χ = 0.5(즉, center pivot)를 가진다.
한편, 선행 Part I 연구를 통해서, 설계 개선 틸팅 패드 저어널 베어링이 최소 부상 속도와 최대 유막 온도의 기본 윤활 성능 등에서 원래 평 부분 저어널 베어링과 대등한 성능을 갖는 것으로 예측되었다.
해석결과, 평 부분 저어널 베어링을 적용한 경우, 로터 시스템은 정격속도 1,800 rpm에 도달하기까지 1,730 rpm에서 1개의 위험속도를 갖고, 정격속도에서 베어링 위치진동이 최대 48.7 µm로 예측된다.

후속연구

8 µm로 약 9분의 1 수준으로 크게 줄어드는 것으로 분석된다. 따라서, 설계 개선 틸팅 패드 저어널 베어링을 적용할 경우, 로터의 현장 운전시 상당한 불균형이 존재하더라도 이의 설계적 효과적인 제어가 가능해, 결과적으로 PRT 모터-발전기 로터-베어링 시스템의 운전 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 검토된다.

참고문헌 (8)

Nicholas, J. C., "Hydrodynamic Journal Bearing Types, Characteristics and Applications," Mini Course Notes - Vibration Institute, 20th Annual Meeting, St. Louis, Missouri, June 25-27, 1996.
Nicholas, J. C., "Tilting Pad Bearing Design," Proceedings of the 23rd Turbomachinery Symposium, Turbomachinery Lab., Texas A&M Univ. pp. 179- 194, 1994.
API Recommended Practice 684, API Standard Paragraph Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Unbalance Responses, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing, Chap. 2, Sect. 2.5, 2005.
이안성, 김창업, "LPLi 연료펌프 적용을 위한 저어널 베어링의 설계 적합성 연구," 한국윤활학회지, 제25권, 제5호, pp. 324-329, 2009.
이안성, 김병옥, "3-로브 베어링으로 지지된 중형 고속 터보차저 로터의 선형 및 비선형 동적 안정성 특성 규명," 한국소음진동공학 회논문집, 제21권, 제6호, pp. 562-569, 2011.

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하진웅, 명지호, 석진익, 이안성, 김영철, "5패드 틸팅 패드 베어링의 설계조건 변화가 소형 가스터빈의 횡진동 특성에 미치는 영향," 한국소음진동공학회논문집, 제21권, 제8호, pp. 752-760, 2011.

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Lee, A. S. and Kim, B. O., "Influence of Bearing on the Rotordynamic Characteristics of Boiler Feed Water Booster Pumps," Proceedings of the 9th Asian International Conference on Fluid Machinery, Jeju, Oct. 16-19, 2007.
이안성, "프로세스 대형 모터-발전기의 저어널 베어링 설계 개선 - Part I: 베어링 성능개선," 한국윤활학회지, 제28권, 제5호, pp. 197-202 , 2012.

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