[논문]회전체 동역학 및 트라이볼로지 요소의 연구동향

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유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.15 no.2 = no.71, 2012년, pp.87 - 91

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문제 정의

고정밀, 고속회전을 하는 스핀들에 가장 널리 쓰이는 각접촉 볼 베어링의 경우 내륜의 형상오차가 있을 때, 회전체의 회전 정밀도를 계산하기 위한 연구와 축방향의 변위를 추정하기 위한 연구가 진행되었다.^(13)(14)
본 특집 기사에서는 2011년도 국내의 회전체 동역학 분야 및 회전기 트라이볼로지 요소(베어링/실/댐퍼)의 주요 연구 동향을 요약하여 소개한다. 여기서는 광범위한 회전체 동역학 분야 중 유체기계와 관련된 부분만으로 국한시키고, 이와 관련된 국내에서 발행되었던 논문을 중심으로 분석하였다.
2011년도에는 회전기기 댐퍼의 연구 동향에서 많은 연구가 자동차의 현가장치 부문에 치중이 되어 있었고, 구조/재료적인 측면에서의 접근보다는 제어를 통해 진동을 감쇠시키는 연구가 대부분이었다. 본 파트에서는 유체기계에 적용할 수 있는 댐퍼에 대한 연구만을 서술하였다.
초고속으로 운전하는 회전체의 동역학적 모델링을 정확히 하기 위해서 베어링의 대한 강성과 감쇠계수 등의 회전체 동역학적 계수들을 해석적으로 예측하거나 실험적으로 추출하는 방법이 있다. 이 논문에서는 공기총을 이용한 임팩트 테스트 방법을 소개하였고 그 실험결과를 나열하여 그 타당성을 입증하였다.
볼베어링의 유동 및 열전달 특성을 분석하기 위한 연구의 일환으로서, 베어링 내부의 공기 유동에 대한 해석적인 연구가 진행되었다. 이 연구에서는 고속으로 회전하는 볼 베어링 내부의 공기유동에 대하여 전산해석을 통하여 베어링의 회전속도에 따른 3차원 유동구조의 변화를 파악함으로서 최적의 오일미스트(oil-mist) 윤활점을 찾는 연구가 진행되었다.^(16)(17)

가설 설정

Seal과 축 사이의 이물질에 의하여 상대적으로 경도가 아주 높은 축에서 발생하는 마멸에 대하여 연구가 진행되었다. 일반적으로 이물질의 형태가 구형이 아닌 점을 감안하여 이물질을 완전탄소성 상태의 육각형입자로 가정하고 스틸면 또한 완전탄소성 상태로 가정 하여 MARC(FEM)를 사용하여 해석하였다. 그 결과 육각형 입자와 Seal의 간섭이 증가하자 높은 Von-Mises 응력 분포를 나타냈으며 Seal과 축의 상대 운동에 의하여 육각형 입자가 굴러감(Tumbling)에 따라 축의 상당한 깊이까지 항복응력 이상의 응력이 집중되는 것을 검증하였다.

제안 방법

(3)시일의 영향을 고려한 위험속도 해석, 베어링의 비선형 유막력을 고려한 과도응답 해석을 진행하였으며, 추가로 수직로터의 정상상태 해석기법을 제안하였다. 또한, 그 결과를 과도응답과 서로 비교, 분석하였다.
기계요소의 가장 중요한 현상 중 하나인 마모에 대한 연구도 진행되었다. 3개의 저널 베어링을 사용하는 선박용 엔진에 와전류 센서를 사용하여 마모를 감지해내는 실험 방법이 소개되었다.⁽⁹⁾
FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 심정용 수직 해수 펌프 시제품에 대한 운전 신뢰성 예측을 위한 상세 로터다이나믹 해석이 수행되었다. ⁽³⁾시일의 영향을 고려한 위험속도 해석, 베어링의 비선형 유막력을 고려한 과도응답 해석을 진행하였으며, 추가로 수직로터의 정상상태 해석기법을 제안하였다.
MEMS 기술을 사용한 초소형 가스터빈용 저널 베어링의 유동장 수치 해석이 이루어졌다. 정상상태에서 반발력의 형성유무와 유량을 계산하였고, 입구압력과 유량이 베어링에 미치는 영향이 예측되었다.
MR 유체는 적은 전력으로도 진동 감쇠 시스템 구현이 가능하며 반응속도가 빠르기 때문에 여러분야에서 응용이 되는 지능형 유체이다. MR 유체의 자기장에 변화에 따른 유동 변화를 실험적으로 관측하여 MR 유체의 유동속도 및 자기장 세기 변화에 따른 클러스터의 형성과정과 거동을 측정하였다. 이는 MR 댐퍼의 최적설계를 위한 기초자료로 참고될 수 있을 것으로 사료된다.
대칭 및 비대칭 오일 홈을 갖는 타원형 저널베어링에 대한 연구도 이루어졌다. 간극비가 최적화된 비대칭 오일 홈을 갖는 타원형 저널베어링이 개발되어 해석과 실험을 신뢰성이 확인되었다.⁽¹²⁾
고효율의 압축기 개발을 위한 구름접촉 스러스트 볼 베어링에 대한 마찰손실 해석이 진행되었다. 왕복동형 압축기의 피스톤, 크랭크축을 모델링하여 스러스트 볼 베어링이 적용된 압축기의 마찰손실 및 동역학적 거동 해석이 설계에 활용 가능해졌다.
대칭 및 비대칭 오일 홈을 갖는 타원형 저널베어링에 대한 연구도 이루어졌다. 간극비가 최적화된 비대칭 오일 홈을 갖는 타원형 저널베어링이 개발되어 해석과 실험을 신뢰성이 확인되었다.
동압 저널 베어링보다 높은 강성, 하중 지지 용량, 저마찰, 높은 댐핑 특성을 갖는 정수압 베어링의 특성에 대한 이론적 해석이 이루어졌다. 베어링 형상, 틈새, 외부압력, 윤활유 점도, 온도 등을 복합적으로 고려하여 Reynolds 방정식에 적용한 해석이 실행되었으며 이를 바탕으로 고성능 베어링의 설계가 가능해졌다.
⁽³⁾시일의 영향을 고려한 위험속도 해석, 베어링의 비선형 유막력을 고려한 과도응답 해석을 진행하였으며, 추가로 수직로터의 정상상태 해석기법을 제안하였다. 또한, 그 결과를 과도응답과 서로 비교, 분석하였다. 제안된 해석 기법을 토대로 정상상태 응답 해석을 수행한 결과, 과도해석의 응답 수준과 거의 일치하는 결과를 도출하였다.
동압 저널 베어링보다 높은 강성, 하중 지지 용량, 저마찰, 높은 댐핑 특성을 갖는 정수압 베어링의 특성에 대한 이론적 해석이 이루어졌다. 베어링 형상, 틈새, 외부압력, 윤활유 점도, 온도 등을 복합적으로 고려하여 Reynolds 방정식에 적용한 해석이 실행되었으며 이를 바탕으로 고성능 베어링의 설계가 가능해졌다.⁽⁷⁾
선박용 대형 크랭크 핀(Crank Pin) 가공기에 적용되는 유정압 베어링의 형상 오차의 윤활특성에 대한 중요성과 베어링 간극의 영향이 수치 해석적으로 평가되었다.⁽¹⁰⁾
본 특집 기사에서는 2011년도 국내의 회전체 동역학 분야 및 회전기 트라이볼로지 요소(베어링/실/댐퍼)의 주요 연구 동향을 요약하여 소개한다. 여기서는 광범위한 회전체 동역학 분야 중 유체기계와 관련된 부분만으로 국한시키고, 이와 관련된 국내에서 발행되었던 논문을 중심으로 분석하였다. 유체기계와 관련된 회전체 동역학 분야의 연구는 크게 로터－베어링으로 구성된 회전체 시스템의 동역학적 해석연구 분야와 베어링/실/댐퍼와 같은 회전기기 요소 연구 분야로 나눌 수 있으며, 그 외 회전기기의 동역학적 특성에 영향을 줄 수 있는 현상들에 대한 연구가 있다.
그러나 이러한 베어링의 성능은 장착된 시스템의 조건에 따라 변할 수 있는데, 이를 검증하기 위한 연구가 실험적으로 진행되었다. 이 연구에서는 터보펌프의 작동환경을 모사하여 이 조건하에서 터보펌프의 회전속도, 하중, 냉각유량 등을 변화시켰을 때, 베어링의 토크와 내구성능을 확인하였다.⁽¹⁵⁾
원판 형 코어를 갖는 축 방향 자기베어링은 일반적으로 손실을 줄이기 위해 규소 강판을 적층한 형태로 제작이 불가능하므로 저탄소강으로 제작되며, 재료의 특성에 기인한 시간 지연 현상이 불가피하다. 이를 보상하기 위한 제어기를 설계하여, 전류의 증가 없이도 기존 비례－미분 제어기에 앞섬－뒤짐 보상기를 추가하여 시간 지연이 보상됨을 실험적으로 검증하였다⁽²²⁾.
이에 높은 청정조건을 필요로 하는 반도체 공정용 진공 챔버 등에서는 독점적으로 마그네틱 Seal을 사용하고 있다. 이에 기존 문헌발표자료를 바탕으로 마그네틱 Seal을 개발 및 실제 성능 측정을 하였으며 ANSYS 프로그램을 통하여 마그네틱 Seal의 자장을 FEM으로 해석하여 이론적 성능을 측정하고 실제 성능과 비교 및 검토하였다.⁽²⁹⁾
⁽²⁾ API 610 BB5 펌프는 기동전 정시(stand by) 없는 메인 펌프로 사용되기 때문에 수력 및 회전 신뢰성이 극도로 보장되어야하는 문제를 안고 있다. 이에 로터－베어링 시스템의 동특성 해석뿐만 아니라 베어링 선정의 적절성, 시일 효과등을 포함한 상세 로터다이나믹스 설계 해석을 수행하였다. 작동 유체의 영향을 고려하지 않은 dry-run 상태와 그 영향을 고려한 wet-run 상태에 대한 해석모델을 구축하였으며, 추가로 평활(plain circular) 베어링과 압력 댐(pressure dam) 베어링을 선정하여 각 베어링이 펌프 로터 시스템의 동특성에 미치는 영향을 검토하였다.
이에 로터－베어링 시스템의 동특성 해석뿐만 아니라 베어링 선정의 적절성, 시일 효과등을 포함한 상세 로터다이나믹스 설계 해석을 수행하였다. 작동 유체의 영향을 고려하지 않은 dry-run 상태와 그 영향을 고려한 wet-run 상태에 대한 해석모델을 구축하였으며, 추가로 평활(plain circular) 베어링과 압력 댐(pressure dam) 베어링을 선정하여 각 베어링이 펌프 로터 시스템의 동특성에 미치는 영향을 검토하였다.
오일윤활베어링의 내구성 및 불안정성의 제약을 극복할 수 있는 공기 베어링의 설계 및 정하중 지지능력이 예측되었다. 특히 260 kW급 영구자석 동기 전동기에 적용을 위하여 상세 설계가 진행되었다.⁽⁶⁾

성능/효과

(2) API 610 BB5 펌프는 기동전 정시(stand by) 없는 메인 펌프로 사용되기 때문에 수력 및 회전 신뢰성이 극도로 보장되어야하는 문제를 안고 있다. 이에 로터－베어링 시스템의 동특성 해석뿐만 아니라 베어링 선정의 적절성, 시일 효과등을 포함한 상세 로터다이나믹스 설계 해석을 수행하였다.
이에 터보차져용 터빈의 스핀 테스트를 수행하기 위하여 터빈, 터빈축, 연결 아버, 플랜지 및 스핀들 조립체에 대한 상세 로터다이나믹 해석을 수행한 연구들이 진행되었다.⁽⁴⁾ 정격속도 근방에서 위험속도와의 마진이 충분하지 않아 과도한 진동이 나타났으며, 마진이 20 % 이상인 새로 설계된 모델을 이용하여 성공적인 스핀 테스트가 수행되었다.
일반적으로 이물질의 형태가 구형이 아닌 점을 감안하여 이물질을 완전탄소성 상태의 육각형입자로 가정하고 스틸면 또한 완전탄소성 상태로 가정 하여 MARC(FEM)를 사용하여 해석하였다. 그 결과 육각형 입자와 Seal의 간섭이 증가하자 높은 Von-Mises 응력 분포를 나타냈으며 Seal과 축의 상대 운동에 의하여 육각형 입자가 굴러감(Tumbling)에 따라 축의 상당한 깊이까지 항복응력 이상의 응력이 집중되는 것을 검증하였다.⁽³¹⁾
매우 낮은 댐핑을 가진 드라이브 트레인의 특성상, 반복적인 하중을 견디기 위해 풍력 발전기에서는 발전기 토크를 제어하는 방식을 사용하여 피드백된 발전기 회전축 속도 신호에 밴드 패스 필터나 노치필터 등을 부착하여 발전기 토크를 제어하는 것이다. 시뮬레이션을 통해 드라이브 트레인에 드라이브 트레인 댐퍼인 밴드패스필터와 노치 필터를 적용할 경우 드라이브트레인의 피로하중뿐만 아니라 타워의 하중도 감소함을 검증하였다.⁽³³⁾
오일윤활베어링의 내구성 및 불안정성의 제약을 극복할 수 있는 공기 베어링의 설계 및 정하중 지지능력이 예측되었다. 특히 260 kW급 영구자석 동기 전동기에 적용을 위하여 상세 설계가 진행되었다.
저널 베어링의 오일휠과 오일휩 등의 불안정성을 극복하기 위해 개발된 틸팅 패드 베어링의 1.2 MW급 터보블로워 적용을 위한 체계적인 설계방법에 대한 고찰이 이루어졌으며, 이에 대한 시뮬레이션과 측정실험을 통한 검증으로 회전축 안정성이 분석되었다.⁽⁵⁾
MEMS 기술을 사용한 초소형 가스터빈용 저널 베어링의 유동장 수치 해석이 이루어졌다. 정상상태에서 반발력의 형성유무와 유량을 계산하였고, 입구압력과 유량이 베어링에 미치는 영향이 예측되었다.⁽¹¹⁾
또한, 그 결과를 과도응답과 서로 비교, 분석하였다. 제안된 해석 기법을 토대로 정상상태 응답 해석을 수행한 결과, 과도해석의 응답 수준과 거의 일치하는 결과를 도출하였다.

후속연구

MR 유체의 자기장에 변화에 따른 유동 변화를 실험적으로 관측하여 MR 유체의 유동속도 및 자기장 세기 변화에 따른 클러스터의 형성과정과 거동을 측정하였다. 이는 MR 댐퍼의 최적설계를 위한 기초자료로 참고될 수 있을 것으로 사료된다.⁽³²⁾
특히 에너지 효율 향상과 관련, 시스템과 관련한 회전체 연구 경향이 뚜렷하며, 이는 향후 앞으로도 계속될 것이라 예상된다. 전체적인 흐름을 볼 때 고도의 연구보다는 아직 기초적인 연구에 기반한 연구가 많이 진행되었으나, 국내 기술 수준의 향상을 고려할 때 회전체 분야의 연구가 좀 더 활발히 진행될 것으로 사료된다.
2011년도 회전체 동역학 및 트라이볼로지 요소의 연구는 기존 연구들의 방향과 많은 차이가 나지 않는 것으로 보였다. 특히 에너지 효율 향상과 관련, 시스템과 관련한 회전체 연구 경향이 뚜렷하며, 이는 향후 앞으로도 계속될 것이라 예상된다. 전체적인 흐름을 볼 때 고도의 연구보다는 아직 기초적인 연구에 기반한 연구가 많이 진행되었으나, 국내 기술 수준의 향상을 고려할 때 회전체 분야의 연구가 좀 더 활발히 진행될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유체기계와 관련된 회전체 동역학 분야는 어떻게 나뉠 수 있는가?	여기서는 광범위한 회전체 동역학 분야 중 유체기계와 관련된 부분만으로 국한시키고, 이와 관련된 국내에서 발행되었던 논문을 중심으로 분석하였다. 유체기계와 관련된 회전체 동역학 분야의 연구는 크게 로터－베어링으로 구성된 회전체 시스템의 동역학적 해석연구 분야와 베어링/실/댐퍼와 같은 회전기기 요소 연구 분야로 나눌 수 있으며, 그 외 회전기기의 동역학적 특성에 영향을 줄 수 있는 현상들에 대한 연구가 있다.
	정수압 베어링의 특성은?	동압 저널 베어링보다 높은 강성, 하중 지지 용량, 저마찰, 높은 댐핑 특성을 갖는 정수압 베어링의 특성에 대한 이론적 해석이 이루어졌다. 베어링 형상, 틈새, 외부압력, 윤활유 점도, 온도 등을 복합적으로 고려하여 Reynolds 방정식에 적용한 해석이 실행되었으며 이를 바탕으로 고성능 베어링의 설계가 가능해졌다.
	출력밀도 500 W급의 마이크로 가스터빈 발전기는 어떤 시스템인가?	국내에서는 출력밀도 500 W급의 마이크로 가스터빈 발전기의 개발이 진행되고 있다.(1) 500 W의 출력을 발생시키기 위해서는 전동모드로 20만 rpm까지 압축기의 속도를 증가시키고, 이후 계속 속도를 증가시켜 50만 rpm까지 정상상태 발전을 하는 시스템이다. 초고속으로 운전하는 회전체의 동역학적 모델링을 정확히 하기 위해서 베어링의 대한 강성과 감쇠계수 등의 회전체 동역학적 계수들을 해석적으로 예측하거나 실험적으로 추출하는 방법이 있다.

참고문헌 (33)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
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