[논문]회전체 동역학 및 트라이볼로지 요소의 연구동향

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회전체 동역학 및 트라이볼로지 요소의 연구동향 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.16 no.2, 2013년, pp.71 - 75

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문제 정의

⁽²⁾ 추진 전동기의 정특성뿐만 아니라 동특성에 대한 해석도 함께 진행되어 개념설계와 상세설계에 실제 반영되었다. 또한 실제 베어링 제작 시 발생할 수 있는 운전조건에 따른 온도 특성을 파악하기 위해 해석한 데이터를 바탕으로 상사법칙을 활용한 시험도 함께 검토되었다.
본 특집 기사에서는 2012년도 국내의 회전체 동역학 분야 및 회전기 트리보(Tribo) 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.
예년과 같이 국내의 산업전반에 걸쳐 사용되고 있는 유체기계 가운데 펌프, 압축기, 터빈 등 산업현장과 연계된 연구개발과제 및 기초 연구과제들이 수행되면서 이 분야의 연구가 비교적 활발히 진행되고 있다. 본 특집 기사에서는 유체기계와 관련된 회전제 요소인 베어링, 실, 그리고 댐퍼 및 회전기기의 설계 그리고 운전 기술과 관련된 2012년도 발표된 국내 논문을 중심으로 분야별 연구 내용 및 동향을 정리하고자 한다.
볼베어링의 불량유형에 따른 진동 및 소음 측정방법, 계산식 도출에 대한 연구를 수행하여 불량유형을 확인 관리할 수 있도록 제시하였다.⁽¹³⁾ 볼베어링 중 앵귤러콘택 타입은 다른 베어링에 비해 열화가 많이 일어나는데 정렬에 대한 문제를 해결함으로써 열화를 감소시킬 수 있는 방안에 대한 연구를 수행하였다.
최근 컴퓨터 성능의 향상과 신뢰성 있는 상용 소프트웨어가 다양하게 개발되어, 이를 이용한 회전체 동역학적 해석이 활발히 진행되고 있다. 이 논문에서는 실제 상용 회전체 동역학 해석 소프트웨어를 이용하여 경사 운전 조건을 고려한 대용량 추진 전동기용 베어링 개발을 하였다.⁽²⁾ 추진 전동기의 정특성뿐만 아니라 동특성에 대한 해석도 함께 진행되어 개념설계와 상세설계에 실제 반영되었다.
. 해당 논문에서는 비선형적 구조를 가지고 있는 자기 베어링 시스템을 퍼지 모델링 기법으로 해석하고, 퍼지 모델에 적합한 제어기를 접목해 시스템의 안정도를 증명하였다.

제안 방법

(1) 고효율 유도 전동기를 개발하는데 있어 중요한 기술인 위험속도 회피기술을 적용하고, 불평형 응답 해석을 수행하여 1X 동기 성분의 정보를 획득하였다. 또한 알루미늄과 동 다이캐스팅의 동적 특성을 상호비교, 분석하였다.
그 방법 중 볼베어링의 결함 진단을 위해 적외선 열화상 장치를 이용한 감사방법이 제시되었고 이 방법으로 비파괴와 비접촉이 필요한 회전체 분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다.⁽¹¹⁾저속 회전기계 시스템 진단 방법으로는 위너필터(wiener filter)를 이용한 잡음제거를 통해 베어링결함에 의한 충격펄스를 판별하여 신뢰성 있는 방법을 확인하였다.⁽¹²⁾
(13) 볼베어링 중 앵귤러콘택 타입은 다른 베어링에 비해 열화가 많이 일어나는데 정렬에 대한 문제를 해결함으로써 열화를 감소시킬 수 있는 방안에 대한 연구를 수행하였다.⁽¹⁴⁾
이러한 윤활 현상을 규명하기 위해 평균 레이놀즈 방정식(average Reynolds equation)을 압력 유동계수와 전단 유동계수를 이용하여 풀이하고 수치적으로 생성한 표면 형상을 고려한 해석모델과 비교하여 표면 거칠기의 영향을 알아보았다.⁽¹⁵⁾테이퍼 롤러 베어링의 탄성유체윤활(EHL) 해석을 불균일 격자계를 채용한 수치적 방법으로 연구를 수행하였다.⁽¹⁶⁾ 한편, 기존의 하중, 회전속도에 대한 테이퍼 롤러 베어링의 연구는 열 변형에 따른 초기 예압량을 포함한 내구수명 및 예압특성을 제시하였다.
(3) 이 논문에서는 산화제 펌프 회전체와 연료펌프－ 터빈 회전체에 대하여 무부하 조건 및 부하 조건에서 볼 베어링 강성과 1차 임계속도를 예측하였다. 터보펌프가 정상작동하는 부하조건에서 1차 임계속도는 연료 펌프－터빈 회전체에서 나타내며, 7톤급 터보펌프는 충분한 임계속도 분리 여유를 가지는 Sub-critical 회전체로 예측을 하였다.
또한 75톤급 터보펌프의 무부하 회전 시험을 통하여 얻어진 임계속도를 회전체 동역학적 해석의 결과와 비교하여 해석모델의 타당성을 검토하였다.⁽⁴⁾해석모델을 이용하여 유동해석 및 성능시험 결과를 바탕으로 얻어진 펌프와 터빈의 반경하중으로부터 상대각도에 따른 베어링 강성 변화를 고려하여 임계속도 변화를 예측하였다. 해석결과 펌프와 터빈의 반경 하중 상대 각도는 임계 속도에 지대한 영향을 미치는 것을 확인했고, 추가로 축 하중이 부과되는 경우 반경하중의 상대 각도에 대한 영향은 감소하는 것으로 연구되었다.
. 기존의 자기 베어링에 적용되었던 이론을 보완하여 상위 모델인 하이브리드 자기 베어링에 대한 스위칭 퍼지 제어기를 제안하고, 타당성을 검증하였다. 또한, 자기 베어링 시스템에 적용되는 비례미분 제어 알고리즘과 동기 노치필터를 적용한 제어 알고리즘의 전력소모량을 비교하여 제어 성능을 개선한 연구 결과가 발표되었다(25).
터보펌프가 정상작동하는 부하조건에서 1차 임계속도는 연료 펌프－터빈 회전체에서 나타내며, 7톤급 터보펌프는 충분한 임계속도 분리 여유를 가지는 Sub-critical 회전체로 예측을 하였다. 또한 75톤급 터보펌프의 무부하 회전 시험을 통하여 얻어진 임계속도를 회전체 동역학적 해석의 결과와 비교하여 해석모델의 타당성을 검토하였다.⁽⁴⁾해석모델을 이용하여 유동해석 및 성능시험 결과를 바탕으로 얻어진 펌프와 터빈의 반경하중으로부터 상대각도에 따른 베어링 강성 변화를 고려하여 임계속도 변화를 예측하였다.
⁽¹⁾ 고효율 유도 전동기를 개발하는데 있어 중요한 기술인 위험속도 회피기술을 적용하고, 불평형 응답 해석을 수행하여 1X 동기 성분의 정보를 획득하였다. 또한 알루미늄과 동 다이캐스팅의 동적 특성을 상호비교, 분석하였다. 이렇게 해석한 결과를 바탕으로 실제 유도전동기를 제작하여 약 87%의 효율을 측정하였으며, 위험속도 회피기술을 적용하여 고속에서도 안정적인 구동이 되는 결과의 타당성을 입증하였다.
수동/능동형 자기 베어링의 장점을 갖는 하이브리드 자기 베어링 시스템을 대상으로 퍼지 스위칭 제어기를 설계하여 자기 베어링 시스템의 스위칭 안정도 해석이 수행되었다⁽²⁴⁾. 기존의 자기 베어링에 적용되었던 이론을 보완하여 상위 모델인 하이브리드 자기 베어링에 대한 스위칭 퍼지 제어기를 제안하고, 타당성을 검증하였다.
스테이터와 로터에 다양한 조합의 코닝을 적용할 경우의미케니컬 페이스 실의 작동 성능 예측에 대한 해석이 수행되었다^.(28) 스테이터와 로터에 코닝을 적절히 적용하면 물결 프로파일의 형상을 바꾸는 노력없이 미케니컬 페이스 실의 작동 유체막 두께의 최소값, 작동 유체누설량, 마찰토크, 작동 유체막의 강성 등을 적절히 변화 시킬 수 있는 것으로 발표되었다.
본 특집 기사에서는 2012년도 국내의 회전체 동역학 분야 및 회전기 트리보(Tribo) 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.
분수 도함수를 이용한 Maxwell model, Kelvin-Voigt model등과 같이 감쇠기를 수학적으로 모델링 하여 주파수 변화에 따른 탄성 및 감쇠특성을 예측하는 기술들이 연구 되었으나 이러한 것들은 실험 결과를 이용해서 얻을 수 있는 제작 후 예측법으로 점성 유체 감쇠기의 성능을 확인하기 위해서는 실 제작 후 동적 실험 및 수학적 모델링의 과정을 필수적으로 거쳐야 한다. 이러한 다양한 크기의 감쇠기 설계 시 수반되는 비용 및 시간 소모의 절감을 위하여 동적 실험 및 모델링 과정을 거치지 않고 감쇠기의 성능을 예측하는 법이 제안 되었다.⁽²⁹⁾
구름베어링의 윤활은 베어링 수명에 큰 영향을 미친다. 이러한 윤활 현상을 규명하기 위해 평균 레이놀즈 방정식(average Reynolds equation)을 압력 유동계수와 전단 유동계수를 이용하여 풀이하고 수치적으로 생성한 표면 형상을 고려한 해석모델과 비교하여 표면 거칠기의 영향을 알아보았다.⁽¹⁵⁾테이퍼 롤러 베어링의 탄성유체윤활(EHL) 해석을 불균일 격자계를 채용한 수치적 방법으로 연구를 수행하였다.
⁽³⁾이 논문에서는 산화제 펌프 회전체와 연료펌프－ 터빈 회전체에 대하여 무부하 조건 및 부하 조건에서 볼 베어링 강성과 1차 임계속도를 예측하였다. 터보펌프가 정상작동하는 부하조건에서 1차 임계속도는 연료 펌프－터빈 회전체에서 나타내며, 7톤급 터보펌프는 충분한 임계속도 분리 여유를 가지는 Sub-critical 회전체로 예측을 하였다. 또한 75톤급 터보펌프의 무부하 회전 시험을 통하여 얻어진 임계속도를 회전체 동역학적 해석의 결과와 비교하여 해석모델의 타당성을 검토하였다.
또한 토션 댐퍼의 질량 관성 조절 등을 통해 변속기와 엔진 간의 공진점(공명점)을 회피할 수 있게 하며, 댐퍼 스프링 특성 및 내부 단품간 형상, 마찰 등을 최적화 하여 차량에 적합한 히스테리시스 구현도 가능하게 한다. 토션 댐퍼 단품의 변화에 국한하여 씰－와셔를 지지하고 있는 디스크 스프링의 형상 변화를 통한 히스테리시스 최적화를 연구하여 목표 성능에 근접하는 최적의 형상을 구현하였으며 정적, 동적 히스테리시스 영향성 평가를 통해 형싱 및 회전속도 인자 등에 대한 연구 결과를 도출하였다. 이를 통한 유한 요소 모델은 하이브리드 차량 변속기에 적합한 최적의 히스테리시스 연구를 수행하는데 활용될 수 있다.

성능/효과

따라서 그 메커니즘과 최적 코팅조건을 설계하기 위한 연구가 진행되었다.⁽²⁷⁾코팅층이 두꺼우면 코팅측 내부에서 높은 응력이 발생하지만 표면은 소성변형되지 않으며, 연삭마멸과 피로마멸의 발생을 동시에 억제할 수 있을 것이라 발표되었다.
냉동용 가전인 냉장고, 에어컨과 같은 기계장치에서 사용되는 왕복동 압축기는 소형화, 저소음화 및 고 신뢰성을 요구받고 있으며, 왕복동식 압축기 저널 베어링부의 마찰손실 측정 연구를 바탕으로 실제 압축기 환경 하에서의 마찰 손실을 측정하는 실험장치가 개발되고, 일정 온도에서 회전수가 증가할수록 마찰손실량이 증가한다는 사실이 밝혀졌다.⁽⁹⁾
따라서 MR 유체를 매체로 사용하는 MR 댐퍼를 이용하여 차량의 반능동 현가장치를 개발하고자 하는 연구가 활발하게 수행되고 있다. 수동 현가 장치와 MR 댐퍼를 이용한 반능동 현가장치의 승차 성능을 모의 시험을 통해 비교한 결과 MR 댐퍼를 장착한 현가장치가 더 빨리 안정화된 것을 확인하였다.⁽³⁰⁾
또한 알루미늄과 동 다이캐스팅의 동적 특성을 상호비교, 분석하였다. 이렇게 해석한 결과를 바탕으로 실제 유도전동기를 제작하여 약 87%의 효율을 측정하였으며, 위험속도 회피기술을 적용하여 고속에서도 안정적인 구동이 되는 결과의 타당성을 입증하였다.
⁽⁴⁾해석모델을 이용하여 유동해석 및 성능시험 결과를 바탕으로 얻어진 펌프와 터빈의 반경하중으로부터 상대각도에 따른 베어링 강성 변화를 고려하여 임계속도 변화를 예측하였다. 해석결과 펌프와 터빈의 반경 하중 상대 각도는 임계 속도에 지대한 영향을 미치는 것을 확인했고, 추가로 축 하중이 부과되는 경우 반경하중의 상대 각도에 대한 영향은 감소하는 것으로 연구되었다.

후속연구

따라서 주기적인 결함 진단과 상태를 조기에 파악하고 대책을 수립해야 한다. 그 방법 중 볼베어링의 결함 진단을 위해 적외선 열화상 장치를 이용한 감사방법이 제시되었고 이 방법으로 비파괴와 비접촉이 필요한 회전체 분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다.⁽¹¹⁾저속 회전기계 시스템 진단 방법으로는 위너필터(wiener filter)를 이용한 잡음제거를 통해 베어링결함에 의한 충격펄스를 판별하여 신뢰성 있는 방법을 확인하였다.
토션 댐퍼 단품의 변화에 국한하여 씰－와셔를 지지하고 있는 디스크 스프링의 형상 변화를 통한 히스테리시스 최적화를 연구하여 목표 성능에 근접하는 최적의 형상을 구현하였으며 정적, 동적 히스테리시스 영향성 평가를 통해 형싱 및 회전속도 인자 등에 대한 연구 결과를 도출하였다. 이를 통한 유한 요소 모델은 하이브리드 차량 변속기에 적합한 최적의 히스테리시스 연구를 수행하는데 활용될 수 있다.⁽³¹⁾
특히 에너지 관련 기기와 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.
2012년도 회전체 동역학 및 트라이볼로지 요소의 연구는 기존 연구들의 방향과 많은 차이가 나지 않는 것으로 보였다. 특히 에너지 관련 기기와 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
	산업이 고도화로 인해 현재 산업 기술은 시스템의 무엇을 지향하고 있는가?	산업이 고도화됨에 따라 현재 산업 기술은 시스템의 소형화와 대용량화를 지향하고 있다. 따라서 회전기기의 속도를 고속화하는 경향을 띠고 있다.
	저널 베어링의 윤활 분석은 어떤 목표를 달성하는 것이 중요한가?	저널 베어링의 윤활 분석은 회전체 시스템의 고성능 출력과 무게를 줄이는 목표를 달성하는데 중요하다. 이러한 저널 베어링의 윤활 특성을 분석하기 위한 방법으로 유연 다물체 동역학 해석과 탄성유체 역학 해석을 이용한 저널 베어링의 운동을 해석하는 알고리즘이 개발되었다(8)
	회전기기의 속도를 고속화하면서 가장 큰 비중으로 요구되는 것은 무엇인가?	따라서 회전기기의 속도를 고속화하는 경향을 띠고 있다. 그러므로 고속영역에서 회전기기의 안정성과 신뢰성 확보가 전체 시스템을 구성하는 부분에서 큰 비중을 차지하고 있다. 이에 따라 회전기기의 회전체 동역학적 해석을 통한 정밀한 동역학적 거동의 예측과 실제 실험을 통한 안정적인 설계가 중요시되고 있다.

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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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