[논문]3 패드 가스 포일 저널 베어링의 프리로드 증가에 따른 성능 해석

이종성; 김태호

doi:10.9725/kstle.2014.30.1.1

3 패드 가스 포일 저널 베어링의 프리로드 증가에 따른 성능 해석
Analysis of Three-Pad Gas Foil Journal Bearing for Increasing Mechanical Preloads 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.30 no.1, 2014년, pp.1 - 8

이종성 (국민대학교 대학원 기계설계학과 대학원) , 김태호 (국민대학교 기계시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a three-pad gas foil journal bearing with a diameter of 40 mm and an axial length of 35 mm was modeled to predict the static and dynamic performances with regard to an increasing mechanical preload. The Reynolds equation for an isothermal and isoviscous ideal gas was coupled with a simple elastic foundation foil model to calculate the hydrodynamic pressure solution iteratively. In the prediction results, the journal eccentricity, journal attitude angle, and minimum film thickness decreased, but the friction torque increased with the preload. A quick comparison implied a lower load capacity but higher stability for a three-pad gas foil bearing compared to a one-pad gas foil journal bearing. The direct stiffness coefficients increased with the preload, but the cross-coupled stiffness coefficients decreased. The direct damping coefficient increased in the horizontal direction but decreased in the vertical direction as the preload increased. These model predictions will be useful as a benchmark against experimental test data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 아직까지 문헌에 보고된 적이 없는 프리로드 증가가 3 패드 가스 포일 저널 베어링의 성능에 미치는 영향을 예측한다. 성능 예측을 위해 실험실에서 보유하고 있는 3 패드 가스 포일 저널 베어링을 수학적으로 모델링 한 후 프리로드 변화에 따른 하중지지능력 등의 정적 성능과 강성 및 감쇠계수 등의 동적 성능을 예측하고 비교하였다.

가설 설정

9는 (a) 3 패드와 (b) 1 패드 가스 포일 저널 베어링에 대해서 회전속도의 증가에 따른 베어링 최소유막두께를 다양한 프리로드에 대해 나타내 었다. 회전속도가 증가함에 따라 그리고 프리로드가 감소함에 따라 최소유막두께는 비선형적으로 증가한다. 130,000 rpm에서 3 패드 베어링이 1 패드 베어링보다약 12% 작은 유막두께를 갖는다.

제안 방법

본 논문에서는 아직까지 문헌에 보고된 적이 없는 프리로드 증가가 3 패드 가스 포일 저널 베어링의 성능에 미치는 영향을 예측한다. 성능 예측을 위해 실험실에서 보유하고 있는 3 패드 가스 포일 저널 베어링을 수학적으로 모델링 한 후 프리로드 변화에 따른 하중지지능력 등의 정적 성능과 강성 및 감쇠계수 등의 동적 성능을 예측하고 비교하였다. 해석을 위해 제 1저자가 과거 개발한 해석 프로그램[2]을 일부 수정하여 사용하였다.
성능 예측을 위해 실험실에서 보유하고 있는 3 패드 가스 포일 저널 베어링을 수학적으로 모델링 한 후 프리로드 변화에 따른 하중지지능력 등의 정적 성능과 강성 및 감쇠계수 등의 동적 성능을 예측하고 비교하였다. 해석을 위해 제 1저자가 과거 개발한 해석 프로그램[2]을 일부 수정하여 사용하였다.

이론/모형

3 패드 가스 포일 베어링의 상온성능을 예측하기 위해 식 (2)와 같이 등온, 등점성의 이상기체를 위한 레이놀즈 방정식을 사용하였다.
수치해석 방법은 유한차분법을 사용하였으며, 자세한 내용은 참고문헌[1]을 따른다. 다만, 본 논문에서 정의한 프리로드의 정의가 참고문헌[1]에서의 그것과 다름에 유의한다.
베어링 내경 및 길이, 최대간극, 프리로드 등은 앞서 설명하였다. 포일의 치수와 재료 특성을 고려한 범프 강성은 참고문헌[10]을 이용하여 계산이 가능하였으며, 단위면적 당 약 9.33 GN/m³의 강성을 갖는다. 해석을 위해 범프간의 마찰계수와 히스테리시스 감쇠 계수[3]는 모두 0.

성능/효과

1. 일반적으로 프리로드가 증가할수록, 저널 편심량, 저널 자세각, 최소유막두께는 감소하고 마찰토크는 증가하는 경향을 갖는다.
2. 3 패드 가스 포일 저널 베어링은 1 패드 가스포일 저널 베어링에 비해 작은 최소유막두께를 갖지만, 저널 중심의 궤적 변화에 있어 수평방향 변화가 적어 동적 안정성이 더 뛰어남을 유추할 수 있다.
3. 프리로드가 증가할수록 직교강성은 증가하고 교차강성은 감소한다.
일반적으로 프리로드가 증가할수록 수직방향 직 교감쇠는 감소하고 수평방향 직교감쇠는 증가한다. 교차강성은 모두 감소한다.
4. 일반적으로 프리로드가 증가할수록 수직방향 직 교감쇠는 감소하고 수평방향 직교감쇠는 증가한다. 교차강성은 모두 감소한다.

후속연구

상기 연구결과는 현재 수행하고 있는 다양한 프리로드를 가진 3 패드 가스 포일 베어링 지지의 회전체 고속구동 실험결과에 의해 검증될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	베어링 내면을 이루는 금속 포일(foil)로 이루어진 탄성 구조체(elastic foil structure)는 어떻게 베어링의 동적 성능을 향상시키는가?	가스 포일 베어링은 가스 또는 공기를 윤활 유체로 사용하기 때문에 오일 윤활 베어링이나 구름 요소 베어링에 비해 하중지지능력과 강성 및 감쇠력이 작은 단점이 있지만, 회전축계를 고려한 적절한 설계를 통해 다양한 초소형 터보기계에 효과적으로 적용되어 왔다[1]. 특히, 베어링 내면을 이루는 금속 포일(foil)로 이루어진 탄성 구조체(elastic foil structure)는 일반적인 가스 베어링에 비해 더 넓은 범위에 걸쳐 최소유막두께구역(minimum film thickness zone)을 형성하여 베어링의 하중지지능력(load capacity)을 높이고[2, 3], 포일 사이의 마찰(dry-friction)은 구조감쇠(Coulomb/structural damping)효과를 발생시켜 베어링의 동적 성능을 향상시킨다[4]. 과거 40년동안 많은 연구자들이 가스 포일 베어링의 성능 향상을 위한 연구를 수행하였다.
	가스 포일 베어링(gas foil bearing)의 역할은?	가스 포일 베어링(gas foil bearing)은 고유의 무급유(oil-free)윤활 특성과 우수한 고속 안정성으로 인해 소형 회전기계의 친환경, 고효율화 구현을 가능케 한다. 가스 포일 베어링은 가스 또는 공기를 윤활 유체로 사용하기 때문에 오일 윤활 베어링이나 구름 요소 베어링에 비해 하중지지능력과 강성 및 감쇠력이 작은 단점이 있지만, 회전축계를 고려한 적절한 설계를 통해 다양한 초소형 터보기계에 효과적으로 적용되어 왔다[1].
	3 패드 가스 포일 저널 베어링에 대한 해석적 연구 결과 프리로드가 증가할수록 어떤 경향을 보이는가?	1. 일반적으로 프리로드가 증가할수록, 저널 편심량, 저널 자세각, 최소유막두께는 감소하고 마찰토크는 증가하는 경향을 갖는다. 2.

참고문헌 (10)

Agrawal, G. L., "Foil Air/Gas Bearing Technologyan Overview," ASME paper No. 97-GT-347, 1997.
Kim, T. H. and San Andres, L., "Heavily Loaded Gas Foil Bearings: A Model Anchored to Test Data," ASME J. Eng. gas turbines Power, Vol. 130, No. 1, p. 012504, 2008.

상세보기
San Andres, L. and Kim, T. H., "Analysis of Gas Foil Bearings Integrating FE Top Foil Models," Tribol. Int., Vol. 42, No. 1, pp. 111-120, 2009.

상세보기
Kim, T. H., Breedlove, A. W., and San Andres, L., "Characterization of a Foil Bearing Structure at Increasing Temperatures: Static and Dynamic Force Performance," ASME J. Tribol., Vol. 131, No. 4, p. 041703, 2009.

상세보기
Heshmat, H., Shapiro, W., and Gray, S., "Development of Foil Journal Bearings for High Load Capacity and High Speed Whirl Stability," ASME J. Lubr. Technol., Vol. 104, pp. 149-156, 1982.

상세보기
DellaCorte, C., and Valco, M. J., "Load Capacity Estimation of Foil Air Journal Bearings for Oil-Free Turbomachinery Applications," NASA/TM-2000-209782, 2000.
Kim, T. H., San Andres, L., "Effects of a Mechanical Preload on the Dynamic Force Response of Gas Foil Bearings: Measurements and Model Predictions," STLE Tribol. Trans., Vol. 52, No. 4, pp. 569-580, 2009.

상세보기
Sim, K., Lee. Y.-B. Kim, T. H., "Effects of Mechanical Preload and Bearing Clearance on Rotordynamic Performance of Lobed Gas Foil Bearings for Oil-Free Turbochargers," STLE Tribol. Trans., Vol. 56, pp. 224-235, 2013.

상세보기
Kim, D., "Parametric Studies on Static and Dynamic Performance of Air Foil Bearings with Different Top Foil Geometries and Bump Stiffness Distributions," ASME J. Tribol., Vol. 129, No. 2, pp. 354-364, 2007.

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Iordanoff, I., "Analysis of an Aerodynamic Compliant Foil Thrust Bearing: Method for a Rapid Design," ASME J. Tribol. Vol. 121, pp. 816-822, 1999.

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