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피봇 강성을 고려한 틸팅 패드 저널 베어링의 해석
Analysis of Tilting Pad Journal Bearings Considering Pivot Stiffness 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.30 no.2, 2014년, pp.77 - 85  

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

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study set out to predict the load capacity and rotordynamic coefficients of tilting-pad journal bearings, taking the pivot stiffness into account. The analysis uses rocker-back (cylindrical) and ball in socket (spherical) pivot models, both of which are based on Hertzian contact stress theory. ...

주제어

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문제 정의

  • 이처럼 국내외의 틸팅 패드 저널 베어링에 대한 다양한 연구가 진행 되어왔지만 피봇을 고려한 틸팅 패드 저널 베어링의 피봇 설계에 따른 베어링의 정 · 동 특성 해석은 많은 연구가 진행되지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 틸팅 패드 저널 베어링의 정 · 동특성 예측을 통한 설계 기술을 개선하기 위해 피봇 형상 및 하중조건에 따른 피봇 강성을 예측하고 피봇 모델이 베어링의 운전 특성에 미치는 영향을 해석적으로 분석하고자 한다.

가설 설정

  • 참고문헌[11]에 따르면 Hertz는 곡률을 가지는 탄성 물체간의 접촉에서 하중에 따른 표면 응력 및 변형량에 대한 수학적 이론을 확립 하였으며, 이를 실험적으로 증명하였다. 해석 모델은 패드에 가해지는 하중이 피봇에 집중하중으로 작용하는 것을 가정하였다. 볼 소켓형 피봇은 패드 하단에 위치한 소켓이 반구형의 피봇을 감싸는 형태로 점 접촉을 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
틸팅 패드 저널 베어링의 특징은? 최근에는 보편적 기술의 발전으로 인해 다단 압축기, 펌프, 및 가스터빈 등의 고속회전기기에 적용되고 있으며, 기술 향상을 위한 응용 연구가 활발하게 진행되고 있다. 틸팅 패드 저널 베어링은 구름 베어링에 비해서 고속 구동과 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 다른유체 윤활 저널 베어링에 비해서 연성 강성 계수 (Cross-Coupled Stiffness Coefficients)가 없거나 매우 작아 고속에서도 안정적으로 저널의 회전이 가능하다. 그러나, 아직까지 베어링 냉각 설계 및 패드를 지지하는 피봇의 설계 기술에 있어서는 모델링 및 해석의 어려움이 존재한다.
락커 백형 피봇이 고하중용에 적합한 이유는? 락커 백형 피봇의 경우 패드 하단면의 곡률반경과 하우징의 곡률반경의 차이로 인해 패드는 하우징과 축 방향으로 선 접촉을 한다. 하중으로 인해 피봇이 변형될 때 볼 소켓형 피봇에 비해 넓은 접촉 면적을 갖기 때문에 고하중용으로 사용이 가능하다. 참고문헌[8]에 따르면 락커 백형 피봇의 강성은 식 (2)로 계산이 가능하다.
틸팅 패드 저널 베어링은 어떤 구조를 갖는가? 1은 틸팅 패드 저널 베어링의 해석 모델을 보여준다. 틸팅 패드 저널 베어링은 피봇(Pivot)에 지지된 틸팅 패드(Tilting pad)가 저널(Journal)을 지지하는 베어링 면을 형성하는 구조를 갖는다. 베어링의 설계를 위한 변수는 저널의 반경(R), 패드의 개수, 패드의 원주길이(θpad), 베어링 원주 좌표계 원점 및 패드 선단으로부터의 피봇의 거리(φp, θp), 베어링 간극 (cb), 기계적 예압 또는 프리로드(cp-cb), 피봇의 형상등이다.
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참고문헌 (15)

  1. Kim, J. S., Kim, K. W., "Inlet Pressure Effects on the Static and Dynamic Characteristics of Tilting-Pad Journal Bearings", JSME Int. J. Ser. 3, Vol. 35, pp. 121-127, 1992. 

  2. Ha, H. C., Kim, K. W., "Dynamic Analysis of a Large Tilting Pad Journal Bearing Including the Effects of Temperature Rise and Turbulence", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. Vol. 19, No. 2, pp. 313-321, 1995. 

  3. Kim, S. G., Kang, J. H., Kim, K. W., "Effect of Pad Number on the Static Performances of Large Tilting Pad Journal Bearings", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 20, No. 6, pp. 330-336, 2004. 

  4. Ha, J. W., Myung, J. H., Suk, J. I., Lee, A. S., "Effect of Preload in a Tilting Pad Bearing of Load-Between-Pad and Load-On-Pad Configurations on the Lateral Vibration Characteristics of Small Gas Turbine," Proc. KMFA 2010, pp. 131-137, 2010. 

  5. Ha, J. W., Myung, J. H., Suk, J. I., Lee, A. S., Kim, Y. C., "Effects of Design Conditions in Five Pad Tilting Pad Bearing on the Lateral Vibration Characteristics of Small Gas Turbine," Trans. KSNVE, Vol. 21, No. 8, pp. 752-760, 2011. 

  6. Nicholas, J. C., Gunter, E. J., Allaire, P. E., "Stiffness and Damping Coefficients for the Five Pad Tilting Pad Bearing", ASLE Trans., Vol. 22, No. 2, pp. 112-124, 1979. 

  7. Kirk, R. G., Reedy, S. W., "Evaluation of Pivot Stiffness for Typical Tilting-Pad Journal Bearing Designs", ASME J. Vib. Acoust, Stress and Reliab., Vol. 110, No. 2, pp. 165-171, 1988. 

  8. Nicholas, J. C., Wygant, K. D.,"Tilting Pad Journal Bearing Pivot Design for High Load Applications", Proc. 24th Turbomachinery Symposium, Turbomachinery Laboratory, Texas A&M University, College Station, TX, pp. 33-47, 1995. 

  9. San Andres, L., "Hybrid Flexure Pivot-Tilting Pad Gas Bearings: Analysis and Experimental Validation", ASME J. Tribol., Vol. 128, pp. 551-558, 2006. 

  10. Childs, D., Harris, J., "Static Performance Characteristics and Rotordynamic Coefficients for a Four-Pad Ball-in-Socket Tilting Pad Journal Bearing", ASME J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 131, p. 062502, 2009. 

  11. Young, W. C., Budynas, R. G., Roark's Formulas for Stress and Strain, 7th Edition., Chap. 13, McGraw-Hill, New York, 2001. (ISBN-13: 9780070725423) 

  12. Balbahadur, A. C, A Theromelastohydrodynamic Model of The Morton Effent Operation in Overhung Rotors Supported by Plain or Tilting Pad Journal Bearings, Doctoral Thesis, Mechanical Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia, 2001. 

  13. Monmousseau, P., Fillon, M., Frene, J., "Transient Thermoelastohydrodynamic Study of Tilting Pad Journal Bearings-Comparison between Experimental Data and Theoretical Results", ASME J. Tribol., Vol. 119, pp. 401-407, 1997. 

  14. Reddy, J. N., An Introduction to the Finite Element Method, 2nd Edition, Chap. 8, McGRAW-HILL, New York, 1993. (ISBN: 0071127992) 

  15. Someya, T, Journal-Bearing Databook, 1st Edition, pp. 11,146-148, Springer-Verlag, Berlin, 1989. (ISBN: 354017074X) 

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