[논문]가스 포일 베어링으로 지지된 고속 회전체의 경사각과 베어링의 기계적 예압이 고유 진동수와 불안정성 발생 속도에 미치는 영향

박문성; 이종성; 김태호

doi:10.9725/kstle.2014.30.3.131

가스 포일 베어링으로 지지된 고속 회전체의 경사각과 베어링의 기계적 예압이 고유 진동수와 불안정성 발생 속도에 미치는 영향
Effects of the Slopes of the Rotational Axis and Bearing Preloads on the Natural Frequencies and Onset Speed of the Instability of a Rotor Supported on Gas Foil Bearings 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.30 no.3, 2014년, pp.131 - 138

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

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the effects of the slopes of the rotational axis and bearing preloads on the natural frequencies and onset speeds of the instability of a rotor supported on gas foil bearings (GFBs). The predictive model for the rotating system consists of a rigid rotor supported on two gas foil journal bearings (GFJBs) and a pair of gas foil thrust bearings (GFTBs). Each GFJB supports approximately half the rotor weight. As the slope of the rotational axis increases from $0^{\circ}$(horizontal rotor operation) to $90^{\circ}$(vertical rotor operation), the applied load on the GFJB owing to the rotor weight decreases. The predictions show that the natural frequency and onset speed of instability decrease significantly with an increase in the slope of the rotational axis. In a parametric study, the nominal radial clearance and preload for the GFJB were changed. In general, a decrease in the nominal radial clearance lead to an increase in the natural frequency and onset speed of instability. For constant assembly clearance, the decrease in the preload changed the natural frequency and onset speed of instability with insignificant improvements in the rotordynamic stability. The present predictions can be used as design guidelines for GFBs for oil-free high-speed rotating machinery with improved rotordynamic performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 3 pad GFJB으로 지지되는 회전체-베어링 시스템에서 베어링의 기계적 예압과 회전축의 경사각이 동시에 변화할 때 고유진동수와 불안정성의 변화에 대해 해석하고 이에 따른 고속 터보기계의 안정성을 향상시키는 방향을 제시한다.

가설 설정

회전체-베어링 시스템이 바닥과 수평인 0°를 기준으로 30°, 60° 그리고 수직으로 세워진 90° 에 대하여 해석 케이스를 선정하였다. 19.36 N의 하중을 갖는 회전축을 두 개의 3 pad GFJB 이동일한 하중 9.68 N을 나누어 지지한다고 가정하였다. 경사각이 증가할수록 베어링이 지지하는 하중은 감소 하여 수직인 90°에서는 지지하는 하중이 없으므로 해석 가능한 상대적으로 작은 값인 1 N으로 가정하여 해석을 수행하였다.
68 N을 나누어 지지한다고 가정하였다. 경사각이 증가할수록 베어링이 지지하는 하중은 감소 하여 수직인 90°에서는 지지하는 하중이 없으므로 해석 가능한 상대적으로 작은 값인 1 N으로 가정하여 해석을 수행하였다.
주강성(K_XX)은 회전 속도 약 30 krpm을 기준으로 강성 계수가 비선형적으로 감소하다 다시 선형적으로 증가한다. 주강성(K_YY)은 회전 속도에 선형적으로 증가한다. 일반적으로 연성강성(K_XY, K_YX)은 주강성(K_XX, K_YY)에 비하여 작은 값을 가진다.

제안 방법

유체 동압(Hydrodynamic) 베어링의 한 형태인 가스포일 저널 베어링(GFJB)은 회전속도에 따라 공기 유막의 강성과 감쇠계수가 변하기 때문에 회전기 시스템의 고유진동수와 감쇠비 해석을 통한 불안정성 예측이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 안정성이 뛰어난 것으로 알려진 3pad GFJB의 회전 속도에 따른 강성과감쇠 계수를 해석을 통해 예측하였으며, 회전축의 경사각과 베어링의 기계적 예압이 소형 영구자석 전동기 회전체 시스템의 1, 2차 mode 고유진동수와 불안정성 발생 속도(OSI)에 미치는 영향을 예측하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

이론/모형

베어링의 해석을 위해서 공기유막을 등온, 등점성, 이상기체로 가정하여 (1)과 같은 압축성 유체를 위한 레이놀즈 방정식(Reynolds equation)을 적용하였다[8].

성능/효과

1) 일반적으로 회전 속도가 증가할수록 3 pad GFJB의 주강성은 증가하고 연성감쇠는 감소한다. 또한 주강성과 주감쇠는 연성강성 및 연성감쇠 보다 큰 값을 갖는다.
2) 회전 속도가 증가할수록 3 pad GFJB으로 지지된 소형 영구자석 전동기의 1, 2차 mode 고유진동수는 증가하고 감쇠비는 감소한다.
3) 일반적으로 회전체의 경사각이 감소할수록 그리고 기계적 예압이 감소할수록 1, 2차 mode의 고유진동수와 불안정성 발생 속도(OSI)가 증가 하여 안정성이 향상된다.
4) 일반적으로 작은 베어링 간극과 조립 간극을 유지하는 것은 불안정성 발생 속도를 늦추어 고속 회전시 안정성 향상에 유리하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	불안정성 발생 속도(onset speed of instability, OSI)는 무엇을 정의하는가?	이는 실제 구동에서 큰 진폭을 갖는 비동기 진동 성분(subsynchronous)으로 나타난다[8]. 감쇠비가음의 값을 갖는 지점은 불안정성 발생 속도(onset speed of instability, OSI)로 정의된다.
	가스 포일 베어링(gas foil bearing) 구조가 회전체-베어링 시스템의 안정성을 향상시키는 방법은 무엇인가?	이러한 구조는 넓은 범위의 최소유막두께를 형성하여 베어링의 하중지지능력(load capacity)을 향상시킨다[1]. 또한 탄성 구조체간의 상호 작용을 통하여 발생하는 마찰력으로 인한 강성(stiffness) 증가와 마찰 감쇠(coulomb damping)를 생성하여 회전체-베어링 시스템의 안정성을 향상시킨다[2].
	가스 포일 베어링(gas foil bearing)은 무엇으로 구성되는가?	가스 포일 베어링(gas foil bearing)은 베어링 하우징 (bearing housing) 내면에 탑 포일(top foil)과 그 아래 위치한 범프 포일(bump foil)의 탄성 구조체(elastic foil structure)로 구성된다. 이러한 구조는 넓은 범위의 최소유막두께를 형성하여 베어링의 하중지지능력(load capacity)을 향상시킨다[1].

참고문헌 (14)

Agrawal, G. L., "Foil Air/Gas Bearing Technology: An Overview", ASME paper No. 97-GT-347, 1997.
Heshmat, H., Walowit, J. A. and Pinkus, O., "Analysis of Gas-Lubricated Foil Journal Bearings", ASME J. Lubr. Technol., Vol. 105, No. 4, pp. 647-655, 1983.

상세보기
Peng, J.-P. and Carpino, M., "Calculation of Stiffness and Damping Coefficients for Elastically Supported Gas Foil Bearings", ASME J. Tribol., Vol. 115, No. 1, pp. 20-27, 1993.

상세보기
Heshmat, H., "Advancements in the Performance of Aerodynamic Foil Journal Bearings: High Speed and Load Capability", ASME J. Tribol., Vol. 116, No. 2, pp. 287-295, 1994.

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Dellacorte, C., Fellenstein, J. A. and Benoy, P. A., "Evaluation of Advanced Solid Lubricant Coatings for Foil Air Bearings Operating at $25^{\circ}$ and $500^{\circ}C$ ", NASA/TM-1998-208660, 1998.
Bruckner, R. J. and Puleo, B. J., "Compliant Foil Journal Bearing Performance at Alternate Pressures and Temperatures", ASME Paper No. GT2008-50174, 2008.
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, No. 2, pp. 149-156, 1982.

상세보기
Kim, T. H. and 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
Koo, B. J., Sim, K. H. and Kim, T. H., "Rotordynamic Performance of a Rotor Supported on 3 Pad Gas Foil Bearings: Effect of Bearing Geometry", KSTLE Spring Conference, 2013.
Lee, J. S. and Kim, T. H. "Analysis of Three-Pad Gas Foil Journal Bearing for Increasing Mechanical Preloads", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 30, No. 1, pp. 1-8, 2014.

원문보기 상세보기
Radil, K., Howard, S., and Dykas, B., "The Role of Radial Clearance on the Performance of Foil Air Bearings," STLE Tribol. Trans., Vol. 45, No. 4, pp. 485-490, 2002.

상세보기
Kim, T. H., San Andres, L., Nourse J., Wade, J. L. and Lubell, D. R., "Modeling of a Gas Foil Bearing for Microturbine Applications: Predictions versus Experimental Stiffness and Damping Force Coefficients", World Tribology Congress, Kyoto, Japan, Sept. 2009.
Walton, J. F. and Heshmat, H., "Application of Foil Bearings to Turbomachinery Including Vertical Operation", ASME J. Eng. Gas Turbine Power, Vol. 124, No. 4, pp. 1032-1041, 2002.

상세보기
Sim, K. H., Koo, B. J., Lee, J. S. and Kim, T. H., "Effects of Mechanical Preloads on the Rotordynamic Performance of a Rotor Supported on 3 Pad Gas Foil Journal Bearings", AMSE Paper No. GT2014-25849, 2014.

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