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가스터빈 엔진용 고속 베어링의 상세 설계를 위한 베어링 하중 조건에 관한 연구
A Study of Loading Conditions for Developing the High-speed Bearings of the Gas-turbine Engine 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.19 no.4, 2015년, pp.102 - 109  

김선제 (The 4th R&D Institute, Agency for Defense Development) ,  김용련 (The 4th R&D Institute, Agency for Defense Development)

초록
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본 연구에서는 가스 터빈 엔진용 고속 베어링 설계의 첫 단계로 엔진 작동 조건에 따른 베어링 하중을 도출한다. 대상 가스터빈 엔진의 베어링에는 공력 하중, 자중, 가속에 따른 관성력이 부여된다. 이에 3-D 공간상에서의 힘 평형 조건과 자이로스코픽 효과를 고려한 모멘트 평형식을 기반으로 베어링에 부가되는 하중을 예측한다. 최종적으로 합동운용규격지침서(Joint Service Specification Guide)에 제시된 엔진 운용 조건으로부터 과도상태 최대, 최소 베어링 하중 조건 및 정상상태 최대, 최소 베어링 하중 조건을 도출한다. 본 연구를 통해 확보된 베어링 하중 조건은 추후 설계 단계인 베어링의 형상 설계와 성능 검증 시험의 경계 조건으로 활용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The methodology to calculate loads on the bearings of the gas-turbine engine is presented for design of high-speed bearing. Firstly, the loads on the bearings are formulated according to the force and moment equilibrium with gyroscopic moment in three-dimensional space. Afterward, operating loading ...

주제어

#고속 베어링   #가스터빈 엔진   #합동운용규격지침서   #하중 조건  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구에서는 가스터빈 엔진용 고속 베어링의 설계 첫 단계로서 기 설계된 엔진 회전축을 지지하는 베어링의 작동 조건에 대해서 분석하였다. 회전축의 축방향 회전에 의한 자이로스코픽 효과를 고려하여 각 좌표축 및 베어링에 부여되는 하중을 도출하였으며, 최종적으로는 JSSG-2007A 기준에 맞춰 최대, 최소 하중 조건을 계산할 수 있었다.
  • 본 연구에서는 가스터빈 엔진의 고속 베어링 설계의 첫 단계로 3차원 공간상에서 공력 하중, 자중 및 관성력에 의해 주축 베어링에 인가되는 하중 관계식을 유도하고, 엔진 운용 조건을 기준으로 베어링 하중을 예측 및 분석하여 베어링 상세 설계를 위한 기초 경계조건(boundary conditions)을 제공하고자 한다.

가설 설정

  • 1) 부하 및 각속도, 각가속도는 엔진의 CG를 기준으로 계산된다.
  • 2) 측면 부하(S.L)는 좌우 모두 고려한다.
  • 이 중 유체에 의해 발생하는 축방향 공력 하중(axial air load)은 팬 및 압축기의 전후 역압력 구배에 따른 축방향 하중(양의 x-축 방향)과 터빈 기준 전후 정압력 구배에 따른 축방향 하중(음의 x-축 방향)의 합이다. 이러한, 축방향 하중은 씰(seal)의 직경 및 2차 유로의 압력 구배 설계 결과를 이용하여 구할 수 있으며, 공력 하 중은 엔진 운용 RPM 범위 내에서 회전 속도의 제곱에 비례함을 가정하였다. 따라서 100% 회전 속도(Nmax)에서의 축방향 공력 하중((Faxial,air)max)을 기준으로 회전속도(N)에 따라 Eq.
  • 앞선 장에서 정의한, 축의 자중 및 공력 하중을 포함하여, 베어링에 가해지는 힘 및 모멘트는 회전축의 가속도와 각 가속도에 대한 평형식으로 표현된다. 회전축을 강체(rigid body)라고 가정하고, 관성좌표계(inertial frame)에서 회전축에 작용하는 힘에 대한 평형 관계식을 세우면 Eq. 2와 같다.
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참고문헌 (7)

  1. Lee, J.H., Kim, S.G., Kang, S.C., Kim, M.S. and Kim, S.W., "Development of the Bearing/Damper Test Rig for Gas Turbine Engine," Proceedings of the 1999 KSNVE Fall Conference, Seoul, Korea, pp. 468-473, Nov. 1999. 

  2. Kim, K.T. and Kim, S.K., "Study on Fuel Lubrication Performance of a High Speed Rolling Element Bearing," Proceedings of the 2008 KSPE Fall Conference, Daejeon, Korea, pp. 424-426, Nov. 2008. 

  3. Poplawski, J.V., Atwell, D.R., Lubas, M.J. and Odessky, V., "Predicting Steady-State Temperature, Life, Skid, and Film Thickness in a Greased Preloaded Hybrid Ball Bearing," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 118, No. 2, pp. 443-448, 1996. 

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  4. Poplawski, J.V., "COBRA-AHS User's Guide with Tutorial Problems," J.V. Poplawski & Associates, Bethlehem, PA, USA, 1998. 

  5. Kim, K.S., Lee, S.W., Kim, S.W. and Lee, I., "Application of Foil Air Bearing to Small Gas Turbine Engine for UAV," Proceedings of the 2003 KSPE Fall Conference, Gwangju, Korea, pp. 261-266, Oct. 2003. 

  6. Rolls-Royce plc, The Jet Engine, 5th ed., The Technical Publications Department: Rolls-Royce, Derby, England, 1996. 

  7. Department of Defense, "Joint Service Specification Guide," JSSG-2007A, 2004. 

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