가스 포일 베어링 범프 구조의 1 자유도 가진/가압 실험을 통한 주파수 의존 동특성 규명 Identification of Frequency-Dependent Dynamic Characteristics of a Bump Structure for Gas-Foil Bearings via 1-DOF Shaker Tests Under Air Pressurization원문보기
최근 회전 시스템의 고속화 경향에 따라 회전체 동역학적 안정성의 중요성이 부각되었다. 고속회전 시스템에 적용되는 가스베어링의 동특성을 규명하는 것은 회전체의 거동을 예측하는데 상당히 중요하다. 본 연구에서는 대표적인 가스베어링인 가스포일베어링의 범프 구조에 대하여 가진실험을 수행하고 가진 주파수에 따른 동특성을 측정하였다. 실험 결과, 범프 구조의 강성은 주파수에 따라 증가하였고 감쇠는 감소하였다. 또한, 가압 조건에서의 동특성은 범프 구조의 동특성 보다 낮은 값을 가졌다. 본 실험을 통해 범프 구조의 주파수 의존 동특성의 경향을 파악하였으며 가스포일베어링의 동특성에 윤활막이 미치는 영향에 대해 확인하였다. 또한 두 가지 동특성 계산 방법을 제시하여 실험결과를 통해 효과 적인 동특성 계산 방법에 대해 비교 고찰하고 범프 구조와 윤활막의 동특성을 비교 하였다.
최근 회전 시스템의 고속화 경향에 따라 회전체 동역학적 안정성의 중요성이 부각되었다. 고속회전 시스템에 적용되는 가스베어링의 동특성을 규명하는 것은 회전체의 거동을 예측하는데 상당히 중요하다. 본 연구에서는 대표적인 가스베어링인 가스포일베어링의 범프 구조에 대하여 가진실험을 수행하고 가진 주파수에 따른 동특성을 측정하였다. 실험 결과, 범프 구조의 강성은 주파수에 따라 증가하였고 감쇠는 감소하였다. 또한, 가압 조건에서의 동특성은 범프 구조의 동특성 보다 낮은 값을 가졌다. 본 실험을 통해 범프 구조의 주파수 의존 동특성의 경향을 파악하였으며 가스포일베어링의 동특성에 윤활막이 미치는 영향에 대해 확인하였다. 또한 두 가지 동특성 계산 방법을 제시하여 실험결과를 통해 효과 적인 동특성 계산 방법에 대해 비교 고찰하고 범프 구조와 윤활막의 동특성을 비교 하였다.
Recently, the importance of rotordynamic stability has been increased because of the tendency to employ ultra-high speeds in rotating machinery. In particular, the dynamic characteristics of gas bearings for high-speed rotating machinery need to be identified at various excitation frequencies to pre...
Recently, the importance of rotordynamic stability has been increased because of the tendency to employ ultra-high speeds in rotating machinery. In particular, the dynamic characteristics of gas bearings for high-speed rotating machinery need to be identified at various excitation frequencies to predict the rotor's behavior. In this study, we perform dynamic loading tests for gas-foil bearings (GFBs) to determine the bump foil structure and an air-film combined bump-foil structure for varying excitation frequencies. We calculate the dynamic characteristics from the measured force and displacement data. The air film is generated by a pressurized air supply. Based on the results, the stiffness coefficients of the bump structure and the air-film combined bump structure increased, while the damping coefficients decreased at increasing excitation frequencies. Further, the stiffness and damping coefficients of the air-film combined structure show lower values than those of the bump structure. Consequently, we identify the frequency-dependent dynamic characteristics of the bump structure and the effect of gas film on the dynamic characteristics of GFBs. Furthermore, to reveal the effectiveness of the proposed method, we perform experiments and discuss two methods of extracting the dynamic characteristics from the measured data.
Recently, the importance of rotordynamic stability has been increased because of the tendency to employ ultra-high speeds in rotating machinery. In particular, the dynamic characteristics of gas bearings for high-speed rotating machinery need to be identified at various excitation frequencies to predict the rotor's behavior. In this study, we perform dynamic loading tests for gas-foil bearings (GFBs) to determine the bump foil structure and an air-film combined bump-foil structure for varying excitation frequencies. We calculate the dynamic characteristics from the measured force and displacement data. The air film is generated by a pressurized air supply. Based on the results, the stiffness coefficients of the bump structure and the air-film combined bump structure increased, while the damping coefficients decreased at increasing excitation frequencies. Further, the stiffness and damping coefficients of the air-film combined structure show lower values than those of the bump structure. Consequently, we identify the frequency-dependent dynamic characteristics of the bump structure and the effect of gas film on the dynamic characteristics of GFBs. Furthermore, to reveal the effectiveness of the proposed method, we perform experiments and discuss two methods of extracting the dynamic characteristics from the measured data.
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문제 정의
참고로 두 측정 변위의 진폭과 위상각이 다를 경우 정확하게 시편이 상하진동을 하지 않고 회전 운동(Tilting motion)을 하는 것을 의미한다. 따라서 본 실험에서는 실험의 정확성을 위해 두 변위 신호가 최대한 일치하도록 하여 실험을 진행하였다.
이처럼 많은 연구자들이 범프 구조의 동특성을 규명하기 위해 노력해왔지만 범프 포일 구조와 윤활층의 동특성을 비교 분석하는 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 범프 구조에 대하여 주파수에 따른 가진 실험을 수행하고 동적 계수 추출법에 대하여 고찰한다. 또한 GFB 동특성에 대한 윤활막 효과를 확인하기 위하여 가압 조건에서 측정하여 구조 동특성과 윤활층의 동특성을 비교 분석한다.
본 연구에서는 공기 포일 베어링(GFB)의 범프 구조에 대하여 다양한 주파수에서 공기층 조건에 따라 동적 가진 실험을 진행하여 주파수에 따른 강성 및 감쇠의 동적 특성을 측정하였다. 측정 힘과 변위로부터 동특성을 추출하는 두 가지 동특성 계산 방법(지배방정식 접근방법과 이력 곡선 접근방법)을 실험 결과를 기반으로 비교 및 고찰하였다.
본 절에서는 지배방정식 접근방법과 이력 곡선 접근방법으로 계산한 구조 동특성 실험 결과를 비교 분석하여 효과적인 계산 방법에 대해서 고찰한다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 범프 구조에 대하여 주파수에 따른 가진 실험을 수행하고 동적 계수 추출법에 대하여 고찰한다. 또한 GFB 동특성에 대한 윤활막 효과를 확인하기 위하여 가압 조건에서 측정하여 구조 동특성과 윤활층의 동특성을 비교 분석한다. 동적 계수 추출법은 운동방정식과 이력 곡선(Hysteresis curve)을 이용하여 비교/고찰한다.
측정 힘과 변위로부터 동특성을 추출하는 두 가지 동특성 계산 방법(지배방정식 접근방법과 이력 곡선 접근방법)을 실험 결과를 기반으로 비교 및 고찰하였다. 또한 공기층 유무에 따른 범프 구조의 동특성을 측정하고 비교/분석하였다. 본 연구를 통해 도출한 결과는 다음과 같다.
범프 구조에 대하여 가압에 의한 공기층 형성이 없는 조건에서 시편의 구조 동특성을 측정하였다 (Fig. 2(b), 좌측).
본 실험은 가스 베어링의 공기 윤활막을 모사하기 위하여 시편에 압축 공기를 공급하여 공기층을 형성한 조건에서 구조와 공기층의 복합 동특성을 측정하였다(Fig. 2(b), 우측).
시편에 가해지는 가진력과 시편에 발생하는 변위를 1개의 포스센서와 2개의 변위센서로 측정 및 기록한다. 측정된 가진력과 변위는 푸리에 급수(Fourier series)를 이용하여 회귀분석(Regression analysis)을 한다.
본 연구에서는 공기 포일 베어링(GFB)의 범프 구조에 대하여 다양한 주파수에서 공기층 조건에 따라 동적 가진 실험을 진행하여 주파수에 따른 강성 및 감쇠의 동적 특성을 측정하였다. 측정 힘과 변위로부터 동특성을 추출하는 두 가지 동특성 계산 방법(지배방정식 접근방법과 이력 곡선 접근방법)을 실험 결과를 기반으로 비교 및 고찰하였다. 또한 공기층 유무에 따른 범프 구조의 동특성을 측정하고 비교/분석하였다.
대상 데이터
범프 구조의 재료는 고온 소재인 인코넬(Inconel X-750)이며 범프 포일의 두께는 0.127 mm, 탑 포일의 두께는 0.147 mm 이다. 탑 포일은 회전체와의 마찰을 줄이기 위해 몰리브덴(MoS2)가 0.
2 는 GFB 범프 구조의 가진 동특성 측정을 위한 실험 장치의 사진과 개념도를 보여준다. 실험장치는 가진기(Electromagnetic exciter, MB DYNAMICS MODAL 50A), 가진축(Stinger)이 연결된 상부 플레이트(Upper plate)와 시편이 놓여 있는 하부 플레이트(Lower plate), 동하중(Dynamic force) 측정용 포스 센서 (Force sensor, PCB 208C03) 및 와전류형 변위 센서(Eddy-current displacement sensor, BENTLY NEVADA 3300 XL NSV)로 구성된다. 함수발생기(Function generator, AGILENT 33210A)는 일정한 진폭과 주파수의 파형을 생성하여 가진기에 입력하여 동적 힘을 발생한다.
데이터처리
본 실험에서는 실험 결과의 신뢰성을 확보를 위하여 각 실험조건에 대하여 10 회 반복 측정하고, 평균 및 표준편차를 구함으로써 불확도 분석을 수행하였다. 각 실험조건에서 표본 평균(#)은 다음과 같다.
동적 계수 추출법은 운동방정식과 이력 곡선(Hysteresis curve)을 이용하여 비교/고찰한다. 실험 결과는 반복 측정 및 불확도 분석을 통하여 오차범위를 합리적으로 추정하고 실험 신뢰성을 확보하였다.
시편에 가해지는 가진력과 시편에 발생하는 변위를 1개의 포스센서와 2개의 변위센서로 측정 및 기록한다. 측정된 가진력과 변위는 푸리에 급수(Fourier series)를 이용하여 회귀분석(Regression analysis)을 한다. 참고로 두 측정 변위의 진폭과 위상각이 다를 경우 정확하게 시편이 상하진동을 하지 않고 회전 운동(Tilting motion)을 하는 것을 의미한다.
이론/모형
또한 GFB 동특성에 대한 윤활막 효과를 확인하기 위하여 가압 조건에서 측정하여 구조 동특성과 윤활층의 동특성을 비교 분석한다. 동적 계수 추출법은 운동방정식과 이력 곡선(Hysteresis curve)을 이용하여 비교/고찰한다. 실험 결과는 반복 측정 및 불확도 분석을 통하여 오차범위를 합리적으로 추정하고 실험 신뢰성을 확보하였다.
성능/효과
(1) 범프 구조의 강성은 주파수에 따라 증가하며 감쇠는 감소하는 경향이다. 이는 주파수 증가에 따라 범프 구조와 고정 플레이트 사이의 미끄러짐 현상의 변화, 즉 범프 슬립 감소 및 스틱 증가의 영향으로 판단된다.
(2) 지배방정식과 이력곡선 접근법에 의한 강성계수의 계산은 지배방정식을 이용할 경우 관성항에 의해 과대 평가되며 감쇠계수는 비슷한 값을 가진다. 따라서, 지배방정식 접근법을 사용할 경우 관성항에 대한 보정을 필요로 한다.
(3) 가압 조건의 공기층과 연성된 범프 구조의 강성과 감쇠계수는 범프 구조 단독의 동특성에 비해 작은 값을 가진다. 분석 결과, 가압된 공기층의 동특성은 기체라는 특성에도 불구하고 범프 구조에 대하여 의미있는 크기를 가진다.
강성계수는 공진점에서 최소가 되며 이후 가진 주파수 증가에 따라 증가하는 경향이다. 또한 가압 조건의 강성계수는 공기층과 구조의 연성(Coupling)으로 크게 감소함을 확인할 수 있다.
(4) 조준현 등(3)은 범프 구조의 온도에 따른 동특성을 측정하고 해석 결과와 비교하였다. 범프 포일의 1 차원 가진 실험을 통해 동특성을 측정하였으며 실험 결과, 범프 포일 온도가 증가함에 따라 강성 및 감쇠 계수는 감소하였다. 하지만 범프 포일 구조의 주파수 의존 동특성은 측정하지 않았다.
는 유한 측정수에 대한 가중함수이며 v, p는 각각 표본 집합의 자유도, 신뢰구간이다. 본 연구에서는 표본 집합의 자유도는 9이며 신뢰구간은 95% (가중함수 2.26)이다.(9)
(3) 가압 조건의 공기층과 연성된 범프 구조의 강성과 감쇠계수는 범프 구조 단독의 동특성에 비해 작은 값을 가진다. 분석 결과, 가압된 공기층의 동특성은 기체라는 특성에도 불구하고 범프 구조에 대하여 의미있는 크기를 가진다. 이러한 결과는 실제 GFB에서 가장 높은 압력을 가지는 최소 윤활막 영역에서 윤활 압력의 크기에 따라 회전체 동역학적 성능 변화가 크게 발생할 수 있음을 암시한다.
이용복 등(4)은 GFB 의 감쇠 성능 향상을 위해 포일을 구리, 실리콘 그리고 점탄성 물질로 코팅하여 베어링의 2 자유도 가진 실험을 통해 가진 진폭과 주파수에 따른 동특성을 측정하였다. 실험 결과, 강성계수는 구리범프가 가장 높은 값을 가지며 감쇠계수는 점탄성 범프가 가장 높게 나타났다.
은 1 자유도 가진 실험을 통해 범프 포일 구조의 가진 주파수, 가진 진폭, 초기 하중에 따른 감쇠 특성을 측정하였으며 1 자유도 운동방정식과 이력감쇠를 이용하여 분석하였다. 실험 결과, 주파수 증가와 가진 진폭 증가에 따라 감쇠는 감소하였으며 초기하중 증가에 따라 감쇠는 증가하였다. 하지만 이용복 등(4)과 Mohsen Salehi 등(5)은 윤활층과 범프 구조를 모두 고려한 동특성을 측정하지 않았다.
Luis San Andres 등(6)은 메탈 메쉬 포일 베어링(Metal mesh foil bearing)의 가진 진폭, 주파수에 따른 동특성을 측정하였다. 윤활층이 형성된 조건의 동특성이 구조 동특성보다 낮은 값을 가짐을 실험적으로 확인하였다.
압력 2 bar 조건의 공진점은 약 95 Hz 로 측정되었다. 전체적으로 압력 증가로 인하여 공진주파수와 증폭 율이 증가함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구름베어링이나 오일베어링이 고속 회전체 시스템의 추세에 맞지 않는 이유는 무엇인가?
최근 터보기계, 모터발전기 등 에너지 산업의 핵심 요소인 회전체 시스템의 고속화 경향에 따라 고속에서 회전체 동역학적 안정성은 베어링 요소 개발과 함께 매우 중요하다. 일반적인 고속 회전체 시스템은 구름베어링이나 오일 베어링 등이 주로 사용되고 있지만, 부가적인 오일 순환 시스템 (펌프, 냉각기, 필터, 오일 등)을 필요로 하고, 높은 유지비용과 시스템 크기를 증가시키므로, 비출력 향상을 위하여 고속화, 경량화 되어 가고 있는 고속 회전 시스템의 추세에 맞지 않다.(1)
가스 베어링의 특징은 무엇인가?
반면, 가스 베어링(Gas bearing)은 비접촉식 윤활로 인하여 저마찰, 반영구적 사용의 장점이 있으며, 부가 순환 시스템이 불필요하므로 컴팩트 소형화가 가능하여 초고속 무급유 회전체 시스템의 핵심 윤활 기술로 받아들여진다.
대표적인 가스베어링인 범프형 가스 포일 베어링은 무엇으로 구성되며 그 역할은 무엇인가?
1과 같이 회전축과 베어링 표면 사이의 베어링 틈새(Bearing clearance)에 형성된 공기 윤활층(Gas film)에서 회전축의 자중에 의해 발생하는 웨지(Wedge) 형상에 의해 생성된 압력으로 회전축을 지지하는 동압 베어링(Hydrodynamic bearing)이다.(2,3) GFB 는 탑포일(Top foil)과 범프 포일(Bump foil)로 구성되며, 탑포일은 베어링 표면을 형성하고, 아치 형태의 범프 포일은 탄성 지지력을 제공한다. 베어링 표면의 탄성 변형은 최소 틈새 구간을 확장하여 하중지지력을 향상하고, 범프 포일의 탑포일 및 베어링하우징 (Bearing housing)과의 건마찰(Column friction) 미끄럼 운동은 감쇠 능력을 향상한다.
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