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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 Pressurization 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.10, 2015년, pp.1029 - 1037  

심규호 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) ,  박지수 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) ,  이상훈 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

초록
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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 가스포일베어링범프 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (11)

  1. Lee, Y.-B., 2012, "Trends of Rotor Dynamics and Tribology Element," The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 14, No. 2, pp. 80-84. 

  2. Heshmat, H., Shapro, W. and Gray, S., 1981, "Development of Foil Journal Bearings for High Load Capacity and High-Speed Whirl Stability," Journal of Lubrication Technology, Vol. 104, No. 2, pp.149-156. 

  3. Jo, J.-H., Kim, C.-H. and Rhim, Y.-C., 2005, "A Study on the Dynamic Characteristics of Bump Foils Considering Coulomb Friction Damping in Air Foil Bearing," Journal of the KSTLE, 41th Conference and Annual General Meeting, pp.100-106. 

  4. Lee, Y.-B., Kim, T.-H., Kim, C.-H., Lee, N.-S. and Dong-Hoon Choi, 2002, "An Experimental Study on the Structural Dynamic Coefficients of Self-Acting Compliant Foil Journal Bearings," Journal of the KSTLE, Vol. 18, No. 1, pp.42-48. 

  5. Salehi, M., Heshmat, H. and Walton, J. F., 2003, "On the Frictional Damping Characterization of Compliant Bump Foils," Journal of Tribology, Vol.125, No.4, pp.804-813. 

  6. Andres, L. S. and Chirathadam, T. A., 2011, "Metal Mesh Foil Bearing: Effect of Motion Amplitude, Rotor Speed, Static Load, and Excitation Frequency on Force Coefficients," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 133, No. 12, pp.122503(10 pages). 

  7. Zhang, D., Scarpa, F., Ma, Y., Hong, J. and Mahadik, Y., 2014, "Dynamic Mechanical Behavior of Nickel-Based Superalloy Metal Rubber," Journal of Materials & Design, Vol.56, April, pp.69-77. 

  8. Carfagni, M., Lenzi E. and Pierini M., 1998, "The Loss Factor as a Measure of Mechanical Damping," Proceedings of the 16th International Modal Analysis Conference, Vol. 3243, pp.580(5 pages). 

  9. Figliola, R. S. and Beasley, D. E., 2010, "Theory and Design for Mechanical Measurements," 4rd edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, pp.133-155. 

  10. Inman, D. J., 2012, "Engineering Vibrations," 3rd edition, Pearson Education Korea, inc. 

  11. Richard S. Figliola, Donald E. Beasley, 2010, "Theory and Design for Mechanical Measurements," 4th, Seoul, pp.116-260. 

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