Gas foil thrust bearings (GFTBs) have attractive advantages over rolling element bearings and oil film thrust bearings, such as oil-free operation, high speed stability, and high-temperature operation. However, GFTBs have lower load carrying capacity than the other two types of bearings owing to the...
Gas foil thrust bearings (GFTBs) have attractive advantages over rolling element bearings and oil film thrust bearings, such as oil-free operation, high speed stability, and high-temperature operation. However, GFTBs have lower load carrying capacity than the other two types of bearings owing to the inherent low gas viscosity. The load carrying capacity of GFTBs depends mainly on the compliance of the foil structure and the formed hydrodynamic wedge, where the gas pressure field is generated between the top foil and the thrust runner. The load carrying capacity of the GFTBs is very important for the suitable design of oil-free turbomachinery with high performance. The aim of the present study is to identify the characteristics of the load carrying performance of GFTBs. A new test rig for the experimental measurements is designed to provide static loads up to 800 N using a pneumatic cylinder. The maximum operating speed of the driving motor is 30,000 rpm. A series of experimental tests—lift-off test, static load performance test, and maximum load capacity test—estimate the performance of a six-pad GFTB, in terms of the static load, driving torque, and temperature. The maximum load capacity is determined by increasing the static load until the driving torque rises suddenly with a sharp peak. The test results show that the torque and temperature increase linearly with the static load. The estimated maximum load capacity per unit area is approximately 80.5 kPa at a rotor speed of 25,000 rpm. The test results can be used as a design guideline for GFTBs for realizing oil-free turbomachinery.
Gas foil thrust bearings (GFTBs) have attractive advantages over rolling element bearings and oil film thrust bearings, such as oil-free operation, high speed stability, and high-temperature operation. However, GFTBs have lower load carrying capacity than the other two types of bearings owing to the inherent low gas viscosity. The load carrying capacity of GFTBs depends mainly on the compliance of the foil structure and the formed hydrodynamic wedge, where the gas pressure field is generated between the top foil and the thrust runner. The load carrying capacity of the GFTBs is very important for the suitable design of oil-free turbomachinery with high performance. The aim of the present study is to identify the characteristics of the load carrying performance of GFTBs. A new test rig for the experimental measurements is designed to provide static loads up to 800 N using a pneumatic cylinder. The maximum operating speed of the driving motor is 30,000 rpm. A series of experimental tests—lift-off test, static load performance test, and maximum load capacity test—estimate the performance of a six-pad GFTB, in terms of the static load, driving torque, and temperature. The maximum load capacity is determined by increasing the static load until the driving torque rises suddenly with a sharp peak. The test results show that the torque and temperature increase linearly with the static load. The estimated maximum load capacity per unit area is approximately 80.5 kPa at a rotor speed of 25,000 rpm. The test results can be used as a design guideline for GFTBs for realizing oil-free turbomachinery.
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문제 정의
본 논문에서는 가스 포일 스러스트 베어링의 하중 지지 성능 및 구동 토크 특성을 평가하기 위한 실험 장치를 개발하고, 부상 실험 및 하중지지 실험을 통해 측정한 성능을 고찰하였다. 낮은 하중 상태에서 모터를 25,000rpm까지 구동하여 수행한 부상 실험은 가스 포일 스러스트 베어링이 저속에서는 높은 시작 및 정지 토크를 갖지만, 고속 구동 시에는 유체 동압을 갖는 공기 유막이 형성되어 낮은 마찰 토크를 발생함을 보여준다.
본 논문에서는 가스 포일 스러스트 베어링의 하중 지지 성능을 실험적으로 평가하기 위해 공압을 이용하여 정하중을 부과하는 정특성 실험 장치를 개발하였으며, 실험 베어링의 최대 하중지지력 및 토크와 온도를 측정하고 결과를 고찰하였다.
제안 방법
Kim 등은 무급유 터보 블로워에 적용되는 가스 포일 스러스트 베어링에 대하여 실험과 해석을 통하여 회전축-베어링 시스템의 특성을 파악하였다. 구동 실험을 통하여 베어링의 외경을 148mm에서 168mm로 하중 작용면적을 증가시켜 비동기(sub synchronous) 진동성분의 크기를 크게 낮추었다. 그리고 해석을 통하여 베어링이 틸팅되었을 때가 그렇지않을 때에 비하여 하중지지력이 뚜렷이 감소함을 예측하였다[8].
시험 베어링과 공압실린더 사이에 위치한 센터 축에는 축 방향 힘센서(load cell)가 설치되어 베어링에 부과되는 힘을 측정한다. 또한, 실험장치 베이스(base)에 설치된 힘센서는 센터축에 고정된 토크암(torque arm) 과연결되어 베어링의 구동 토크를 측정한다. 시험 베어링과 공압실린더를 연결하는 센터축은 슬라이드 베어링(slide bearing)으로 지지하여 기계적 마찰을 최소화하였다.
압력이 증가할수록, 씰 간극이 감소할수록 공기 누설량이 감소함을 보여준다. 본 연구에는 간극을 100µm로 선정하여 공압실린더를 제작하였다.
9는 25,000rpm의 회전속도에서 축방향 하중을 200 N 까지 증가시켰을 때의 실험 시간에 따른 (a) 축 방향 하중, (b) 구동 토크, (c) 베어링 온도를 보여준다. 부상 실험과 마찬가지로 축방향 하중과 토크에 각각 약 4kPa 및 0.03N-m의 예압을 가한 상태에서 모터를 구동 시켰으며, 회전속도가 25,000rpm에 도달하여 하중과 토크가 일정한 값으로 유지된 후 하중을 점진적으로 증가시켰다. 실험결과는 하중이 증가할수록 토크와 온도가 대략 선형적으로 증가함을 보여준다.
내측실린더를 통해 외부에서 압축공기가 주입되면 씰을 통한 누설 발생과 함께 축방향으로 하중을 발생시킨다. 시험 베어링과 공압실린더 사이에 위치한 센터 축에는 축 방향 힘센서(load cell)가 설치되어 베어링에 부과되는 힘을 측정한다. 또한, 실험장치 베이스(base)에 설치된 힘센서는 센터축에 고정된 토크암(torque arm) 과연결되어 베어링의 구동 토크를 측정한다.
수행하였다. 실험은 측정의 정확도를 높이기 위하여 모터 구동 전에 먼저 0.03 N·m의 토크 예압(torque preload)을 가한 상태에서 15 N까지 축방향 정하중 예압(axial preload)을 부가한 후 회전속도를 25, 000 rpm까지 증가시켰다가 정지시키는 순서로 진행하였다. Fig.
10은 25,000 rpm의 회전속도에서 시험 베어링의 최대 하중지지력 평가 실험 결과로서, 시간에 따른(a) 축방향 하중, (b) 구동 토크, (c) 베어링 온도를 보여준다. 하중의 증가에 따라 베어링의 공기 유막이 점진적으로 작아져 파열 (rupture)되는 시점을 베어링의 최대 하중 지지력으로 정의하며, 따라서 스러스트 러너와 베어링 표면이 접촉(rubbing)하여 발생하는 구동 토크의 갑작스런 증가를 관찰하기로 하였다.
하중지지 능력 실험에 앞서 시험 베어링에 낮은 하중을 가한 후 25,000 rpm까지의 회전축 부상(lift-off) 시험을 수행하였다. 실험은 측정의 정확도를 높이기 위하여 모터 구동 전에 먼저 0.
대상 데이터
4는 실험장치의 개념도를 보여준다. 실험 장치는 스러스트 러너가 한쪽 끝에 설치된 스핀들 모터로 이루어진 모터부(motor section)와, 시험 스러스트 베어 링이 연결된 하중작용부(loading section)로 구성된다. 스핀들 모터의 회전축은 앵귤러 콘택트 볼 베어링 (angular contact ball bearing)으로 지지되어 모터에 가해지는 축방향 하중지지가 가능하며 최대 속도는 30, 000rpm 이다.
포일의 두께는 약 0.150 mm로 재질은 고온 내열성을 갖는 Inconel X750이다. 포일이 형성하는 베어링의 총 단면적은 약 3, 517 mm2이다.
데이터처리
또한 동일한 베어링에 대하여 회전속도가 증가할수록 하중지지력이 증가함을 보였다. 그리고 하중에 따른 베어링의 변형량을 분석하여 구조 강성 계수를 예측하였고 해석한 결과와 비교 및 검증하였다[7]. Kim 등은 무급유 터보 블로워에 적용되는 가스 포일 스러스트 베어링에 대하여 실험과 해석을 통하여 회전축-베어링 시스템의 특성을 파악하였다.
성능/효과
공압실린더에 압축공기를 공급하는 공기압축기 탱크의 용량이 부족하여 재충전하는 약 140~280 초 구간에서는 하중이 약간 감소하며 이에 따라 토크도 감소하지만, 압축기 탱크가 충전된 후에는 약 0.5N-m까지의 갑작스런 토크의 증가(sudden torque change)와 함께 이상소음이 발생하는 하중인 약 80.5kPa까지 특별한 이상징후 없이 하중을 증가시킬 수 있었다. 실험으로 측정된 최대 하중지지력인 80.
05N-m로 감소함을 보인다. 따라서, 이 값에서 약 0.03N-m의 토크 예압을 제거하여 순수한 토크 증가량을 고려한다면 시험 베어링은 약 0.02N-m 의 작은 구동 토크를 가짐을 알 수 있다. 모터를 감속하여 스러스트 러너를 정지시키는 동안 측정된 하중 및 토크의 변화는 부상 시와 거의 동일한 경향을 갖는다.
Lee 등은 서로 다른 외경을 가진 세 가지의 가스 포일 스러스트 베어링의 하중 지지력을 측정하여 베어링 외경이 클수록 하중지지력이 크게 향상됨을 보였다. 또한 동일한 베어링에 대하여 회전속도가 증가할수록 하중지지력이 증가함을 보였다. 그리고 하중에 따른 베어링의 변형량을 분석하여 구조 강성 계수를 예측하였고 해석한 결과와 비교 및 검증하였다[7].
1N-m로 증가한다. 모터가 구동을 시작하여 회전속도가 증가함에 따라 토크가 증가하여 약 5, 000rpm 에서 최대 시동토크 (~0.3N-m)를 가진 후 유체 동압유막이 형성되어 스러스트 러너가 베어링으로부터 부상하는 속도인 약 12,000rpm부터는 베어링의 토크 가약 0.05N-m로 감소하여 유지되는 것을 알 수 있다.
03N-m의 예압을 가한 상태에서 모터를 구동 시켰으며, 회전속도가 25,000rpm에 도달하여 하중과 토크가 일정한 값으로 유지된 후 하중을 점진적으로 증가시켰다. 실험결과는 하중이 증가할수록 토크와 온도가 대략 선형적으로 증가함을 보여준다. 약 56kPa의 하중에서 구동 토크는 약 0.
5kPa까지 특별한 이상징후 없이 하중을 증가시킬 수 있었다. 실험으로 측정된 최대 하중지지력인 80.5kPa에서 베어링의 최대 평균 온도는 약 57.6도까지 증가하였다. 측정된 온도는 장기간 지속구동이 아닌 과도응답(transient response)상태에서의 측정 온도로서 임의의 하중을 지속하며 운전한다면 시간에 따라 온도가 더 상승할 것으로 사료된다.
실험결과는 하중이 증가할수록 토크와 온도가 대략 선형적으로 증가함을 보여준다. 약 56kPa의 하중에서 구동 토크는 약 0.26N·m이고 베어링 표면에 설치된 온도 센서에서 측정한 베어링 온도의 평균값은 약 40 도로 초기 온도보다 약 6 도 증가하였다.
이는 시험 베어링이 지지할 수 있는 한계 하중 지지력에 도달함에 따라 공기 유막이 파열되는 동시에스러스트 러너와 베어링 표면이 접촉하였기 때문이다. 추가적으로, 실험 후에 실시한 베어링 표면 코팅의 손상 상태 고찰을 통해 최대 하중지지력이 가해졌을 때 최소 유막 두께가 발생하는 위치를 유추할 수 있었다.
시험조건에서의 베어링 부상속도는 약 12, 000 rpm으로 평가되었다. 하중지지 실험은 하중이 증가할수록 토크와 온도가 대략 선형적으로 증가함을 보여주는데, 특히, 최대 하중인 약 80.5kPa에 도달했을 때 이상소음과 함께 급격한 토크의 증가가 발생하였다. 이는 시험 베어링이 지지할 수 있는 한계 하중 지지력에 도달함에 따라 공기 유막이 파열되는 동시에스러스트 러너와 베어링 표면이 접촉하였기 때문이다.
참고문헌 (10)
Iordanoff, I., “Maximum Load Capacity Profiles for Gas Thrust Bearings Working Under High Compressibility Number Conditions”, ASME J. Tribol., Vol. 120, No. 3, pp. 571-576, 1998.
Iordanoff, I., “Analysis of an Aerodynamic Compliant Foil Thrust Bearing: Method for a Rapid Design”, ASME J. Tribol., Vol. 121, No. 4, pp. 816-822, 1999.
Heshmat, C. A., Xu, D. S., Heshmat, H., “Analysis of Gas Lubricated Foil Thrust Bearings Using Coupled Finite Element and Finite Difference Methods,” ASME J. Tribol., Vol. 122, No. 1, pp. 199-204, 2000.
Jung, S. Y., “The Limiting Load Capacity of Air Foil Thrust Bearings,” J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 25, No. 5, pp. 279-284, 2009.
Kim, T. Y., Park, D. J., Lee, Y. B., “A Study of Load Capacity of Air Foil Thrust Bearings”, J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 25, No. 5, pp. 292-297, 2009.
Lee, Y, B., Kim, T, Y., Kim, C, H., Kim, T, H., “Thrust Bump Air Foil Bearings with Variable Axial Load: Theoretical Predictions and Experiments”, STLE Tribol. Trans., 54, pp. 902-910, 2011.
Kim, T. H., Lee, Y. B., Kim, T. Y., Jeong, K. H., “Rotordynamic Performance of an Oil-Free Turbo Blower Focusing on Load Capacity of Gas Foil Thrust Bearings,” ASME J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 134, No. 2, pp. 022501, 2011.
San Andrès, L., Ryu, K., Diemer, P., “Prediction of Gas Thrust Foil Bearing Performance for Oil-Free Automotive Turbochargers”, ASME J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 137, No. 3, pp. 032502, 2014.
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