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문제 정의
- 본 논문에서는 참고문헌[13]에서 제시한 탑포일과 범프포일 사이에 심포일(shim foil)을 갖는 가스 포일 저널 베어링의 성능을 예측하였다. 해석을 위하여 참고문헌[4, 7]에서 개발한 더블 범프포일을 갖는 가스 포일 베어링의 해석 모델에 심포일 모델을 추가하여 사용하였으며, 심포일의 길이(심포일 특성각도)가 결정하는 램프의 위치 변화에 따른 베어링의 정·동적성능 규명하고자 하였다.
제안 방법
- Predicted bearing minimum film thickness versus rotor speed for with shim foil (Ψ = 0, 20, 40, 60o) and without shim foil models.
- Predicted cross-coupled damping coefficients(CXY and CYX) versus rotor speed for with shim foil(Ψ = 0, 20, 40, 60o) and without shim foil models.
- Predicted cross-coupled stiffness coefficients (KXY and KYX) versus rotor speed for with shim foil (Ψ = 0, 20, 40, 60o) and without shim foil models.
- Predicted direct damping coefficients (CXX and CYY) versus rotor speed for with shim foil (Ψ = 0, 20, 40, 60o) and without shim foil models.
- Predicted direct stiffness coefficients (KXX and KYY) versus rotor speed for with shim foil (Ψ = 0, 20, 40, 60o) and without shim foil models.
- 본 논문에서는 심포일이 적용된 가스 포일 더블 범프 베어링의 수학적 모델링을 통해 정·동적성능 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 포일의 경사면 특성 각도가 Ψ = 0, 20, 40, 60o인 경우에 대한 해석결과를 심포일이 없는 경우와 비교 분석하였다.
- Kim 등[12]은 가스 포일 스러스트 베어링의 윤활틈새에 램프(경사면)를 추가한 해석 모델을 개발하였다. 최적의 램프 설계를 통해 유체동압의 형성과 하중지지능력이 향상됨을 예측하고 실험적으로 검증하였다.
- 해석을 위하여 참고문헌[4, 7]에서 개발한 더블 범프포일을 갖는 가스 포일 베어링의 해석 모델에 심포일 모델을 추가하여 사용하였으며, 심포일의 길이(심포일 특성각도)가 결정하는 램프의 위치 변화에 따른 베어링의 정·동적성능 규명하고자 하였다.
이론/모형
- 윤활틈새 내에 형성되는 윤활 가스의 압력장 해석을 위하여 식 (3)과 같이 등온, 등점성의 이상기체를 위한 레이놀즈 방정식을 사용하였다.
- 여기서, p, h, μ, Ω, R, x, z, t 는 각각 압력, 유막두께, 점도, 저널 각속도, 저널 반경, 원주방향 좌표, 축방향 좌표, 그리고 시간을 나타낸다. 포일 구조체의 강성은 범프의 강성에 의존하기 때문에 단순탄성체 모델[4, 7]을 사용하였으며, 범프의 마찰로 인한 구조 감쇠영향을 반영하기 위해 구조손실계수(loss factor = 0.1)를 적용하였다.
성능/효과
- 2) 베어링은 경사면의 특성각도 증가에 따라 동일한 하중조건에서 작은 편심량과 큰 최소유막두께를 가진다. 이러한 결과는 경사면 특성각도 조절에 따라 하중지지능력을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
- 3) 심포일 적용 시 직교 강성은 심포일이 없는 경우보다 크게 나타난다. 수평방향 직교강성은 심포일 특성각도(Ψ = 20o), 수평방향 직교강성은 (Ψ = 60o)에서가장 크게 나타난다.
- 4) 경사면의 특성각도가 증가함에 따라 직교감쇠(CXX, CYY)가 심포일이 없는 경우보다 커지는 것을 알 수 있다. 이를 통해 경사면 특성각도를 조절하여 외란에 대한 진동 제진 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다
- Kim과 San Andres[10]는 범프포일 아래 120도 간격으로 세 개의 심(shim)을 추가한 해석 모델을 제시하였으며, 기존 가스 포일 베어링 모델에 비해 향상된 하중지지능력과 강성 및 감쇠를 예측하였다. 또한 회전체-베어링 시스템의 구동 실험을 통해 심 적용 시 고속 안정성이 향상됨을 보였다. Sim 등[11]은 참고문헌[10]과 같이 세 개의 심을 추가한 가스 포일 베어링을 자동차용 터보차저에 적용하여 구동 안정성이 향상됨을 검증하였다.
- 회전속도가 증가함에 따라 모든 경우에서 편심량이 감소하는 경향을 가진다. 또한, 심포일이 존재하는 경우에는 경사각의 특성각도가 증가할수록 저널의 편심량은 감소하고 심포일이 없는 경우에는 가장 큰 저널 편심량을 보여준다. Fig.
- Kim과 San Andres[4, 5]는 가스 포일 베어링의 축방향 평균 압력을 이용하여 고하중 조건에서의 특성 해석을 수행하였으며, 가스 포일 베어링의 강성은 범프의 강성에 지배적이라는 것을 밝혔다. 또한, 탑포일을 고려하지 않는 단순탄성체 포일 모델의 해석 결과가 실험결과와 잘 일치하는 경향을 확인하였다. Heshmet[6]은 두 장의 범프(더블 범프)포일을 갖는 가스 포일 베어링에 대한 실험을 통해 구조 강성 및 하중 지지능력의 향상을 밝혔다.
- 회전속도가 증가함에 따라 모든 경우에서 자세각이 증가하는 경향을 가지며, 심포일의 특성각도가 가장 큰 모델 (Ψ = 60o)이 모든 속도구간에서 가장 큰 자세각을 가지는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 5) 본 논문에서는 해석 베어링의 설계 사양을 자세히 제공하고 있으며 향후 실험을 통해 해석의 타당성 검증이 가능하다.
- 2) 베어링은 경사면의 특성각도 증가에 따라 동일한 하중조건에서 작은 편심량과 큰 최소유막두께를 가진다. 이러한 결과는 경사면 특성각도 조절에 따라 하중지지능력을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
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