[논문]가스 포일 베어링으로 지지되는 연료전지 전기자동차용 공기압축기의 회전체동역학적 성능 측정 및 예측

황성호; 문창국; 김태호; 이종성; 조경석; 하경구; 이창하

doi:10.9725/kts.2019.35.1.44

가스 포일 베어링으로 지지되는 연료전지 전기자동차용 공기압축기의 회전체동역학적 성능 측정 및 예측
Rotordynamic Performance Measurements and Predictions of a FCEV Air Compressor Supported on Gas Foil Bearings 원문보기

한국윤활학회지 = Tribology and lubricants, v.35 no.1, 2019년, pp.44 - 51

황성호 (국민대학교 대학원 기계설계학과) , 문창국 (국민대학교 대학원 기계설계학과) , 김태호 (국민대학교 대학원 기계설계학과) , 이종성 (한온시스템 선행부품개발팀) , 조경석 (한온시스템 선행부품개발팀) , 하경구 (현대자동차 연료전지설계팀) , 이창하 (현대자동차 연료전지설계팀)

Abstract ▼ AI-Helper

The paper presents the rotordynamic performance measurements and model predictions of a fuel cell electric vehicle (FCEV) air compressor supported on gas foil bearings (GFBs). The rotor has an impeller on one end and a thrust runner on the other end. The front (impeller side) and rear (thrust side) gas foil journal bearings (GFJBs) are located between the impeller and thrust runner to support the radial loads, and a pair of gas foil thrust bearings are located on both sides of the thrust runner to support the axial loads. The test GFJBs have a partial arc shim foil installed between the top foil and bump strip layers to enhance hydrodynamic pressure generation. During the rotordynamic performance tests, two sets of orthogonally installed eddy-current displacement sensors measure the rotor radial motions at the rotor impeller and thrust ends. A series of speed-up and coast-down tests to 100k rpm demonstrates the dominant synchronous (1X) rotor responses to imbalance masses without noticeable subsynchronous motions, which indicates a rotordynamically stable rotor-GFB system. Finite element analysis of the rotor determines the rotor free-free (bending) natural modes and frequencies well beyond the maximum rotating frequency. The predicted damped natural frequencies and damping ratios of the rotor-GFB system reveal rotordynamic stability over the speeds of interest. The imbalance response predictions show that the predicted critical speeds and rotor amplitudes strongly agree with the test measurements, thus validating the developed rotordynamic model.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Schematic view of gas foil journal bearing with shim foil [9].
그림 Fig. 2. Schematic view of FCEV’s air compressor.
그림 Fig. 3. Photo of FCEV’s air compressor test rig set up.
그림 Fig. 4. Waterfall plot of measured rotor displacement in vertical (Z) direction for (a) impeller and (b) thrust ends.
그림 Fig. 5. Filtered synchronous (1x) rotor displacement versus speed. Slow roll runout compensation at 4.3 krpm.
그림 Fig. 6. Rotor speed versus time recorded during coastdown test.
그림 Fig. 7. Predicted (a) stiffness and (b) damping coefficients versus rotor speed for impeller end GFJB.
표 Table 1. Gas foil journal bearing design parameter
그림 Fig. 8. Finite element model of rotor-bearing system.
그림 Fig. 9. Predicted undamped natural frequency versus rotor speed for rotor 1^st and 2^nd free-free bending modes.
그림 Fig. 10. Frequency response function (FRF) versus frequency measured during rotor impact test.
표 Table 2. Mass and moment of inertia of designed rotor
그림 Fig. 11. Predicted and measured rotor natural mode shapes at (a) 1^st and (b) 2^nd bending natural frequencies.
그림 Fig. 12. Predicted (a) damped natural frequency and (b) damping ratio versus rotor speed.
그림 Fig. 13. Predicted and measured rotor synchronous amplitude versus rotor speed at (a) impeller and (b) thrust ends.
표 Table 3. Imbalance masses on rotor (nodal number, phase angle, and mass)
그림 Fig. 14. Filtered synchronous (1x) rotor displacement versus speed without slow roll runout compensation.

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

또한, 두 장의 범프포일을 사용하는 이중범프 (double bump)를 적용하여 고 하중 조건이나 외부충격 등으로 인한 큰 진동 변위 조건에서 직교 강성 및 감쇠 계수를 향상할 수 있다 [10]. 본 논문에 사용된 베어링의 해석 모델과 수치해석 방법은 참고문헌 [9] 과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 논문에서는 참고논문과 [9] 에서 소개한 심포일이 적용된 가스 포일 저널 베어링을 연료전지 전기자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)용 공기압축기 (aircompressor) 에 적용하고 고속 구동 시험을 통해 회전체 동역학 특성을 평가하고 해석 모델과 비교하여 검증하였다.
하지만, 강성 및 감쇠 계수가 구름 요소 베어링이나 오일 베어링에 비해 작고 회전속도에 따라 변화하기 때문에 회전체동역학 해석이 필수적이다. 본 연구에서는 연료전지 전기자동차용 공기압축기의 고속 구동 시험을 통해 회전체동역학적 성능을 평가하고, 회전축 및 베어링 모델 개발을 통해 해석 결과를 실험결과와 비교하여 검증하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.
따라서, 100 krpm (1, 667 Hz)의 최대운전속도를 갖는 터보압축기의 회전축은 60%의 고유진동수 분리 여유를 갖는 것을 알 수 있다. 해석결과를 검증하기 위하여 회전축을 유연한 실에 매달아 충격 망치 실험 (impact test)을 수행하였으며, 주파수 응답 함수(Frequency Response Function, FRF)를 Fig. 10에 나타내었다. 회전축의 중심에서 측정된 결과는 1, 2차 굽힘 모드 고유진동수를 지시하는 두 개의 피크 (peak)가 각각 2, 417 Hz (145 krpm)과 3, 933 Hz (236 krpm)에 위치함을 보여준다.

대상 데이터

3 um의 정밀도(resolution)를 갖는 PU-03A를 사용하였다. 데이터 취득은 OROS사의 OR- 36을 사용하였으며, 취득 속도(sampling frequency)는 51.2 kHz이다. 회전축의 질량 불평형 응답에 의한 거동을 측정하기 위해 최대운전속도인 100 krpm 에서 전원을 제거하여 자유 감속 (coastdown) 에 대한 데이터를 취득하였다.
2 kHz이다. 회전축의 질량 불평형 응답에 의한 거동을 측정하기 위해 최대운전속도인 100 krpm 에서 전원을 제거하여 자유 감속 (coastdown) 에 대한 데이터를 취득하였다.

성능/효과

1. 회전축의 진동은 불균형질량이 야기하는 회전 동기 주파수 성분이 지배적이며, 회전체동역학적 불안정성을 야기할 수 있는 저주파수 진동은 발생하지 않는다.
2. 회전축-베어링 시스템의 고유진동수와 회전 동기 주파수의 공진으로 발생하는 임계 속도는 20krpm 근방에 위치한다.
3. 최대진동변위 발생 속도는 최대운전속도인 100 krpm 이며, 측정 위치는 스러스트러너 끝 단이다.
4. 공기 동압의 발생으로 인한 힘에 의해 회전축이 가스 포일 저널 베어링과 완전히 분리되는 부상속도는 약 12 krpm이다.
5. 심포일을 갖는 가스 포일 저널 베어링의 직교 강성 및 감쇠 계수는 각각 교차 강성 및 감쇠 계수보다 크며 모두 양의 값을 갖는다.
6. 회전축의 1, 2차 굽힘 모드 고유진동수는 각각 2, 417 Hz (145 krpm)과 3, 933 Hz (236 krpm)이며 , 회전축의 유한요소모델을 통해 예측한 굽힘 모드 고유진동수 및 모드 형상은 실험 결과를 매우 정확히 예측한다.
7. 회전축의 1차 굽힘 모드 공진주파수는 2, 667 Hz (160 krpm)으로 최대운전속도 주파수인 1, 667 Hz (100 krpm)와 비교할 때 60%의 분리 여유 마진을 갖는다.
8. 회전축-베어링 시스템 모델 해석을 통해 감쇠 고유진동수가 약 20 krpm에 위치하고, 감쇠비는 전체운전영역에서 양의 값을 보여 회전체 동역학적으로 안정함을 알 수 있다.
9. 회전축-베어링 시스템의 질량 불균형 응답 해석과 측정된 회전동기성분 진동 변위는 매우 잘 일치하며, 이를 통해 해석 모델의 검증이 가능하다.
원통형 모드 (cylindrical mode) 강체 고유진동수는 회전동기주파수와 교차하는 지점이 없어 공진을 발생하지 않음을 알 수 있다. 두 강체 모드의 감쇠비는 모두 회전속도가 증가함에 따라 급격히 감소하는 경향을 보이지만, 전체 운전영역에서 모두 양의 값으로 회전체동역학적으로 안정함을 예측한다.
회전축의 중심에서 측정된 결과는 1, 2차 굽힘 모드 고유진동수를 지시하는 두 개의 피크 (peak)가 각각 2, 417 Hz (145 krpm)과 3, 933 Hz (236 krpm)에 위치함을 보여준다. 따라서 1, 2차 고유진동수의 실험 결과 대비 해석 오차는 각각 1.4%, 8.2%로 매우 작음을 알 수 있다. Fig.
수평 방향 (Y) 데이터는 수직 방향의 결과와 유사하여 생략하였다. 임펠러와 스러스트러너 끝 단에서 모두 회전동기성분 (synchronous component, 1x) 이 지배적으로 나타났으며, 회전체-베어링 시스템의 불안정성을 야기할 수 있는 저주파 대역의 비동기 진동성분 (subsynchronous)은 상대적으로 무시할만하게 작다.
유사하므로 생략하였다. 해석 결과는 직교 강성(direct stiffness: Kn ky)이 모두 양의 값을 가지며, 교차 깅성 (cross-coupled stiffness: Kyz, Ky)보다 매우 큼을 보여준다. 직교 감쇠 (direct damping: G% Czz)도 해석 구간에서 모두 양의 값을 가지며, 교차 감쇠 (cross coupled damping: CYz, Czy)보다 크다.
불균형 질량의 크기와 위상은 Table 3과 같다. 해석결과는 임펠러 및 스러스트러너 끝 단에서 발생하는 회전축의 임계 속도 및 진동 변위를 매우 잘 예측하여 본 논문에서 사용된 회전체-베어링 시스템의 모델을 효과적으로 검증함을 알 수 있다.

참고문헌 (10)

Agrawal, G. L., "Foil air/gas bearing technology: An overview", ASME paper No. 97-GT-347, 1997.
Lee, Y. B., Kim, T. H., Kim. C. H., Lee, N. S., Choi, D. H., "Dynamic characteristics of a flexible rotor system supported by a viscoelastic foil bearing (VEFB)," Tribol. Int., Vol.37, No.9, pp.679-687, 2004.

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San Andres, L., Ryu, K., Kim, T. H., "Thermal management and rotordynamic performance of a hot rotorgas foil bearings system-Part II: Predictions versus test data," STLE Tribol. Trans., Vol.133, No.6, 2011.
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Sim, K. H., Lee, Y. B., Lee, J. S., Kim, T. H., "Rotordynamic performance of shimmed gas foil bearings for oil-free turbochargers," ASME J. Tribol., Vol.134, No.3, 2012.
Park, M. S., Lee, J. S., Kim, T. H., "Effects of the slopes of rotational axis and bearing preloads on the natural frequencies and onset speed of the instability of a rotor supported on gas foil bearings," J. Korean Soc. Tribol. Lubr., Vol.30, No.3, pp.131-138, 2014.
Kim, T. H., Park, M. S., Lee, T. W., "Design optimization of gas foil thrust bearings for maximum load capacity," ASME J. Tribol., Vol.139, No.3, p.031705, 2017.

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Lim, J., "Air foil journal bearing having an improved top foil structure," KR Patent 101785291B1, 2017.
Hwang, S. H., Moon. C. G., Lee, J. S., Kim, T. H., "Performance predictions of gas foil journal bearing with shim foils," Tribol. Lubr., Vol.34, No.3, pp.107-114, 2018, doi:10.9725/kts.2018.34.3.107.

원문보기 상세보기
Kim, T. H., San Andres, L., "Analysis of advanced gas foil bearing with piecewise linear elastic supports," Tribol. Int., Vol.40, No.8, pp.1239-1245, 2007.

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