[논문]난류 유동을 갖는 가스 포일 스러스트 베어링의 성능 예측

문진혁; 김태호

doi:10.9725/kts.2019.35.5.300

Abstract ▼ AI-Helper

Gas foil thrust bearings (GFTBs) support axial loads in oil-free, high speed rotating machinery using air or gas as a lubricant. Due to the inherent low viscosity of the lubricant, GFTBs often have super-laminar flows in the film region at operating conditions with high Reynolds numbers. This paper ...

Gas foil thrust bearings (GFTBs) support axial loads in oil-free, high speed rotating machinery using air or gas as a lubricant. Due to the inherent low viscosity of the lubricant, GFTBs often have super-laminar flows in the film region at operating conditions with high Reynolds numbers. This paper develops a mathematical model of a GFTB with turbulent flows and validates the model predictions against those from the literature. The pressure distribution, film thickness distribution, load carrying capacity, and power loss are predicted for both laminar and turbulent flow models and compared with each other. Predictions for an air lubricant show that the GFTB has high Reynolds numbers at the leading edge where the film thickness is large and relatively low Reynolds numbers at the trailing edge. The predicted load capacity and power loss for the turbulent flow model show little difference from those for the laminar flow model even at the highest speed of 100 krpm, because the Reynolds numbers are smaller than the critical Reynolds number. On the other hand, refrigerant (R-134a) lubricant, which has a higher density than air, had significant differences due to high Reynolds numbers in the film region, in particular, near the leading and outer edges. The predicted load capacity and power loss for the turbulent flow model are 2.1 and 2.3 times larger, respectively, than those for the laminar flow model, thus implying that the turbulent flow greatly affects the performance of the GFTB.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Schematic views of gas foil thrust bearing (a) front view (b) side view.
그림 Fig. 2. Turbulence coefficients (G_r, G_θ, G_c) vs. Reynolds number based on Hirs’ bulk flow model.
그림 Fig. 3. Photo of GFTB with one top foil removed,Ref. [9]
그림 Fig. 4. Distributions of bump stiffness per unit area for GFTB
표 Table 1. Geometry of GFTB and property of lubricants taken from Refs [8,9]
그림 Fig. 5. Load capacity of GFTB in air lubrication, (a) load capacity vs. rotor speed, (b) load capacity vs. outer radius.
그림 Fig. 6. Load capacity of GFTB in sCO2 lubrication, (a) load capacity vs. rotor speed, (b) load capacity vs. outer radius.
그림 Fig. 7. Load capacity vs. sCO2 density for increasing rotor speed.
그림 Fig. 8. Reynolds number vs. rotor speed for air and R-134a.
그림 Fig. 9. Predicted (a) film thickness and (b) Reynolds number for GFTB at 100 krpm, Air.
표 Table 2. Geometry of tested gas foil thrust bearing, property of lubricant fluid
그림 Fig. 10. Predicted pressure distributions for (a) laminar and (b) turbulent models for GFTB at 100 krpm, Air.
그림 Fig. 11. Load capacity vs. rotor speed of GFTB for laminar and turbulent models, Air.
그림 Fig. 12. Power loss vs. rotor speed of GFTB for laminar and turbulent models, Air.
그림 Fig. 13. Predicted (a) Film thickness and (b) Reynolds number for GFTB at 100 krpm, R-134a.
그림 Fig. 14. Predicted pressure distributions for (a) laminar and (b) turbulent models for GFTB at 100 krpm, R-134a.
그림 Fig. 15. Load capacity vs. rotor speed of GFTB for laminar and turbulent models, R-134a.
그림 Fig. 16. Power loss vs. rotor speed of GFTB for laminar and turbulent models, R-134a.
그림 Fig. 17. Film thickness vs. load capacity of GFTB for laminar and turbulent models, R-134a.
그림 Fig. 18. Power loss vs. load capacity of GFTB for laminar and turbulent models, R-134a.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문은 난류 효과를 고려한 가스 포일 베어링의 성능 예측을 수행하였다. 범프의 변형을 고려한 윤활막 두께 식과 Hirs의 난류 계수 모델을 적용한 레이놀즈 방정식을 적용하여 압력을 계산하였다.

제안 방법

가스 포일 베어링의 관한 많은 연구가 진행되어 왔지만, 난류를 고려한 해석은 아직까지 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 난류 유동을 갖는 가스 포일 스러스트 베어링의 해석을 위한 레이놀즈 방정식을 제시하고, 작동 조건에서 공기와 냉매에서의 난류 발생 여부를 확인한 후, 층류 및 난류 모델의 성능을 해석적으로 비교하였다. 해석 모델은 문헌의 결과와의 비교를 통해 검증하였다.

대상 데이터

3과 Table 1은 해석모델의 검증을 위해 사용한 참고문헌[8,9]의 가스 포일 스러스트 베어링 형상과 제원을 보여준다. Fig. 1에서 보여지는 것과 같이 한 개의 탑포일을 지지하는 5개의 범프 스트립 레이어 (strip layer)에는 각각 형상과 크기가 동일한 범프가 서로 다른 피치간격으로 배치된다. Table 1에는 베어링의 형상 치수 뿐 아니라 이들을 이용하여 계산한 범프의 단위면적 당 강성 (K_ff)도 보여준다.
회전속도 범위는 20~100 krpm이다. 윤활유체는 공기(air)와 냉매(R-134a)를 사용하였다.

이론/모형

본 논문은 난류 효과를 고려한 가스 포일 베어링의 성능 예측을 수행하였다. 범프의 변형을 고려한 윤활막 두께 식과 Hirs의 난류 계수 모델을 적용한 레이놀즈 방정식을 적용하여 압력을 계산하였다. 난류 모델의 검증은 기존 문헌의 결과와 비교하여 진행하였고, 층류 모델과 난류 모델에 따른 성능의 비교는 가스 포일 베어링의 작동유체를 공기와 냉매인 R-134a로 적용하여 진행하였다.

성능/효과

1) 공기 윤활의 경우, 베어링의 경사진 면에서만 난류가 발생하고 윤활막 두께가 작고 평탄한 면에서는 낮은 레이놀즈로 인해 난류가 발생하지 않는다.
2) 공기 윤활의 경우, 베어링 틈새에서 발생하는 압력 장과 그로 인한 하중지지능력에서 차이를 보이지 않는다.
3) 냉매 윤활의 경우, 선속도가 빠른 베어링 외곽 부분을 따라 경사진 면과 평탄한 면 모두에서 난류가 발생한다.
4) 냉매 윤활의 경우, 난류 모델이 층류 모델과 비교하여 높은 압력이 넓은 범위에 걸쳐 발생하기 때문에 베어링의 하중지지능력과 동력손실이 모두 증가한다.
5) 냉매 윤활의 경우, 난류 모델은 층류 모델과 비교할 때 회전속도가 증가할수록 베어링의 하중지지능력과 동력손실이 더욱 급격히 증가한다.

후속연구

6) 본 연구를 통해 높은 레이놀즈수를 갖는 가스 포일 스러스트 베어링의 경우 정확한 성능 예측을 위해 난류를 고려한 윤활 모델 해석이 필요함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스 포일 스러스트 베어링(Gas Foil Thrust Bearing, GFTB)이란?	가스 포일 스러스트 베어링(Gas Foil Thrust Bearing, GFTB) 은 탄성 구조체인 범프 포일(bump foil)로 지지되는 유연한 탑 포일(top foil)을 가지며 축 방향 하중을 지지하는 베어링이다. 회전하는 스러스트 러너 (thrust runner)와 탑 포일 사이에서 발생하는 유체 동압(hydrodynamic pressure)은 하중지지능력을 결정하며, 비접촉 윤활로 인하여 작은 마찰계수를 유지한다.
	작동유체를 윤활유체로 사용할 경우의 장점은?	회전하는 스러스트 러너 (thrust runner)와 탑 포일 사이에서 발생하는 유체 동압(hydrodynamic pressure)은 하중지지능력을 결정하며, 비접촉 윤활로 인하여 작은 마찰계수를 유지한다. 또한, 작동유체를 윤활유체로 사용할 경우 오일이 필요치 않아 친환경적이며시스템의 단순화가 가능하다. 이러한 장점으로 항공, 발전, 자동차, 그리고 산업용 고속 회전기기에 다양하게 활용되고 있다[1,2].
	회전속도가 증가함에 따라 난류 모델의 하중지지능력 예측 결과가 층류 모델과 비교하면 매우 높게 나타나는 이유는?	하지만, 회전속도가 증가함에 따라 난류 모델의 하중지지능력 예측 결과가 층류 모델과 비교하면매우 높게 나타난다. 이는 난류 효과로 인해 베어링의 경사면에서부터 압력이 성장하면서 평탄한 부분까지 압력이 유지되기 때문이다. Fig.

참고문헌 (14)

Agrawal, G. L., "Foil Air/Gas Bearing Technology: An Overview," ASME Paper, No. 97-GT-347, 1997.
Kim, T. H., and San Andres, L., "Heavily Loaded Gas Foil Bearings: A Model Anchored to Test Data," ASME J. Eng. Gas Turbines Power, Vol.130, No.1, p.012504, 2008.

상세보기
Heshmat, H., Walowit, J. A., & Pinkus, O., "Analysis of Gas Lubricated Compliant Thrust Bearings," J. Lub. Tech., Vol.105, No.4, pp.638-646, 1983.

상세보기
Iordanoff, I., "Maximum Load Capacity Profiles for Gas Thrust Bearings Working Under High Compressibility Number Conditions," J. Tribol., Vol.120, No.3, pp.571-576, 1998.

상세보기
Iordanoff, I., "Analysis of An Aerodynamic Compliant Foil Thrust Bearing: Method for a Rapid Design," J. Tribol., Vol.121, No.4, pp.816-822, 1999.

상세보기
Kim, T. H., Lee, T. W., Park, M. S., Kim, S. J., Jeong, J. H., "Experimental Study on the Load Carrying Performance and Driving Torque of Gas Foil Thrust Bearings," J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol.31, No.4, pp.141-147, 2015, https://doi.org/10.9725/kstle.2015.31.4.141

원문보기 상세보기
Kim, T. H., Park, M., Lee, T. W., "Design Optimization of Gas Foil Thrust Bearings for Maximum Load Capacity," J. Tribol., Vol.139, No.3, p.031705, 2017.

상세보기
Conboy, T. M., "Real-Gas Effects in Foil Thrust Bearings Operating in the Turbulent Regime," J. Tribol., Vol. 135, No.3, p.031703, 2013.

상세보기
Dykas, B., Bruckner, R., DellaCorte, C., Edmonds, B., & Prahl, J., "Design, Fabrication, and Performance of Foil Gas Thrust Bearings for Microturbomachinery Applications," J. Eng. Gas Turbines Power, Vol.131, No.1, p.012301, 2009.

상세보기
Mun, J. H., and Kim, T. H., "Performance Predictions of Gas Foil Journal Bearings with Turbulent Flows," Tribol. Lubr., Vol.35, No.3, pp.190-198, 2019.
San Andres, L., "Turbulent Flow Foil Bearings for Cryogenic Applications," J. Tribol., Vol.117, No.1, pp.185-195, 1995.

상세보기
Hirs, G. G., "A Bulk-Flow Theory for Turbulence in Lubricant Films," J. Lubr. Tech., Vol.95, No.2, pp.137-145, 1973.

상세보기
Smith, M. I., & Fuller, D. D., "Journal Bearing Operation at Super Laminar Speeds," Trans. ASME, Vol.78 (Part 3), pp.469-474, 1956.
Constantinescu, V. N., "On Turbulent Lubrication," Proc. Inst. Mech. Eng., Vol.173, No.1, pp.881-900, 1959.

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

난류 유동을 갖는 가스 포일 스러스트 베어링의 성능 예측
Performance Predictions of Gas Foil Thrust Bearings with Turbulent Flow 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (20)

표/그림 (20)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

난류 유동을 갖는 가스 포일 스러스트 베어링의 성능 예측 Performance Predictions of Gas Foil Thrust Bearings with Turbulent Flow 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (20) 모든 표/그림 보기

표/그림 (20) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김태호 (36)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

난류 유동을 갖는 가스 포일 스러스트 베어링의 성능 예측
Performance Predictions of Gas Foil Thrust Bearings with Turbulent Flow 원문보기

표/그림 (20)

표/그림 (20)

AI 본문요약
AI-Helper