[논문]범프 타입 포일 스러스트 베어링의 정하중 구조 강성 및 손실 계수 차이에 관한 실험적 연구

이성진; 류근; 정진희; 류솔지

doi:10.9725/kts.2020.36.6.332

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High-speed turbomachinery implements gas foil bearings (GFBs) due to their distinctive advantages, such as high efficiency, lesser part count, and lower weight. This paper provides the test results of the static structural stiffnesses and loss factors of bump-type foil thrust bearings with increasin...

High-speed turbomachinery implements gas foil bearings (GFBs) due to their distinctive advantages, such as high efficiency, lesser part count, and lower weight. This paper provides the test results of the static structural stiffnesses and loss factors of bump-type foil thrust bearings with increasing preload and bearing deflection. The focus of the current work is to experimentally quantify variability in structural stiffnesses and loss factors among the four test thrust bearings with identical design values and material of the bump and top foil geometries using the same (open-source) fabrication method. A simple test setup, using a rigidly mounted non-rotating shaft and thrust disk, measures the bearing bump deflections with increasing static loads on the test bearing. The inner and outer diameters of the test bearings are 41 mm and 81 mm, respectively. The loss factor, best-representing energy dissipation in the test bearings, is estimated from the area inside the local hysteresis loop of the load versus the bearing deflection curve. The measurements show that structural stiffnesses and loss factors of the test bearings significantly rely on applied preloads and bearing deflections. Local structural stiffnesses of the test bearings increase with applied preloads but decrease with bearing deflections. Changes of loss factors are less sensitive to applied preloads and bearing deflections compared to those of structural stiffnesses. Up to 35% variability in static load structural stiffnesses is found between bearings, while up to 30% variability in loss factors is found between bearings.

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표/그림 (11)

표 Table 1. Dimensions of test foil thrust bearings
그림 Fig. 1. Layout of test rig and instrumentation.
그림 Fig. 2. Measured full hysteresis loops of test bearings 1 through 4: Applied static load (left vertical axis) versus bearing deflection (upper horizontal axis). Static load per unit area (right vertical axis) versus bearing deflection per unit area (lower horizontal axis) also shown.
그림 Fig. 3. Measured structural stiffness of test bearings 1 through 4. (a) Loading condition and (b) unloading condition: Structural stiffness (left vertical axis) versus applied load (upper horizontal axis). Structural stiffness per unit area (right vertical axis) versus applied load per unit area (lower horizontal axis) also shown.
그림 Fig. 5. Recorded three local hysteresis loops of test bearing 1: Applied load (left vertical axis) versus bearing deflection (upper horizontal axis) with bearing deflection amplitude 5 μm, 7 μm, and 10 μm at 57 N preload. Applied load per unit area (right vertical axis) versus bearing deflection per unit area (lower horizontal axis) also shown.
그림 Fig. 4. Measured local hysteresis loops of test bearing 1: Applied load (left vertical axis) versus bearing deflection (upper horizontal axis) with preloads of 40 N, 57 N, and 86 N at bearing deflection of 7 μm. Applied load per unit area (right vertical axis) versus bearing deflection per unit area (lower horizontal axis) also shown.
그림 Fig. 6. Local structural stiffness versus preload and bearing deflection. Bearing deflections of 5 μm, 7 μm, and 10 μm at preloads of 40 N, 57 N, and 86 N. Local structural stiffness per unit area versus preload per unit area and bearing deflection per unit area also shown: (a) Test bearing 1 and (b) Test bearing 4.
그림 Fig. 7. Dissipated energy versus preload and bearing deflection. Bearing deflections of 5 μm, 7 μm, and 10 μm at preloads of 40 N, 57 N, and 86 N. Dissipated energy per unit area versus preload per unit area and bearing deflection per unit area also shown: (a) Test bearing 1 and (b) Test bearing 4.
그림 Fig. 8. Loss factor versus preload and bearing deflection. Bearing deflections of 5 μm, 7 μm, and 10 μm at preloads of 40 N, 57 N, and 86 N. Loss factor per unit area versus preload per unit area and bearing deflection per unit area also shown: (a) Test bearing 1 and (b) Test bearing 4.
그림 Fig. 9. (a) Local structural stiffness (average value of four test bearings) per preload for each preload condition. (b) Local structural stiffness (average value of four test bearings) per bearing deflection for each bearing deflection condition. Error bar represents variability in identified values.
그림 Fig. 10. (a) Loss factor (average value of four test bearings) per preload for each preload condition. (b) Loss factor (average value of four test bearings) per bearing deflection for each bearing deflection condition. Error bar represents variability in identified values.

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문제 정의

이와 같이 포일 스러스트 베어링의 범프 포일의 구조 강성 및 감쇠 특성을 실험적으로 측정한 연구는 꾸준히 이루어져 왔던 반면, 동일 치수로 동시에 제작된 포일 스러스트 베어링 간의 특성 차이에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 논문은 동일한 설계치수로 제작된 네 개의 베어링을 이용하여 각 베어링의 구조강성과 손실 계수를 측정하여 비교하였다. 이를 위해, 포일 스러스트 베어링에 정하중을 적용하여 하중에 따른 구조강성의 측정하고 예하중 및 베어링 변형량에 따른 구조특성의 변화를 측정하고 비교하였다.

제안 방법

본 논문은 동일한 설계치수로 제작된 네 개의 베어링을 이용하여 각 베어링의 구조강성과 손실 계수를 측정하여 비교하였다. 이를 위해, 포일 스러스트 베어링에 정하중을 적용하여 하중에 따른 구조강성의 측정하고 예하중 및 베어링 변형량에 따른 구조특성의 변화를 측정하고 비교하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 실험장치(Fig. 1)는 핸들, 베어링 하 우징, 축과 스러스트 디스크, 측정 센서로 구성되었다.
1)는 핸들, 베어링 하 우징, 축과 스러스트 디스크, 측정 센서로 구성되었다. 실험 테이블에 단단하게 고정되어 있는 축의 직경과 길이는 각각 29 mm와 100 mm이며, 축의 끝단에 위치하는스러스트 디스크의 외경은 83 mm이다. 베어링 하우징 내부에는 스러스트 디스크와 실험 포일 베어링이 포함되었으며, 하우징 상단은 실험장치의 핸들과 연결되었다.

이론/모형

예하중 및 범프 포일 변형량에 따른 실험 베어링의 구조특성 변화를 측정하기 위해 국부 히스테리시스 루프 (Local hysteresis loop)를 측정하였다. 측정의 신뢰성을 위해 각 베어링마다 각각의 국부 히스테리시스 루프를 동일한 방법으로 3번씩 반복 측정하였다.

성능/효과

반면에, 베어링 변형량에 따른 국부 구조강성은 베어링 변형량 증가에 따라 소폭 감소하는 결과가 나타났으며 각 베어링의 국부 구조강성 차이는 예하중에 따른 구조강성의 결과와 유사하게 나타났다. 이를 통해, 예하중 및 베어링 변형량은 포일의 구조강성에 영향을 주는 요인이며 예하중의 변화가 베어링의 변형량에 비해 구조강성의 변화에 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

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