[논문]고속 전동기용 무급유 포일 저널 베어링 구조체의 하중지지 및 진동 특성 규명

백두산; 황성호; 김태호

doi:10.9725/kts.2021.37.6.261

고속 전동기용 무급유 포일 저널 베어링 구조체의 하중지지 및 진동 특성 규명
Identification of Load Carrying and Vibration Characteristics of Oil-Free Foil Journal Bearing Structures for High Speed Motors 원문보기

한국트라이볼로지학회지 = Tribology and lubricants, v.37 no.6, 2021년, pp.261 - 272

백두산 (국민대학교 대학원 기계설계학과) , 황성호 (국민대학교 대학원 기계설계학과) , 김태호 (국민대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the structural characteristics of oil-free, gas beam foil journal bearings (GBFJBs) for use in high speed motors. Mathematical modeling was carried out, and reaction force modeling for static load was performed to predict the structural characteristics of the GBFJB. Mathematical modeling and reaction force modeling for static load are performed to predict the structural characteristics of GBFJBs. The reaction force of the test bearing against static loads was measured during experiments and compared with the predicted results. The measured experimental data reveal the nonlinear stiffness characteristics of the GBFJB against varying displacement and agree well with the predictions. Dynamic load tests using an exciter allow to identify the vibration characteristics of the GBFJB. Test results show that the vibration displacement, dynamic force, and acceleration measured on the test bearing are most dominant at the applied dynamic load (synchronization) frequency. Futhermore, the test results show that the hysteresis area recorded during the dynamic tests increases with the excitation amplitude and frequency, and that the beam stick phenomena occurr at high excitation frequencies. The single degree of freedom (DOF) vibration model aids to identify the stiffness and damping coefficient of the GBFJB, which decrease as the excitation frequency increases.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 2. Simplified configuration of beam element as a pair of cantilever beams(up) and its equivalent model (down).
그림 Fig. 1. Schematic view of GBFJB (left) and beam foil (right).
그림 Fig. 3. Schematic view of beam foil (upper) and clearance profile for concentric journal (lower).
표 Table 1. Geometry and material properties of GBFJB
그림 Fig. 4. Photo of test set up for static load test.
그림 Fig. 5. Schematic view of static load test rig.
그림 Fig. 6. Measured GBFJB static load versus displacement of (a) vertical direction and (b) horizontal direction during the test.
표 Table 2. Geometry of beams
그림 Fig. 7. Schematic view of GBFJB model to calculate beam contact reaction forces and fixed coordinate system (X,Y.).
그림 Fig. 8. Comparison of measured and predicted displacement versus static load for test bearing: (a) vertical direction and (b) horizontal direction.
그림 Fig. 9. Comparison of measured and predicted stiffness coefficients versus displacement for test bearing: (a) vertical direction and (b) horizontal direction.
그림 Fig. 10. Comparison of measured and predicted stiffness coefficients versus static load for test bearing: (a) vertical direction and (b) horizontal direction.
그림 Fig. 11. Comparison of measured displacement versus static load for bump foil and beam foil journal bearings: (a) vertical direction and (b) horizontal direction.
그림 Fig. 12. Comparison of measured stiffness coefficients versus displacement for bump foil and beam foil journal bearings: (a) vertical direction and (b) horizontal direction.
그림 Fig. 13. Photo of test set up for dynamic load test.
그림 Fig. 14. FFT results of (a) bearing displacement, (b)dynamic force and (c) bearing acceleration measured during dynamic load test at 300 Hz.
그림 Fig. 15. Measured bearing displacement at excitation frequency of 300 Hz and vibration amplitude of (a)30 μm and (b)60 μm
그림 Fig. 16. Measured dynamic force at excitation frequency of 300 Hz and vibration amplitude of (a)30 μm and (b)60 μm.
그림 Fig. 17. Measured bearing acceleration at excitation frequency of 300 Hz and vibration amplitude of (a)30 μm and (b)60 μm.
그림 Fig. 18. Measured bearing displacement at excitation frequency of 110 Hz for increasing vibration amplitudes.
그림 Fig. 19. Measured bearing displacement at vibration amplitude of 60 μm for increasing excitation frequencies.
그림 Fig. 20. Measured dynamic coefficients versus excitation frequency for increasing vibration amplitude: (a) stiffness (b) damping.
그림 Fig. 21. Phase angle versus frequency measured during impact test on bearing-dynamic test rig system.
그림 Fig. 22. Comparison estimated dynamic coefficients versus excitation frequency of beam foil and bump foil bearings : (a) stiffness (b) damping.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문은 단일 포일을 사용하면서도 비선형 강성 특성과 예압(preload) 효과를 가질 수 있는 빔포일을 갖는 가스 포일 저널 베어링(Gas Foil Journal Bearing, GFJB)의 구조 특성을 파악하기 위해 정적 하중지지 특성과 동적 하중에 대한 강성과 감쇠 계수를 측정하고 해석 모델과 비교를 수행하였다.

제안 방법

본 논문에서는 빔포일을 갖는 GFJB의 정적 하중과 동적 하중에 대한 구조 특성을 측정하였으며 해석 모델과 비교하였다.
1. 빔포일의 수학적 모델링을 통해 단일 박판에 비선 형 강성과 예압 효과를 가지는 빔포일 탄성구조체를 설계하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 논문에 사용된 가스 빔포일 저널 베어링 (Gas Beam Foil Journal Bearing, GBFJB)의 형상과 빔 포일의 개략도를 나타낸다. GBFJB은 각각 3장의 탑포일과 빔포일 탄성구조체를 가지며 포일들은 120° 간격으로 위치한 도브 테일 그루브(dove tail groove)에 베어링 곡률을 따라 끼워지게 된다.
Table 1은 본 논문에 사용된 GBFJB의 형상 치수 및 재료 물성치를 보여준다. 베어링의 내경은 26 mm이며 축 방향 길이는 20 mm이다. 탑포일과 빔포일은 25.
빔포일은 축 방향으로는 동일한 빔으로 배열하였으며 원주방향으로 빔의 길이가 길어지도록 설계되었다. 빔포일에는 6종류의 서로 다른 빔이 사용되었으며 회전방향을 따라 빔의 높이와 강성이 증가하도록 설계되었다. 이러한 형상은 회전축의 고속 회전 시에 회전축과 베어링의 동심이 일치되더라도 베어링 간극에 경사면(Hydrodynamic wedge)을 형성하여 유체동압 형성을 도와준다.
이때 삽입된 빔포일의 외팔보 형태의 빔은 구부러지지 않고 그 끝단이 베어링 하우징 내면에 지지된다. 빔포일은 외팔보 형태의 빔과 각 각의 빔을 연결하는 웹(web)으로 형성되어 있으며 식각(etching)가공을 통해 제작하였다.

성능/효과

따라서 가스 포일 베어링은 회전축을 지지하고 구조적 강성과 감쇠 성능을 향상하기 위한 탄성구조체로 내면을 구성하는데, 탄성구조체의 형상으로는 범프포일(bump foil), 다엽포일(leaf foil), 메탈 메쉬(metal mesh) 그리고 빔포일(beam foil) 등이 사용된다. 이러한 탄성구조체는 회전축 회전 시 발생하는 유체 동압에 의해 변형하게 되며 형상에 따라 부상속도, 마찰 손실, 그리고 하중지지능력 등의 베어링 특성에 영향을 준다[1] 또한, 고속에서 공기 동압으로 형성되는 윤활막의 강성이 높아질 경우 가스 포일 베어링의 강성 및 감쇠는 탄성구조체의 성능이 지배적인 영향을 준다[1] 따라서 탄성구조체의 형상과 종류에 따른 구조 특성을 파악하고자 하는 많은 연구들이 진행되어 왔다. Heshmat[2]은 한 장의 탑포일(top foil)과 두 장의 범프포일을 갖는 이중 범프포일 저널 베어링을 개발 후 정하중 실험을 통해 한 장의 범프포일을 사용했을 때 보다 하중지지 능력이 향상됨을 보였다.
이러한 탄성구조체는 회전축 회전 시 발생하는 유체 동압에 의해 변형하게 되며 형상에 따라 부상속도, 마찰 손실, 그리고 하중지지능력 등의 베어링 특성에 영향을 준다[1] 또한, 고속에서 공기 동압으로 형성되는 윤활막의 강성이 높아질 경우 가스 포일 베어링의 강성 및 감쇠는 탄성구조체의 성능이 지배적인 영향을 준다[1] 따라서 탄성구조체의 형상과 종류에 따른 구조 특성을 파악하고자 하는 많은 연구들이 진행되어 왔다. Heshmat[2]은 한 장의 탑포일(top foil)과 두 장의 범프포일을 갖는 이중 범프포일 저널 베어링을 개발 후 정하중 실험을 통해 한 장의 범프포일을 사용했을 때 보다 하중지지 능력이 향상됨을 보였다. Kim과 Mun[3]은 범프 형상과 다엽 형상의 탄성구조체를 결합한 다엽-범프(leaf-bump) 포일 베어링의 수학적 모델링을 제시하였으며, 정적/동적 성능을 범프포일 베어링과 해석적으로 비교하였다.
Heshmat[2]은 한 장의 탑포일(top foil)과 두 장의 범프포일을 갖는 이중 범프포일 저널 베어링을 개발 후 정하중 실험을 통해 한 장의 범프포일을 사용했을 때 보다 하중지지 능력이 향상됨을 보였다. Kim과 Mun[3]은 범프 형상과 다엽 형상의 탄성구조체를 결합한 다엽-범프(leaf-bump) 포일 베어링의 수학적 모델링을 제시하였으며, 정적/동적 성능을 범프포일 베어링과 해석적으로 비교하였다. Lee 등[4]은 다엽 형태의 탄성구조체에 대한 기하학 구조를 모델링하고, 정특성 해석을 통해 부상 특성에 관한 연구를 수행하였다.
Kim과 Mun[3]은 범프 형상과 다엽 형상의 탄성구조체를 결합한 다엽-범프(leaf-bump) 포일 베어링의 수학적 모델링을 제시하였으며, 정적/동적 성능을 범프포일 베어링과 해석적으로 비교하였다. Lee 등[4]은 다엽 형태의 탄성구조체에 대한 기하학 구조를 모델링하고, 정특성 해석을 통해 부상 특성에 관한 연구를 수행하였다. Feng 등[5]은 메탈 메쉬 소재의 탄성구 조체를 사용한 메탈 메쉬 포일베어링의 해석 모델을 제시하고, 정적/동적 성능에 관한 연구를 진행하였다.
Lee 등[4]은 다엽 형태의 탄성구조체에 대한 기하학 구조를 모델링하고, 정특성 해석을 통해 부상 특성에 관한 연구를 수행하였다. Feng 등[5]은 메탈 메쉬 소재의 탄성구 조체를 사용한 메탈 메쉬 포일베어링의 해석 모델을 제시하고, 정적/동적 성능에 관한 연구를 진행하였다. San Andreas와 Chirathadam[6]은 메탈 메쉬 포일베어링의 정적/동적 특성에 관한 실험적 연구를 진행하였으며, 범프 포일 베어링과 비교하였다.
Feng 등[5]은 메탈 메쉬 소재의 탄성구 조체를 사용한 메탈 메쉬 포일베어링의 해석 모델을 제시하고, 정적/동적 성능에 관한 연구를 진행하였다. San Andreas와 Chirathadam[6]은 메탈 메쉬 포일베어링의 정적/동적 특성에 관한 실험적 연구를 진행하였으며, 범프 포일 베어링과 비교하였다. Bosley[7]는 에칭 가공을 통해 포일 박판에 다수의 빔 형상의 탄성구조체 요소를 형성시키는 빔포일(beam foil) 베어링데 대한 연구를 수행 하였다.
San Andreas와 Chirathadam[6]은 메탈 메쉬 포일베어링의 정적/동적 특성에 관한 실험적 연구를 진행하였으며, 범프 포일 베어링과 비교하였다. Bosley[7]는 에칭 가공을 통해 포일 박판에 다수의 빔 형상의 탄성구조체 요소를 형성시키는 빔포일(beam foil) 베어링데 대한 연구를 수행 하였다. Feng 등[8]은 빔 끝단에 슬릿(slit)을 추가하여 다 중 강성을 갖는 다중 외팔보 베어링의 정특성 및 동특성에 관한 실험적 연구를 진행하였다.
2. GBFJB은 간극 구간을 가지며 간극 구간 이후 빔포 일이 변형함에 따라 변위에 따른 하중이 증가하였으며, 빔이 순차적으로 변형되며 비선형 강성 특성을 보였다.
6. GBFJB의 동적 하중에 대한 강성 및 감쇠 계수는 간극 이내에 가진에 대해서는 진폭에 무관하게 유사한 수준을 보이나, 간극 이상의 가진크기에 대해서는 고주파수에서 강성이 소폭 증가하였다. 또한 베어링의 동적 하중에 대한 강성과 감쇠 계수는 주파수가 증가함에 따라 비선형적으로 감소하였다.
7. GBFJB의 동적 하중에 대한 강성 및 감쇠계수는 이 중 범프포일 베어링의 결과보다 모두 높아 진동 제진 성능이 우수할 것으로 사료된다.
3. GBFJB의 해석 모델에서 베어링의 간극과 비선형 적 특성이 예측되었으며 실험결과와 잘 일치하였다.
GBFJB의 동적 하중에 대한 강성 및 감쇠 계수는 간극 이내에 가진에 대해서는 진폭에 무관하게 유사한 수준을 보이나, 간극 이상의 가진크기에 대해서는 고주파수에서 강성이 소폭 증가하였다. 또한 베어링의 동적 하중에 대한 강성과 감쇠 계수는 주파수가 증가함에 따라 비선형적으로 감소하였다.
빔포일은 동적 하중이 가해졌을 때 정적 하중에 비해 상대적으로 큰 이력곡선을 갖는다. 이력곡선은 가진 진폭이 증가할수록 면적이 커지며 고주파수 가진에서 빔 포일의 스틱 현상이 발생하였다.
4. 이중 범프포일 베어링과의 비교 결과, 단일 포일을 갖는 빔포일으로 이중 범프 포일의 경우에 상응하는 탄성구조 정특성을 보였다.

참고문헌 (16)

Kim, T. H., 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., "Advancements in the Performance of Aerodynamic Foil Journal Bearings: High Speed and Load Capacity," ASME J. Tribol., Vol.116, pp.287-295, 1994.

상세보기
Kim, T. H., Mun, H. W., "Performance Predictions of Gas Foil Bearing with Leaf Foils Supported on Bumps," Tribology and Lubricants, Vol.34, No.3, pp. 75-83, 2018, https://doi.org/10.9725/kts.2018.34.3.75

원문보기 상세보기
Lee, Y. B., Kim, T. H., Kim, C. H., Lee, N. S., Jang, G. H., "A Study on the Lift-off Characteristics of an Air-Lubricated Multi-leaf Foil Journal Bearing," J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol.17, No.4, pp.290-296, 2001, https://doi.org/10.9725/kstle.2001.17.4.290

원문보기 상세보기
Feng, K., Liu, W., Yu, R., Zhang, Z., "Analysis and Experimental Study on a Novel Gas Foil Bearing with Nested Compression Springs," Tribology International, Vol.107, pp.65-76, 2017.

상세보기
San Andres, L., Abraham Chirathadam, T., "A Metal Mesh Foil Bearing and a Bump-type Foil Bearing: Comparison of Performance for Two Similar Size Gas Bearings," Journal of engineering for gas turbines and power, Vol.134, No.10, 2012.

상세보기
Robert W. B., 1995, "COMPLIANT FOIL HYDRODYNAMIC FLUID FILM RADAL BEARING," US Patent No. 5427455
Feng, K., Zhao, X., Guo, Z., "Design and Structural Performance Measurements of a Novel Multi-cantilever Foil Bearing," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Vol.229, No.10, pp.1830-1838, 2015.

상세보기
Swanson, E. E., O'Meara, P. S., "The Wing Foil: A Novel Compliant Radial Foil Bearing Design," In Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, 50954(6), p. V008T26A002. American Society of Mechanical Engineers, 2017.
Kim, T. H., L. San Andres, "Analysis of Advanced Gas Foil Bearings with Series Elastic Supports," Tribol. Int., Vol.40, No.8, pp.1239-1245, 2007.

상세보기
Rubio, D., and San Andres, L., "Bump-Type Foil Bearing Structural Stiffness: Experiments and Predictions," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol.128, No.7, pp.653-660, 2006.

상세보기
Rubio, D., San Andres, L., "Structural Stiffness, Dry Friction Coefficient, and Equivalent Viscous Damping in a Bump-Type Foil Gas Bearing," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol.129, No.4, pp.494-502, 2007.

상세보기
Hwang, S. H., Moon, C. G., Lee, J. S.,Kim, T. H., "Performance Predictions of Gas Foil Journal Bearing with Shim Foils," Tribology and Lubricants, Vol.34, No.3, pp.107-114, 2018, https://doi.org/10.9725/kts.2018.34.3.107

원문보기 상세보기
Hwang, S. H., Moon, C. G., Kim, T. H., Lee, J., Cho, K. S., Ha, K. K., Lee, C. H.,"Rotordynamic Performance Measurements and Predictions of a FCEV Air Compressor Supported on Gas Foil Bearings," Tribology and Lubricants, Vol.35, No.1, pp.44-51, 2019, https://doi.org/10.9725/kts.2019.35.1.44

원문보기 상세보기
Nordmann, R., Massmann, H., "Identification of Dynamic Coefficients of Annular Turbulent Seals," NASA, Lewis Research Center Rotodynamic Instability Problems in High-Preformance Turbomachinery, pp.295-312.1, 1984.
Kim, T. H., Lee, J., Kim, Y. M., "Static Structural Characterization of Multilayer Gas Foil Journal Bearings," ASME Paper, No. GT2015-43959, 2015.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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