[논문]에어 포일 스러스트 베어링의 탑포일 경사면 형상이 유동특성에 미치는 영향에 대한 수치해석 연구

백건웅; 주원구; 문형욱; 황성현; 정성윤; 박정구

doi:10.9725/kts.2021.37.4.117

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we perform a 3D CFD conjugate analysis according to the shape of the foil ramp of the air foil thrust bearing, analyze the flow characteristics inside the bearing, and compare the results corresponding to the two shapes. Air has a lower viscosity than lubricating oil. Therefore, the t...

In this study, we perform a 3D CFD conjugate analysis according to the shape of the foil ramp of the air foil thrust bearing, analyze the flow characteristics inside the bearing, and compare the results corresponding to the two shapes. Air has a lower viscosity than lubricating oil. Therefore, the thrust runner of the bearing must rotate at high speed to support the load. The gap between thrust runner and foil is significantly smaller than that of the oil bearing. Hence, it is crucial to analyze the complex flow characteristics inside the bearing to predict the complex flow inside the bearing and performance of the bearing. In addition, flow characteristics may appear differently depending on the ramp shape of the bearing foil, which may affect bearing performance. In this study, we numerically analyze the main flow path of air flowing into the bearing and the secondary flow path used for cooling the bearing using the commercial CFD software ANSYS CFX and compare the flow characteristics for straight and curved foil ramp shapes. Notably, there is a difference in the speed of the flowing air according to the shape of the ramp, which affects the bearing performance.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Schematic view of air foil thrust bearing.
그림 Fig. 2. Type of foil geometry.
표 Table 1. Dimensions of air foil thrust bearing
그림 Fig. 3. Calculation domain for CFD.
그림 Fig. 4. Grids in the gap region of AFTB.
그림 Fig. 5. Comparisons of load capacity with the number of grids.
그림 Fig. 6. Pressure distribution on the runner surface for Type 1 bearing.
그림 Fig. 7. Pressure distribution on the runner surface for Type 2 bearing.
표 Table 2. Boundary conditions of CFD
그림 Fig. 8. Velocity profile at different circumferential positions along r / r_o = 3/4 for type 1 bearing.
그림 Fig. 9. Velocity profile at different circumferentail positions along r / r_o = 3/4 for type 2 bearing.
그림 Fig. 10. Bearing viscous friction drag torque versus load capacity for Type1 AFTB, for Type2 AFTB, for design point.
그림 Fig. 11. Flow paths through the AFTB.
그림 Fig. 12. Temperature distribution on runner surface for Type 1 bearing.
그림 Fig. 13. Temperature distribution on runner surface for Type 2 bearing.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 에어 포일 스러스트 베어링에 대한 3 차원 CFD 복합열전달 해석을 통해 베어링 내부의 유동 특성을 분석하고, 두 가지 탑포일 형상에 따른 유동 특성 차이를 고찰하였다.

가설 설정

최소유막두께는 8.4 µm로 가정하여 해석하였다.

제안 방법

베어링 내부의 유막과 회전하는 러너표면, 베어링 고체부가 만나는 면에 열유속 보존조건을 설정하여 고체-유체 사이의 열전달 현상을 모사하였다. 스러스트 베어링은 6개의 패드를 가지고 있지만, 2개가 한 쌍으로 똑같은 형상이 반복되므로 2개의 패드만 포함하는 1/3 베어링 모델로 해석을 진행하였으며, 형상이 반복되는 양쪽면에 주기조건을 주었다.
베어링 내부의 유막과 회전하는 러너표면, 베어링 고체부가 만나는 면에 열유속 보존조건을 설정하여 고체-유체 사이의 열전달 현상을 모사하였다. 스러스트 베어링은 6개의 패드를 가지고 있지만, 2개가 한 쌍으로 똑같은 형상이 반복되므로 2개의 패드만 포함하는 1/3 베어링 모델로 해석을 진행하였으며, 형상이 반복되는 양쪽면에 주기조건을 주었다.
터보압축기에 사용되는 6패드 에어 포일 스러스트 베어링에 대해 3차원 CFD 유체-고체 복합 열전달 해석을 진행하였다. 탑포일의 경사면이 곡선인 베어링과 직선인 베어링의 내부 압력분포와 속도분포를 통해 유동 특성을 분석하였고, 베어링으로 유입되고, 유츌되는 유량 분석과 이를 통해 온도분포 특성을 살펴보았다.
탑포일의 경사부분이 곡선형상(Type 1)과 직선형상(Type 2)인 경우에 대해 수치해석을 수행하였고, CFD 계산 결과로부터 베어링의 성능 차이를 비교 분석하였다. Fig.
터보압축기에 사용되는 6패드 에어 포일 스러스트 베어링에 대해 3차원 CFD 유체-고체 복합 열전달 해석을 진행하였다. 탑포일의 경사면이 곡선인 베어링과 직선인 베어링의 내부 압력분포와 속도분포를 통해 유동 특성을 분석하였고, 베어링으로 유입되고, 유츌되는 유량 분석과 이를 통해 온도분포 특성을 살펴보았다.

대상 데이터

Fig. 1은 해석에 사용된 에어 포일 스러스트 베어링 (Air Foil Thrust Bearing, AFTB)의 개략도를, Table 1 은 무차원화된 설계치수를 보여준다. 베어링은 6개의 패드로 구성되어있고, 각 패드는 한 개의 탑포일과 여러 개의 범프포일로 이루어져 있다.
계산에 적절한 격자 개수를 찾기 위해 Fig. 5와 같이 격자 테스트를 진행하였으며, 그 결과 유막부는 430만개, 유동장 전체는 약 3000만 개의 격자를 사용하여 해석을 진행하였다. 스러스트 베어링 모델 해석에 사용한 경계 조건은 Table 2에 나타내었다.
해석을 위한 격자로 유막영역에는 육면체 격자, 그 이 외의 유로와 고체 영역에는 사면체 격자를 사용하였다. 특히, 가장 중요한 러너와 포일의 간극이 가장 작은 영역은 축방향으로 등 간격의 15개 육면체 격자로 구성하였다 (Fig.

성능/효과

1) 최대압력은 탑포일 경사면 끝부분에서 형성되며, 곡선형 탑포일 형상은 직선형 탑포일 형상에 비해 베어링 내부 압력은 약 9% 정도, 하중지지능력은 약 30% 정도 높게 나타난다.
2) 곡선형 탑포일 형상은 직선형 탑포일 형상에 비해 탑포일 경사면 끝부분에서 역압력구배로 인한 역류가 적다.
3) 곡선형 탑포일 형상은 직선형 탑포일 형상에 비해 순환 유동이 약 30% 정도 많으며, 이로 인해 베어링 내부 최대온도는 약 3.3% 정도 낮다.

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