[논문]쉘 모델을 이용한 공기 포일 스러스트 베어링의 열-유체-구조 연동 해석

윤종완; 문소연; 박상신

doi:10.9725/kts.2024.40.1.17

쉘 모델을 이용한 공기 포일 스러스트 베어링의 열-유체-구조 연동 해석
Thermo-Fluid-Structure Coupled Analysis of Air Foil Thrust Bearings using Shell Model 원문보기

한국트라이볼로지학회지 = Tribology and lubricants, v.40 no.1, 2024년, pp.17 - 23

윤종완 (영남대학교 대학원 기계공학과) , 문소연 (영남대학교 대학원 기계공학과) , 박상신 (영남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzes the thermal effects on the performance of an air foil thrust bearing (AFTB) using COMSOL Multiphysics to approximate actual bearing behavior under real conditions. An AFTB is a sliding-thrust bearing that uses air as a lubricant to support the axial load. The AFTB consists of top and bump foils and supports the rotating disk through the hydrodynamic pressure generated by the wedge effect from the inclined surface of the top foil and the elastic deformation of the bump foils, similar to a spring. The use of air as a lubricant has some advantages such as low friction loss and less heat generation, enabling air bearings to be widely used in high-speed rotating systems. However, even in AFTB, the effects of energy loss due to viscosity at high speeds, interface frictional heat, and thermal deformation of the foil caused by temperature increase cannot be ignored. Foil deformation derived from the thermal effect influences the minimum decay in film thickness and enhances the film pressure. For these reasons, performance analyses of isothermal AFTBs have shown few discrepancies with real bearing behavior. To account for this phenomenon, a thermal-fluid-structure analysis is conducted to describe the combined mechanics. Results show that the load capacity under the thermal effect is slightly higher than that obtained from isothermal analysis. In addition, the push and pull effects on the top foil and bump foil-free edges can be simulated. The differences between the isothermal and thermal behaviors are discussed.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Air Foil Thrust Bearing (AFTB).
그림 Fig. 2. Geometric scheme of film thickness.
그림 Fig. 3. Thermal-Fluid-Structure (TFS) analysis scheme.
그림 Fig. 4. 3D shell modeling of AFTB.
그림 Fig. 5. Geometry of AFTB.
표 Table 1. Modeling parameters
그림 Fig. 6. Boundary condition of AFTB.
그림 Fig. 7. Heat transfer scheme.
그림 Fig. 8. Push and pull effect of free edges.
표 Table 2. Max. pressure and deformation comparing
그림 Fig. 9. Comparison of foils deformation between isothermal and thermal analysis.
그림 Fig. 10. Temperature distribution of foils.
그림 Fig. 12. Load capacity with various clearance.
그림 Fig. 13. Load capacity with various inclination.
그림 Fig. 11. Max. Temperature with the rotating speed.

AI 본문요약
AI-Helper

가설 설정

6(b)와 같이 탑포일과 범프 포일이 선 접촉하는 영역의 축 방향 변형량이 동일 하도록 하였으며, 선 접촉 마찰을 적용하였다. 각 포일 사이의 마찰 계수는 0.1로 가정하였다. 추가적으로 Shell-Thin-Film Flow Interfaction multiphysics를 활용하여 유체-구조 연동 해석을 적용하였다.
Kan 등은 3차원 AFTB의 열유체 구조 연동 수치 해석을 진행하였다[3]. 그들 역시 각 포일을 스프링 구조체로 가정하고 2차원 박판 이론을 적용하였으며, 열적 거동은 CFD toolbox FOAM-Extend-3.0의 LaplacianFoam 오픈 소스를 이용하여 전도에 대한 해석만 진행하였다. Liu 등은 레이놀즈 방정식과 에너지 방정식, 열 저항 이론을 이용하여 AFTB의 탑 포일 변형 및 온도 분포, 유막 압력을 수치 해석으로 계산하였다[4].
탑 포일의 윗면은 유막의 점성 소산에 의한 열을 직접적으로 받고 있으며, 아랫면은 공기와 자연 대류가 일어난다. 범프 포일은 탑 포일과 베어링 베이스와 각각 열 접촉하고 있으며, 다른 부분은 공기와 자연 대류가 발생한다고 가정하였다. 열전달에 대한 해석은 Heat Transfer in Films physics와 Heat Transfer in Shell Physics를 사용하여 각각 유막과 포일에 적용해주었다.
정확한 열전달 해석을 위해서는 탑 포일이 받치는 Disk와 범프 포일을 받쳐주는 Stator를 고려해야 한다. 하지만, 이들은 저널 베어링과도 연결되어 있어 본 연구에서는 축에 대해서 단열로 가정하고 AFTB에 대한 열전달만 이루어진다고 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 쉘 모델링의AFTB에서 탑 포일과 범프포일의 열변형을 고려하여 베어링의 유막 압력 및 변형을 해석하고 여러 조건에 따른 하중 지지 용량을 계산하여 베어링 성능을 분석하였다. COMSOL Multiphysics를 활용하여 다양한 설계 변수를 가지는 AFTB 해석이 가능하도록 프로그램을 개발하였다.
본 연구에서는 COMSOL Multiphysics를 활용하여 윤활 영역을 Thin Film으로 가정하고 포일을 쉘로 모델링하여 해석을 진행하였다. 또한, COMSOL Multiphysics의 내장 Physics 라이브러리 중 Heat Transfer Physics를 활용한 열-유체-구조(Thermal-Fluid-Structure, TFS) 연동 해석을 통해 AFTB의 성능을 분석하고 열을 고려한 해석의 영향을 고찰하였다.
본 연구에서는 쉘 모델링의AFTB에서 탑 포일과 범프포일의 열변형을 고려하여 베어링의 유막 압력 및 변형을 해석하고 여러 조건에 따른 하중 지지 용량을 계산하여 베어링 성능을 분석하였다. COMSOL Multiphysics를 활용하여 다양한 설계 변수를 가지는 AFTB 해석이 가능하도록 프로그램을 개발하였다.
쉘 모델링과 Thin film윤활 해석을 통해 유막 압력과 변형 형상 및 변형량 그리고 열을 고려하는 경우 포일의 온도 분포를 계산하였다. 등온 해석 시 포일의 탄성 변형으로 인해 탑 포일에서 자유단의 당겨짐 효과, 범프 포일에서 자유단의 밀림 효과를 시각적으로 볼 수 있었다.
범프 포일은 탑 포일과 베어링 베이스와 각각 열 접촉하고 있으며, 다른 부분은 공기와 자연 대류가 발생한다고 가정하였다. 열전달에 대한 해석은 Heat Transfer in Films physics와 Heat Transfer in Shell Physics를 사용하여 각각 유막과 포일에 적용해주었다.

대상 데이터

Fig. 1에 본 연구에서 연구 대상으로 한 AFTB의 한 조각을 나타내었다. 탑 포일의 경사진 면 끝단은 용접으로 고정되며 범프 포일 역시 반대편 끝단은 용접으로 고정된다.

이론/모형

THD 해석에서 온도에 대한 지배 방정식은 에너지 방정식을 사용한다. 유막에 대한 정적 상태 에너지 방정식은 유막 두께 방향으로의 속도 및 압력 구배를 무시하여 다음과 같이 정의된다.
본 연구에서는 AFTB의 대칭성을 활용하여 해석 시간 단축을 위해 하나의 조각에 대해 하중 지지 용량을 계산하였다. 그러므로 실제 AFTB의 하중 지지 용량은 위에서 도출한 하중 지지 용량 값에 5~6배의 값을 지닌다.
본 연구에서는 FSI 연동 해석을 진행하기 위해 다중 물리 해석 프로그램 COMSOL Multiphysics를 활용하였다. 탑 포일과 범프 포일로 구성된 AFTB형상을 COMSOL Multiphysics로 모델링하여 Fig.
본 연구에서는 열-유체-구조(TFS) 연동 해석 기법을 적용하여 다중 물리 연동 해석을 진행하였으며, Fig. 3에 TFS 연동 해석의 흐름을 도시하였다.
1로 가정하였다. 추가적으로 Shell-Thin-Film Flow Interfaction multiphysics를 활용하여 유체-구조 연동 해석을 적용하였다.
본 연구에서는 FSI 연동 해석을 진행하기 위해 다중 물리 해석 프로그램 COMSOL Multiphysics를 활용하였다. 탑 포일과 범프 포일로 구성된 AFTB형상을 COMSOL Multiphysics로 모델링하여 Fig. 4에 나타내었으며 해석 시간 단축을 위하여 형상을 모두 쉘로 모델링하였고 생략된 베어링 베이스는 경계 조건을 통해 영향을 고려하였다.
탑 포일의 윗면에는 회전하며 발생하는 유막 압력을 부가하기 위해 Thin-Film Flow Physics를 사용하였다. Shell Physics를 적용하여 쉘 모델링한 탑 포일과 범프 포일의 한 측면은 베어링 베이스와 용접되어 있으므로 각각 해당 부분에 고정 조건을 부가하였다.
포일 사이의 접촉 면에 쿨롱 법칙(Coulobm’s Law)에 의한 마찰 영향을 고려하였으며 쉘 이론이 AFTB해석에 유효함을 보였다.

성능/효과

또한 열이 고려되었기 때문에 열변형이 지배적이게 되어 탑 포일의 자유단에서 당김 효과가 아닌 밀림 효과가 크게 나타났다. 결과적으로 온도에 의한 유막 압력의 상승은 하중 지지 용량의 증가로 이어졌으며, 초기 틈새가 좁고 탑 포일의 경사도가 클수록 하중 지지 용량은 더욱 커졌다.

후속연구

이는 등온 AFTB해석의 결과가 실제 베어링 성능보다 낮게 도출되고 있는 것을 의미하며, 즉 실제 베어링의 거동에 부합하는 해석 결과를 얻기 위해서는 열을 고려한 해석이 필요하다는 것을 시사한다. 특히 터보 기계와 같은 고속 장치에서 주로 사용되는 AFTB에서 열 해석을 통해 조건 속도에 맞는 발열량 예측 및 변형 계산을 통한 베어링 수명 계산 등 다양한 산업 기계의 신뢰성을 위한 정확한 해석이 가능할 것으로 전망된다.

참고문헌 (8)

Dr. Luis San Andres, "Modern Lubrication Theory",？Texas A&M University Digital Libraries (2010).
Heshmat, H., Walowit, J. A., and Pinkus, O. (October 1,？1983). "Analysis of Gas Lubricated Compliant Thrust？Bearings." ASME. J. of Lubrication Tech., October 1983;105(4): 638-646
Kan Qin, Peter A. Jacobs, Joshua A. Keep, Daijin？Li, Ingo H. Jahn "A fluid-structure-thermal model？for bump-type foil thrust bearings", Tribology International, Vol.121, Pp.481-491, 2018, ISSN 0301-679X

상세보기
Liu, X.; Li, C.; Du, J.; Nan, G. Thermal Characteristics Study of the Bump Foil Thrust Gas Bearing.？Appl. Sci., 11(9), 4311, 2021, https://doi.org/10.3390/app11094311

상세보기
Ravikumar, R. N., Rathanraj, K. J., ArunKumar,？V.,"Comparative Experimental anaylsis of Load carrying capability of Air foil thrust bearing ofr different？configuration of foil assembly", Procedia Technology,？Vol.25, pp.1096-1105, 2016.
Andreas Lehn, Marcel Mahner, Bernhard Schweizer,？"Elasto-gasdynamic modeling of air foil thrust bearings with a two-dimensional shell model for top and？bump foil", Tribology International 100: 48-59, 2016.

상세보기
D. B. Dykas, J. Prahl, C. DelllaCorte, R. Bruckner,？"Thermal Management Phenomena in foil gas thrust？bearing", Proceedings of the ASME Turbo Expo 2006:？Power for Land, Sea, and Air. Volume 5: Marine; Microturbines and Small Turbomachinery; Oil and Gas？Applications; Structures and Dynamics, Parts A and？B. Barcelona, Spain. May 8-11, 2006. pp.1417-1423.？ASME.
Hwang, S. H., Kim, D. Y., Kim, T. H., "Effects of？Cooling Flow Rate on Gas Foil Thrust Bearing Performance", Tribol. Lubr., Vol.39, No.2, pp.76~80,？2023, https://doi.org/10.9725/kts.2023.39.2.76

원문보기 상세보기

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