[논문]열린 끝단과 중앙 홈을 갖는 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠 특성에 대한 실험적 규명

김남규; 김태호; 강경대

doi:10.9725/kts.2024.40.1.28

열린 끝단과 중앙 홈을 갖는 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠 특성에 대한 실험적 규명
Experimental Identification of the Damping Characteristics of a Squeeze Film Damper with Open Ends and Central Groove 원문보기

한국트라이볼로지학회지 = Tribology and lubricants, v.40 no.1, 2024년, pp.28 - 37

김남규 (국민대학교 대학원 기계시스템공학과) , 김태호 (국민대학교 기계공학부) , 강경대 (한화에어로스페이스)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the development of a squeeze film damper (SFD) test rig and experimental identification of the effects of clearance, damper length, journal eccentricity ratio, excitation amplitude, oil supply pressure, and oil flow rate on the damping coefficients of a test SFD with open ends and a central groove. Test data are compared with predictions from a simple model developed for short SFDs with open ends and a central groove. The test results show a significant decrease in the damping coefficient with increasing clearance and a dramatic increase with damper length, which are in good agreement with the simple model predictions. According to the simple model, the damping coefficient is inversely proportional to the cube of the clearance and directly proportional to the cube of the length. An increase in the journal eccentricity ratio results in a dramatic increase in the damping coefficient by as much as 15 times that of the concentric case, particularly at low excitation frequencies. By contrast, the measured damping coefficient remains almost constant with changes in the excitation amplitude and supply pressure, which are not major factors in the damper design. In general, the test data agree well with the simple model predictions, excluding cases that show increases in the SFD length and journal eccentricity, which indicate significant dependency on the excitation frequency.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Schematic view of squeeze film damper (SFD) with open ends and central groove.
그림 Fig. 2. Photo of squeeze film damper test rig with static loader and electromagnetic shakers.
그림 Fig. 3. Section view of squeeze film damper test rig with oil circulation system.
그림 Fig. 4. Schematic diagram of oil lubricant supply and return system.
그림 Fig. 5. Geometry of the squeeze film damper with open ends central groove (a) Open ends SFD test rig cut view, (b) Enlarged view of SFD.
표 Table 2. Test cases of SFD (Geometry and operating conditions)
표 Table 1. Geometry and oil properties for SFD with open ends and central groove
그림 Fig. 6. Simplified schematic view and equivalent mathematical model of SFD test rig.
그림 Fig. 7. 2-dimensional model of SFD with parallel spring and damper elements and fixed journal with three oil supply orifices.
그림 Fig. 8. Examples of measured (a) displacement, (b) dynamic force, and (c) acceleration for the displacement of 15 μm at excitation frequency of 150 Hz at case 2.
그림 Fig. 9. Real and imaginary parts of measured impedance functions versus excitation frequency for case 2.
그림 Fig. 11. Averaged damping coefficient (C_avg) versus frequency for case 2 (c = 70 μm) and case 7 (c = 140 μm). Test data compared to simple model predictions. Data normalized to prediction for case 2 (c = 70 μm).
그림 Fig. 10. Measured static load versus cartridge displacement.
그림 Fig. 12. Averaged damping coefficient (C_avg) versus frequency for case 2 (L = 15 mm) and case 8 (L = 30 mm). Test data compared to simple model predictions. Data normalized to prediction for case 2 (L = 15 mm).
그림 Fig. 13. Averaged damping coefficient (C_avg) versus frequency for case 2 (ε = 0.0) and case 6 (ε = 0.4). Test data compared to simple model predictions. Data normalized to prediction for case 2 (ε = 0.0).
그림 Fig. 14. Averaged damping coefficient (C_avg) versus frequency for case 2 (r = 15 μm), case 9 (r = 30 μm), and case 10 (r = 45 μm). Test data compared to simple model predictions. Data normalized to prediction for case 2 (r = 15 μm).
그림 Fig. 15. Averaged damping coefficient (C_avg) versus frequency for case 1 (P_S = 1 barG), case 2 (P_S = 2 barG), and case 3 (P_S = 3 barG). Test data compared to simple model predictions. Data normalized to prediction for case 2 (P_S = 2 barG).
그림 Fig. 16. Averaged damping coefficient (C_avg) versus frequency for case 3 (Q_S = 0.940 LPM), case 4 (Q_S = 0.630 LPM), and case 5 (Q_S = 0.303 LPM). Test data compared to simple model predictions. Data normalized to prediction for case 3 (Q_S = 0.940 LPM).
그림 Fig. A1. Measured FRF magnitude versus frequency at (a) cartridge support rod, (b) shaker stinger, and (c) static loader stinger.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

오랜 기간 열린 끝단과 오일 중앙 홈을 갖는 SFD에 대한 많은 연구가 진행되었지만, 아직까지 다양한 형상 치수 및 작동 조건이 SFD의 감쇠계수에 미치는 영향을 상세히 규명한 논문은 거의 없는 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 SFD의 성능을 평가할 수 있는 실험장치를 개발하고 설계 변수(길이, 간극, 저널 편심율) 및 운전 조건(가진 진폭, 공급 압력, 공급 유량)을 동시에 비교하여 각 변수의 변화에 따라 달라지는 감쇠 성능을 실험적으로 규명한 후 단순 모델 해석 결과와 비교하고 고찰하고자 한다.
본 논문에서는 스퀴즈 필름 댐퍼 성능 평가 장치를 개발하고 다양한 형상 치수와 작동 조건이 감쇠 계수에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였다. 이를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.

제안 방법

X, Y 방향으로 설치된 가진기 스팅어와 카트리지 사이에 각각 1 개씩 힘 센서(force sensor)가 연결되어 동적 힘을 측정하며, 반대 방향(+180°) 으로 각각 1 개씩의 가속도 센서(acceleration sensor)와 와전류식 변위 센서(eddy current displacement sensor) 가 설치되어 가속도 및 변위 응답을 측정한다
Table 2는 실험을 위해 사용된 SFD 시편의 설계치수 및 실험 조건을 보여준다. 가진 진폭, 전체 길이, 윤활 틈새, 편심율, 공급압력, 공급유량 등을 변수로 총 10가지 경우(case)에 대한 실험 계획을 수립하였다.

대상 데이터

2는 제작된 실험장치의 사진을 보여준다. 스퀴즈 필름 댐퍼 실험장치는 크게 SFD 시험부 (SFD test part), 가진기 (shaker), 정하중 장치(static loader)로 구성된다. SFD 실험부를 중심으로 X, Y 방향으로 서로 수직하게 전자석 가진기를 배치한 후 가진기 스팅어 (shaker stinger)를 통하여 일정 진폭의 사인파 진동을 90°의 위상 차이로 부여한다.

이론/모형

실험장치는 참고문헌[5]를 참고하여 제작하였다. Fig.

성능/효과

측정 결과는 편심율의 증가가 감쇠계수를 뚜렷이 증가시킴을 보여준다. 실험 결과는 120 Hz 이상에서 단순 모델 해석 값과 그 경향과 크기가 대체로 일치하는데, 해석 결과에 따르면 편심율이 증가함에 따라 감쇠계수는 약 5배 증가하며 주파수에 따른 영향은 미미하다. 반면, 실험결과에 따르면 저주파수 구간에서는 편심의 영향이 더 커서 감쇠계수가 최대 15배 이상 증가했다가 주파수가 증가함에 따라 감소하는데, 이는 작은 유막 두께에서 가진 주파수가 증가함에 따라 오일 유막이 단단해지는 효과(Stiffening effect)에서 기인한 것으로 사료된다.
측정 결과는 SFD 길이의 증가가 감쇠계수를 뚜렷이 증가시킴을 보여준다. 실험 결과는 단순 모델 해석 값과 그 경향과 크기가 대체로 일치하는데 해석 결과에 따르면 길이가 두 배 증가함에 따라 감쇠계수는 약 13배 증가하며 주파수에 따른 영향은 미미하다. 다만, case 8의 실험결과는 주파수 증가에 따라 감쇠계수가 약간 감소하는 경향을 보여 120 Hz 이하에서는 해석이 실험값보다 약 15%, 그 이상에서는 약 30% 정도 높게 예측하는 차이를 보인다.
측정 결과는 윤활 틈새의 증가가 감쇠계수를 뚜렷이 감소시킴을 보여준다. 실험결과는 해석 값과 그 경향과 크기가 잘 일치하는데 해석 결과에 따르면 윤활 틈새가 두배 증가함에 따라 감쇠계수는 약 85 % 감소한다. 일반적으로 주파수에 따른 영향은 고유진동수와의 공진이 발생하는 구간들을 제외하면 크지 않다.
그래프는 이들 결과값들을 case 2에 대한 단순모델 해석 값으로 나누어 정규화한 무차원 값을 보여준다. 측정 결과는 SFD 길이의 증가가 감쇠계수를 뚜렷이 증가시킴을 보여준다. 실험 결과는 단순 모델 해석 값과 그 경향과 크기가 대체로 일치하는데 해석 결과에 따르면 길이가 두 배 증가함에 따라 감쇠계수는 약 13배 증가하며 주파수에 따른 영향은 미미하다.
그래프는 이들 결과값들을 case 2에 대한 단순모델 해석 값으로 나누어 정규화한 무차원 값을 보여준다. 측정 결과는 윤활 틈새의 증가가 감쇠계수를 뚜렷이 감소시킴을 보여준다. 실험결과는 해석 값과 그 경향과 크기가 잘 일치하는데 해석 결과에 따르면 윤활 틈새가 두배 증가함에 따라 감쇠계수는 약 85 % 감소한다.
측정 결과는 편심율의 증가가 감쇠계수를 뚜렷이 증가시킴을 보여준다. 실험 결과는 120 Hz 이상에서 단순 모델 해석 값과 그 경향과 크기가 대체로 일치하는데, 해석 결과에 따르면 편심율이 증가함에 따라 감쇠계수는 약 5배 증가하며 주파수에 따른 영향은 미미하다.
San Andrés 와 Vance[2]는 열린 끝단을 갖는 SFD에 대하여 저널 편심이 없고 작은 진폭을 갖는 경우 윤활 유체의 관성 효과를 고려한 해석을 수행하였다. 해석 결과는 관성 효과가 해석된 선형 감쇠계수에 큰 영향을 미치는 것을 보였다. Walton[3]등은 열린 끝단을 갖는 SFD에 대하여 오일 급유 홀 근방에서 윤활막의 깨짐 현상 (Film rupture)이 발생함을 실험적으로 보였다.

후속연구

단순 해석 모델은 실험 변수(간극, 길이, 편심률, 진폭, 공급 압력, 공급 유량)에 따른 감쇠계수 측정 결과를 대체로 잘 예측하며, 주파수 의존성을 확인하기 위해 반드시 실험적 검증이 필요하다.
이와 같이 SFD의 감쇠 성능은 설계 변수 및 운전 조건에 따라 크게 좌우되므로 다양하게 변수를 바꿔가며 비교할 필요가 있다. 오랜 기간 열린 끝단과 오일 중앙 홈을 갖는 SFD에 대한 많은 연구가 진행되었지만, 아직까지 다양한 형상 치수 및 작동 조건이 SFD의 감쇠계수에 미치는 영향을 상세히 규명한 논문은 거의 없는 실정이다.

참고문헌 (10)

Yi, H., Jung, H., Kim, K., Lee, C., Lim, H., Sin, S.,？Choi, S., Ryu, K., "Recent Advances in Fluid Film？Bearings and Dampers for Turbomachinery", Tribol.？Lubr., Vol.36, No.4, pp. 215-231, 2020, https://doi.org/10.9725/kts.2020.36.4.215

원문보기 상세보기
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상세보기
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상세보기
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Arauz, G. L., San Andres, L., "Experimental study？on the effect of a circumferential feeding groove on？the dynamic force response of a sealed squeeze film？damper", J. Tribol., Vol.118, No.4, pp.900-905, 1996.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

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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].

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