This paper describes a reliability characteristics of an air foil journal bearing for high speed turbomachinery at room temperature. To verify the reliability of air foil journal bearing, lift-off characteristics, load carrying capacity, and 10,000 cycle start-stop test were performed with motor dri...
This paper describes a reliability characteristics of an air foil journal bearing for high speed turbomachinery at room temperature. To verify the reliability of air foil journal bearing, lift-off characteristics, load carrying capacity, and 10,000 cycle start-stop test were performed with motor driven test rig. Lift-off test shows the relationship between the rotating speed of the shaft and the frictional torque with bearing surface. About load carrying capacity, the tested air foil journal bearing produced a load capacity of 500N at an operating speed of 15,000rpm, which is compared with results of numerical analysis and empirical coefficients. Finally, The trends in change of start torque, stop torque, and bearing temperature were shown during 10,000 cycle start-stop test of an air foil journal bearing. from the results of this work, an air foil bearing will be done well, as a supported bearing for high speed turbo-compressor.
This paper describes a reliability characteristics of an air foil journal bearing for high speed turbomachinery at room temperature. To verify the reliability of air foil journal bearing, lift-off characteristics, load carrying capacity, and 10,000 cycle start-stop test were performed with motor driven test rig. Lift-off test shows the relationship between the rotating speed of the shaft and the frictional torque with bearing surface. About load carrying capacity, the tested air foil journal bearing produced a load capacity of 500N at an operating speed of 15,000rpm, which is compared with results of numerical analysis and empirical coefficients. Finally, The trends in change of start torque, stop torque, and bearing temperature were shown during 10,000 cycle start-stop test of an air foil journal bearing. from the results of this work, an air foil bearing will be done well, as a supported bearing for high speed turbo-compressor.
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문제 정의
하중지지능력은 회전축이 포일 베어링 표면과 접촉을 일으키지 않고 안정적으로 회전하는 최대 부하하중을 측정하였으며 실험결과를 수치해석 및 실험계수 결과와 비교하였다. 아울러, IQOOOrpm의 회전속도로 10, 000회 반복 구동 실험을 수행하여 본 실험에 사용된 공기 포일 베어링의 내구성을 확인하고자 하였다. 결과 분석을 위해서 반복 횟수에 따른.
제안 방법
실험적 결과를 수치해석 및 실험계수. 결과와 비교하였으며, 로터의 회전속도에 따른 토크의 관찰을 통한 공기 포일 베어링의 부상특성 규명과 시동 및 정지 횟수에 따른 시동 토크, 정지 토크 및 온도의 변화를 고찰하였다.
공기 포일 베어링의 신뢰성을 연구하기 위해서 하중 지지 능력 시험과 10, 000회 반복 부상 시험을 하였으며 이러한 연구를 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
따라서 본 논문에서는 공기 포일 베어링의 신뢰성을 검증하기 위하여 포일 베어링의 하중지지능력 실험을 통해 실험적 결과를 수치해석 및 실험계수. 결과와 비교하였으며, 로터의 회전속도에 따른 토크의 관찰을 통한 공기 포일 베어링의 부상특성 규명과 시동 및 정지 횟수에 따른 시동 토크, 정지 토크 및 온도의 변화를 고찰하였다.
본 논문에서는 포일 베어링의 신뢰성에 대한 연구로서 먼저 하중지지능력 실험을 수행하였다. 공기 포일 베어링에 부가되는 하중은 공압 실린더에 의해 부가되며 와이어에 연결된 로드 셀(load cell)로부터 부하 하중량의 측정이 가능하다.
모니터링 하였다. 실험 기간동안의 작동 조건을 일정하게 하기 위하여 실험실의 온도를 20笆로 유지하였으며 구동 모터의 과열을 방지하기 위하여 냉각수를 이용하여 모터를. 냉각하였다.
실험은 약 7일 동안 연속적으로 진행되었으며 시스템의 파손으로 인한 사고에 대비하여 KIST에서 자체 개발한 소프트웨어를 사용하여 회전축의 진동을 24시간 모니터링 하였다. 실험 기간동안의 작동 조건을 일정하게 하기 위하여 실험실의 온도를 20笆로 유지하였으며 구동 모터의 과열을 방지하기 위하여 냉각수를 이용하여 모터를.
1mm의 두께를 갖는다. 탑포일은 상하부면에 구리도금을 한 후 상부면은 초기토크의 감소와 내구성 향상을 위하여 이황화몰리브덴 (MoS2) 고체윤활 코팅을 하였다. 범프포일은 구리도금을 하여 탑포일과 베어링 슬리브 표면과의 접촉 마찰력 상승을 도모하였다.
회전축은 양단의 볼베어링⑩에 의해서 지지되며 중앙에 52N의 자중을 갖는 시험 베어링 슬리브(⑨)를 장착하여 범프포일을 삽입하였다. 토크를 측정하기 위해 토크 암(①)을, 베어링의 온도를 측정하기 위하여 범프포일의 뒷면에 온도센서(②)를, 회전축의 속도를 측정하기 위해 베어링 슬리브 끝단에 속도 센서(⑦)를 각각 부착하였다. 회전축에 대한 베어링 슬리브의 진동은 서로 수직으로 장착된 2개의 변위센서 (③)에 의해 측정된다.
베어링의■온도 변화, 시동토크, 정지토크 및 IQOOOrpm에서 정지 시까지의 .토크의 변화를 측정하였다.
포일 베어링의 내구성 확인을 위해 52N의 자중을 갖는 포일 베어링을 IQOOOrpm의 회전속도로 10, 000회 부상실험 하였으며, 베어링의 시동 토크, 정지 토크, 온도 및 정지 회전수(touch down speed) 등을 관찰하여내 구성 특성을 고찰하였다. 포일 베어링의 부상 주기는 1분으로, 회전축은 2초의 가속구간, 23초의 등속 구간, 그리고 5초의 감속구간을 가지고 운전되며, 1회 부상실험이 완료된 뒤 30초 동안 정지 후 다시 반복 구동된다.
하중지지능력을 측정하기 위해서 회전축을 각각 S.OOOrpm, 10, 000rpm, 15,0000rpm의 속도로 회전시킨 후 베어링에 서서히 정하중을 가하였으며 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 범프 포일 베어링은 최대 15, 000rpm 에서 약 500N의 하중지지능력을 발휘하였으며 5, 000 rpm에서부터 15,000rpm까지의 시험 회전속도 범위에서 선형적인 하중지지능력의 증가를 나타내었다.
대상 데이터
9는 회전축이 10, 000中이의 운전속도에서 감속되어 정지할 때까지의 회전속도에 따른 토크의 변화를 나타낸다. 구동 횟수에 따른 변화를 관찰하기 위해서 100회, 2,000회, 5,000회, 그리고 10, 000회의 부상 실험에서의 결과를 나타내었다. 등속 운전속도인 10, 000rpm 에서의 토크는 약 5N・mm로 구동 횟수에 상관없이 일정한 값을 유지함을 알 수 있다.
4에, 시험편의 사양을 Table 1에 나타내었다. 포일의 재질은 상온에서 사용이 가능한 스테인리스 강판으로서 탑포일과 범프포일은 모두 0.1mm의 두께를 갖는다. 탑포일은 상하부면에 구리도금을 한 후 상부면은 초기토크의 감소와 내구성 향상을 위하여 이황화몰리브덴 (MoS2) 고체윤활 코팅을 하였다.
데이터처리
공기 포일 베어링에 부가되는 하중은 공압 실린더에 의해 부가되며 와이어에 연결된 로드 셀(load cell)로부터 부하 하중량의 측정이 가능하다. 하중지지능력은 회전축이 포일 베어링 표면과 접촉을 일으키지 않고 안정적으로 회전하는 최대 부하하중을 측정하였으며 실험결과를 수치해석 및 실험계수 결과와 비교하였다. 아울러, IQOOOrpm의 회전속도로 10, 000회 반복 구동 실험을 수행하여 본 실험에 사용된 공기 포일 베어링의 내구성을 확인하고자 하였다.
성능/효과
i) 범프포일 베어링은 최대 15,000 rpm에서 약 500N 의 하중지지 능력을 발휘하였으며 5,000 rpm에서부터 15, 000 rpm까지의 시험 회전속도 범위에서 선형적 인하 중지지 능력의 증가를 나타내었다.
ⅲ) 10, 000회 시동 및 정지의 반복 실험에서 52N 의자 중을 받는 포일 베어링은 회전속도의 감소에 따라선 형적인 회전토크의 감소를 나타내었으며 약 3, 000rpm전후에서는 하중지지 능력의 저하로 인하여 접촉이 발생하며 정지(touch down)하며 급격한 토크의 증가를 나타내었다.
ⅳ) 10, 000회의 반복 부상실험동안 공기 포일 베어링의 시동 및 정지 토크 그리고 베어링의 온도는 뚜렷한 증가를 보이지 않고 20% 이내의 변동량을 유지하였으며, IQOOOrpm의 운전속도에서 회전토크가 5N・mm로 일정하게 유지됨으로서 이를 통해 10, 000회 구동의 내구성을 확인할 수 있었다.
실험계수 결과와 수치해석 결과는 수치 해석기의 오차로 인한 제약으로 인하여 l“m의 윤활 두께에서의 하중지지능력을 측정하였으며 15,000rpm에서 모두 약 380N의 값을 나타내어 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 실험 결과와는 비교적 큰 차이를 보이며, 특히 15, 000rpm 에서는 실험결과가 수치해석의 결과보다 30% 더 큰 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 수치해석과 실험계수의 결과가 실험에서와는 달리 회전축과 포일 베어링의 완전한 접촉을 허용하지 않았기 때문에 발생한 것으로 사료된다.
5에 나타내었다. 범프 포일 베어링은 최대 15, 000rpm 에서 약 500N의 하중지지능력을 발휘하였으며 5, 000 rpm에서부터 15,000rpm까지의 시험 회전속도 범위에서 선형적인 하중지지능력의 증가를 나타내었다. 한편 실험계수 결과는 포일 베어링의 가진실험을 통하여 포일 베어링의 강성을 추출한 후 이 값을 포일 베어링의 공기 윤활해석에 적용하여 하중지지능력을 측정한 결과이다.
한편 실험계수 결과는 포일 베어링의 가진실험을 통하여 포일 베어링의 강성을 추출한 후 이 값을 포일 베어링의 공기 윤활해석에 적용하여 하중지지능력을 측정한 결과이다. 실험계수 결과와 수치해석 결과는 수치 해석기의 오차로 인한 제약으로 인하여 l“m의 윤활 두께에서의 하중지지능력을 측정하였으며 15,000rpm에서 모두 약 380N의 값을 나타내어 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 실험 결과와는 비교적 큰 차이를 보이며, 특히 15, 000rpm 에서는 실험결과가 수치해석의 결과보다 30% 더 큰 값을 나타냄을 알 수 있다.
이후 베어링의 최대 온도는 서서히 감소하여 10, 000회에서는 최초 28笆보다 적은 27X:를 유지하였다. 이러한 결과는 공기 포일 베어링의 10, 000회 내구성 시험에서 최대 시동 토크와 정지 토크 그리고 베어링의 온도는 모두 20%이내에서 그 값을 유지하였으며, 특히 회전속도에 따른 회전토크의 변화가 동일한 경향을 유지하며 IQOOOrpm에서 5N・mm로 일정하게 유지됨으로써 실험된 공기 포일 베어링의 10, 000회의 반복 구동 내구성을 보여준다.
8은 10, 000회 부상 시에서의 측정시간에 따른 회전속도와 토크의 결과를 보여준다. 회전토크는 회전축의 시동 시 약 161 N・mm의 최고 값을 나타내었다가 회전속도가 증가함에 따라 급속히 감소되었으며 회전축의 정지 시 회전 토크는 다시 증가하여 약 172N・mm의 값을 나타내었다. 한편, 회전축이 IQOOOrpn의 등속으로 운전되는 동안에는 5N・mm의 일정한 값을 나타내었는데 이 값은 시동 토크와 정지토크의 약 3%에 해당하는 작은 값이다.
후속연구
그러나 공기 포일 베어링으로 지지되는 터보압축기의 설계를 위해서는 로터-베어링 시스템의 신뢰성 향상을 통한 내구성 확보와 공력 요소의 안정성에 대한 연구가 상호 연성작용을 고려하여 수행되어져야한다. 또한 고하중의 회전축을 지지하기 위해 충분한 하중 지지 능력의 검증이 이루어져야 한다. 신뢰성이 검증되는 않은 고속 터보기계에서 발생하게 되는 베어링의 성능 감소와 그로 인한 파손은 회전체 시스템 전체의 불안정성을 유발하며 추후 막대한 유지 보수의 비용을 초래하게 된다.
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