[논문]틈새 변화에 따른 공기 포일 베어링 시스템의 진동 특성에 대한 연구

신승훈; 박정구; 정규강

문제 정의

본 논문에서는 터보 기기의 성능을 고려한 공기 포일 베어링 설계시 사용되는 설계 인자들을 이론적으로 해석하여 베어링 성능에 가장 크게 영향을 주는 인자를 찾았다. 그리고 그 인자를 이용하여 공기 포일 베어링으로 지지되는 로터-베어링 시스템의 특성변화에 대하여 알아보았다.

가설 설정

5) 변위 센서를 앰프와 연결하고 앰프는 주파수 분석기와 연결한다.
6) 터보 기계를 30,000rpm 으로 가동한다.
1은 공기 포일 베어링의 구조를 나타낸 것이다. 본 연구에서 탑 포일 및 범프 포일의 형상은 최적화로 가정하였고, 베어링의 직경은 회전체동역학 해석에 의하여 결정되었다. 그리고 윤활 코팅은 현재 사용중인 코팅에 대하여 국한하였다.

제안 방법

공기 포일 베어링의 동특성 변화를 알기 위하여 진동시험을 수행하였다. 이때 진동시험의 변수는 이론적인 해석 결과를 통해 얻은 로터와 공기 포일 베어링 사이의 틈새(Clearance)다.
압축성 레이놀즈 방정식에서 편심률과 자세각을 가정한 후 압력분포를 구하였다. 구한 압력 분포를 이용하여 탑 포일과 범프 포일의 변형을 해석하고 반복계산을 통하여 최종해를 구한 후 온도, 하중지지력 등을 구한 뒤에 공기 포일 베어링의 동특성(강성, 감쇠)을 계산한다.
본 논문에서는 터보 기기의 성능을 고려한 공기 포일 베어링 설계시 사용되는 설계 인자들을 이론적으로 해석하여 베어링 성능에 가장 크게 영향을 주는 인자를 찾았다. 그리고 그 인자를 이용하여 공기 포일 베어링으로 지지되는 로터-베어링 시스템의 특성변화에 대하여 알아보았다.
따라서 공기 포일 저널 베어링 틈새 6 가지와 공기 포일 스러스트 베어링 틈새 6 가지를 이용하여 진동시험을 수행하였다. 첫번째 불규칙 (Random) 진동시험을 통해 공기 포일 베어링 시스템이 갖는 진동응답의 변화를 분석하였다.
그리고 윤활 코팅은 현재 사용중인 코팅에 대하여 국한하였다. 따라서 나머지 변수인 베어링 길이와 틈새에 대한 영향만을 분석하였다. 공기 포일 베어링의 해석 과정을 Fig.
2 에 나타내었다. 압축성 레이놀즈 방정식에서 편심률과 자세각을 가정한 후 압력분포를 구하였다. 구한 압력 분포를 이용하여 탑 포일과 범프 포일의 변형을 해석하고 반복계산을 통하여 최종해를 구한 후 온도, 하중지지력 등을 구한 뒤에 공기 포일 베어링의 동특성(강성, 감쇠)을 계산한다.
이를 통하여 자동차용 터보기기에 적용가능한 공기 포일 베어링 시스템의 진동응답 변화 선도, 강성변화 선도, 감쇠율 변화 선도를 구하였다. 이를 설계에 반영하여 자동차에 적용가능한 공기 포일 베어링 시스템의 설계 방법을 제시하였다.
이를 통하여 자동차용 터보기기에 적용가능한 공기 포일 베어링 시스템의 진동응답 변화 선도, 강성변화 선도, 감쇠율 변화 선도를 구하였다. 이를 설계에 반영하여 자동차에 적용가능한 공기 포일 베어링 시스템의 설계 방법을 제시하였다.
정현(Sine sweep)파형 진동시험은 공기 포일 베어링의 고유진동수(natural frequency), 감쇠율(damping ratio)을 알아보기 위해 수행하였다.
지금까지 공기 포일 베어링으로 지지되는 터보기기의 베어링 성능에 가장 큰 영향을 미치는 설계 인자를 이론적인 해석방법과 시험을 통하여 얻었다.
따라서 공기 포일 저널 베어링 틈새 6 가지와 공기 포일 스러스트 베어링 틈새 6 가지를 이용하여 진동시험을 수행하였다. 첫번째 불규칙 (Random) 진동시험을 통해 공기 포일 베어링 시스템이 갖는 진동응답의 변화를 분석하였다. 진동시험 결과, 저널 베어링의 경우 수직방향 가진과 측면 방향의 가진에 대해 틈새가 증가함에 따라 진동응답이 증가하는 경향을 나타내었다.
축방향의 가진시험에서는 공기 포일 저널 베어링의 틈새는 변화를 주지 않고 공기 포일 스러스트 베어링의 틈새만 변화를 주어 시험을 진행하였다. 시험 결과, 틈새가 커져 감에 따라 응답이 선형적으로 증가하는 경향을 보이고 있다.

성능/효과

5(a)에 나타낸 것처럼 수직방향 가진시, 틈새의 증가에 따라 응답이 증가하지만 4 번째 틈새에서는 비선형적인 특성을 나타내었다. 그리고 로터 전방에 임펠러가 설치되어 있어 전방에서 측정한 응답이 로터 후방에서 측정한 응답보다 크게 나타났다.
본 연구의 결과는 강성 변화와 진동응답 변화를 예측할 수 있어 로터-베어링 시스템의 임계속도(Critical Speed)를 피하는 최적의 틈새 설계를 할 수 있을 뿐만 아니라 저진동, 저소음 문제를 가지는 가정용 터보 기기 설계에도 맞춤형 최적 틈새 설계가 가능하다.
축방향의 가진시험에서는 공기 포일 저널 베어링의 틈새는 변화를 주지 않고 공기 포일 스러스트 베어링의 틈새만 변화를 주어 시험을 진행하였다. 시험 결과, 틈새가 커져 감에 따라 응답이 선형적으로 증가하는 경향을 보이고 있다.
첫번째 불규칙 (Random) 진동시험을 통해 공기 포일 베어링 시스템이 갖는 진동응답의 변화를 분석하였다. 진동시험 결과, 저널 베어링의 경우 수직방향 가진과 측면 방향의 가진에 대해 틈새가 증가함에 따라 진동응답이 증가하는 경향을 나타내었다.
측면방향으로 가진하여 고유진동수와 감쇠율을 알아본 결과, 고유진동수는 틈새 변화에 따라 감소하였고 감쇠율은 틈새 변화와 상관관계를 갖지 않는 것으로 보인다.
4 는 베어링 길이를 이용한 베어링 강성, 감쇠 해석결과이다. 해석결과들을 비교한 결과, 베어링의 틈새 변화가 길이 변화보다 베어링 성능에 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.

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