범프포일베어링의 구조강성 및 감쇠계수에 대한 실험적 연구

Abstract

공기를 윤활제로 사용하는 베어링인 범프포일베어링은, 공기 막의 압력으로 축을 부상시켜 지지하는 유체동압베어링이다. 범프포일베어링은 공기를 윤활제로 사용하기 때문에 매우 고온의 환경에서 운용되는 고속 회전체에도 적용이 가능하다. 또한 오일의 누출을 막기 위한 실링 및 냉각 장치가 필요하지 않아 기기가 경량화 되고 친환경적이다. 이러한 장점으로 범프포일베어링을 고속 회전기기에 적용하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 범프포일베어링은 고속으로 회전하는 시스템을 지지하는 베어링으로 사용하기 때문에 고속에서의 안정성이 매우 중요하다. 축이 고속으로 회전하는 동안 공기 막의 강성은 범프 포일의 강성보다 크게 나타나기 때문에 범프 포일의 구조 강성 및 감쇠는 시스템의 동적 안정성을 결정하는 매우 중요한 요인이다. 따라서 본 연구에서는 범프포일베어링의 정하중 실험을 통해 다양한 조건에서 구조 강성과 손실 계수를 추정하여 감쇠 능력을 실험적으로 규명하고자 하였다. 정하중 실험은 로드셀과 변위 센서를 사용하여 범프포일베어링에 가해지는 하중과 그에 따른 범프 포일의 변형량 측정을 통해 진행되었다. 측정을 통해 얻은 데이터를 이용하여, 정하중에 대한 범프 포일의 변형량을 곡선 접합하였고 이를 범프 포일의 변형량에 대해 미분하여 구조 강성을 계산하였다. 이때 구조 강성은 비선형으로 나타나므로 이를 보완하기 위해 범프 변형량을 기준으로 국부 히스테리리스 루프를 측정하고 손실 계수를 추정하여 감쇠 성능을 파악하였다. 동일한 범프 변형량을 유지하면서 예하중을 증가시키면서 측정한 국부 히스테리시스 루프에서는 하중이 증가할수록 구조 강성은 증가하는 반면 손실 계수는 0.3에서 0.5 사이의 비교적 일정한 값을 가졌다. 그러나 동일한 예하중을 유지하면서 범프 변형량을 증가시키면서 측정한 국부 히스테리리스 루프에서는 범프 변형량이 증가할수록 손실 계수는 감소하는 경향을 보였다. 베어링 슬리브에 삽입하여 추정한 구조 강성은 베어링 간극과 활성화 되는 범프의 수에 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 범프 포일 단품에 대한 실험을 진행하였다. 범프의 양 끝단 경계 조건 및 겹쳐진 형태에 대한 정하중 실험을 통해 범프 포일 단품의 구조 강성과 감쇠 성능을 파악하였다. 범프 포일 단품의 한쪽 끝단이 고정되어 있을 때의 강성은 양 끝단이 고정되어 있을 않을 때와 비교하여 구조 강성이 크게 나타났다. 그리고 범프 포일 단품 1개, 동일한 범프 포일 단품 2개가 겹쳐진 형태, 동일한 범프 포일 단품 3개가 겹쳐진 형태, 동일한 범프 포일 사이에 알루미늄 판과 심 포일을 삽입한 형태의 구조 강성을 비교하였다. 그 결과 범프 포일 단품이 겹쳐질수록 이에 대한 구조 강성은 스프링을 직렬 연결한 것과 같이 감소하였으며 삽입되는 판과 범프 포일 사이의 마찰에 따라 구조 강성이 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 범프 포일 단품과 겹쳐진 범프의 국부 히스테리시스 루프를 측정하여 범프 변형량에 대한 정하중 특성을 규명하였다. 이를 통해 예하중이 증가할수록 구조 강성은 비선형으로 증가하며 동일 예하중에서 범프 변형량이 증가할수록 손실 계수는 감소하다가 일정해지는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 범프 포일에 가해지는 진폭이 증가할수록 감쇠 성능이 감소하는 것을 알아내었다. 본 연구를 통해 예하중과 범프 변형량에 대한 범프포일베어링 및 범프 포일 단품의 특성과 범프 포일 단품의 양 끝단 경계 조건 및 겹쳐진 형태에 대한 특성을 규명하였다. 따라서 범프포일베어링을 설계할 때 구조 강성 및 감쇠에 대한 특성을 이해하고 축의 불균형 질량으로 인한 진동 및 외부에서 전달되는 진동 특성, 범프 포일의 경계 조건 및 형태에 대해 고려해야 한다.| Bump-type foil bearings (BFBs) are hydrodynamic bearings using air as a lubricant in order to support a rotating shaft by means of pressure of the air film in series with corrugated elastic structures. Compared to oil lubricated bearing systems, BFBs supported rotor systems in high speed turbomachinery have enhanced efficiency and reliability at high temperatures. While a shaft rotates at high speed, structural parameters (i.e., structural stiffness and damping) of bump foils determine load capacity and stability of the bearings. The present study identifies structural stiffnesses and damping parameters of BFBs, as well as bump strip layers, while applying static loads on the bearings. For BFBs, push and pull loads are applied from 0 N to 200 N, respectively. Applied loads increase with bearing displacement nonlinearly. Structural stiffnesses are estimated by conducting curve-fitting for push and pull loads curves (i.e., hysteresis loop). Damping parameters are estimated from measured local hysteresis loops. Loss factors, representing energy dissipation, of test bearings are estimated for various preloads and bump deflection amplitudes. The present study also identifies static characteristics for bump strip layers for various boundary conditions (free end and fixed end) and configurations (multi-layer bump foils, and insertion thick and thin plates between bump foils). Loss factors for both BFBs and bump strip layers identified from the measured local hysteresis loops, decrease with bump deflection amplitudes. Loss factors also remain nearly constant with applied preloads for BFBs. On the other hand, local stiffnesses increase with applied preloads. The current study implies that loss factors and damping parameters of BFBs decrease when there are lage amplitudes of rotordynamic motions.; Bump-type foil bearings (BFBs) are hydrodynamic bearings using air as a lubricant in order to support a rotating shaft by means of pressure of the air film in series with corrugated elastic structures. Compared to oil lubricated bearing systems, BFBs supported rotor systems in high speed turbomachinery have enhanced efficiency and reliability at high temperatures. While a shaft rotates at high speed, structural parameters (i.e., structural stiffness and damping) of bump foils determine load capacity and stability of the bearings. The present study identifies structural stiffnesses and damping parameters of BFBs, as well as bump strip layers, while applying static loads on the bearings. For BFBs, push and pull loads are applied from 0 N to 200 N, respectively. Applied loads increase with bearing displacement nonlinearly. Structural stiffnesses are estimated by conducting curve-fitting for push and pull loads curves (i.e., hysteresis loop). Damping parameters are estimated from measured local hysteresis loops. Loss factors, representing energy dissipation, of test bearings are estimated for various preloads and bump deflection amplitudes. The present study also identifies static characteristics for bump strip layers for various boundary conditions (free end and fixed end) and configurations (multi-layer bump foils, and insertion thick and thin plates between bump foils). Loss factors for both BFBs and bump strip layers identified from the measured local hysteresis loops, decrease with bump deflection amplitudes. Loss factors also remain nearly constant with applied preloads for BFBs. On the other hand, local stiffnesses increase with applied preloads. The current study implies that loss factors and damping parameters of BFBs decrease when there are lage amplitudes of rotordynamic motions.