틸팅 현상을 고려한 범프 포일 스러스트 베어링의 특성 해석에 관한 연구

Abstract

범프 포일 베어링(bump foil bearing)은 가스 동압 베어링(Hydrodynamic Bearing)의 일종으로 고온, 고속의 극 환경에서 사용될 수 있는 베어링으로써 큰 관심을 받고 있다. 범프 포일 베어링은 반경 방향 하중을 지지하는 저널 베어링(bump foil journal bearing)과 축 방향 하중을 지지하는 스러스트 베어링(bump foil thrust bearing)으로 나뉘며 주로 저널 베어링에 관한 연구가 이루어져왔다. 하지만 최근 터보 기기의 고속, 고용량 화에 따른 압축기 측 축 방향 하중이 커짐에 따라 NASA Glenn Research Center를 중심으로 하중 지지능력(load carrying capacity)을 측정하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 하지만 이러한 스러스트 베어링의 성능을 예측할 수 있는 해석 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 범프 포일 스러스트 베어링에 대한 성능 해석을 목적으로 수행되었다. 범프 포일 베어링은 탄성 구조를 갖는 범프 포일과 그 위에 회전축의 회전에 의해 동압을 발생시키는 편평한 탑 포일로 구성되어 있으며 일반 가스 동압 베어링과는 달리 발생 압력에 따라 범프 포일의 성능이 달라지는 비선형적인 성격이 강해 기존의 해석적 방법에 의한 해석 결과를 신뢰하기 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 범프 포일에 대한 보다 신뢰성 있는 해석을 위해 유한 요소법(finite element method)을 이용하였으며 이 결과를 전체 베어링 해석에 적용하였다. 축의 회전에 의해 발생된 동압의 해석은 질량 보존 방정식(continuity equation)과 Navier-Stokes 방정식에 1차 미끄럼 경계조건(1st-slip boundary condition)을 이용하여 유도된 압축성 레이놀즈 방정식(compressibility Reynolds equation)으로부터 얻었으며 해석 방법으로 유한 차분법(finite difference method)을 이용하였다. 이 때 미끄럼 유동(slip flow)과 점착 유동(no slip flow) 각각의 경우에 대한 결과를 비교해 보았다. 베어링의 동특성을 계산하기 위한 방법으로는 섭동법(perturbation method)을 이용하였으며 이 때 크누센 넘버(Knudsen number)의 섭동량을 고려하였다. 마지막으로 스러스트 패드가 기울어진 상태에서 베어링 하중지지능력(load carrying capacity)과 토크(torque)의 정특성 변화를 해석하였다. 해석 결과로서 범프 포일의 높이와 길이 변화에 따른 구조적 강성, 감쇠 값의 변화에 대한 결과를 얻었으며 미끄럼 유동 조건을 고려하였을 때 베어링의 하중지지 능력과 부하 토크의 감소 효과를 확인하였다. 또한 스러스트 패드가 틸팅되었을 때 틸팅된 부분에서 베어링의 정, 동특성 계수가 현저히 증가하면서 회전축의 자세 교정에 영향을 미치는 것을 확인하였다.; In the air foil bearing, thrust pad is used to sustain the axial force generated by the pressure at the compressor side of turbomachinery as same as the air blower or the turbocharger. Furthermore, this thrust pad has a role to maintain the attitude position of the rotor. This role is the critical factor for the rotor and in real system becomes the element to reinforce the stiffness and damping of the journal bearing. As a method for more reliable analysis of the rotor, the analysis of the thrust pad supported on the air foil thrust bearing was executed. The thrust pad model used in this study was composed of two parts: one is an inclined part, which plays a role to increase the load carrying capacity, and the other is a flat part. [Heshmat et al., 1983] All parameters for this analysis were considered as normalized variables. This study mainly consists of three parts. First, the static characteristics were obtained over the region of the thin air film using FDM and the bump foil characteristics using FEM. In this process, more suitable coordinates on which the top foil grids touches with the bump foil are essential. Thus the relationship for the auto searching of the grid points was used. Second, the analysis of the dynamic characteristics was conducted by perturbation method. For more exact calculation, the rarefaction gas coefficients perturbed for the pressure and film thickness were taken into consideration. At last, the static and dynamic characteristics on the tilting condition of the thrust pad were obtained. Furthermore, the load carrying capacity and bearing torque were calculated under both tilting and not-tilting conditions. And the several results were presented: 1) the stiffness and damping of the bump foil under the condition of the various bump parameters, 2) the load carrying capacity and bearing torque at tilting state, 3) the bearing performance under various bearing parameters, 4) the effects considering the rarefaction gas coefficients.