Dynamic analyses of the flexible shaft in a scroll compressor considering elasto-hydrodynamic lubrication

Abstract

압축기는 저온 저압의 냉매를 흡입하여 고압의 상태로 토출해주는 역할을 하며, 산업용 및 가정용 air-conditioning system에 널리 사용되는 기계요소이다. 일반적으로, 압축기는 압축 방식에 따라 왕복동 압축기, 로터리 압축기, 스크롤 압축기로 구분된다. 왕복동 압축기는 고압력비가 요구되는 대형 압축기에 사용되며 소음이 큰 단점이 있다. 로터리 압축기는 낮은 압축비와 저속 회전의 소형 압축기에서 주로 사용된다. 반면, 스크롤 압축기는 소형 및 중형 압축기로써, 다른 종류의 압축기들에 비해 몇몇 장점을 가진다. 컴팩트한 구조로 인해 부품수가 작기 때문에, 스크롤압축기의 소형 및 경량화가 가능하다. 또한, 압축행정시 작은 토크변동으로 인해, 저진동 및 저소음의 장점을 가진다. 이러한 장점으로 인해 스크롤 압축기는 가전제품에 널리 사용되며, 스크롤 압축기의 효율을 높이기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 최근, 스크롤 압축기의 압축 효율을 높이기 위해, 구동모터의 제어 시스템의 발전하고 작동 회전속도의 범위가 매우 넓어졌다. 스크롤 압축기의 운전조건이 냉방 및 난방 조건과 같이 다양해짐에 따라, 압축행정에서 발생되는 가스력이 크게 증가하였다. 그러나, 다양한 구동조건으로 인해 스크롤압축기의 진동 및 소음이 증가하며, 특정 조건에서는 축과 베어링이 접촉하는 문제점이 발생했다. 스크롤압축기는 외부로부터 차단 되어있고, 매우 컴팩트한 구조이기 때문에, 실제 압축기 축의 동적 거동을 실험적으로 측정하기에 많은 어려움이 있다. 따라서, 스크롤 압축기의 작동조건이 다양해짐에 따라, 압축기 축의 동적거동을 정확히 해석하는 요구가 증가하고있다. 그러나, 스크롤 압축기 축의 동적 해석과 관련된 기존연구에서는 몇몇 한계점으로 인해 외력, 유막반력, 접촉력을 동시에 고려한 압축기 축의 동적거동을 해석하지 못하였다. 첫째, 압축기 축의 동적거동, 접촉력, 그리고 Stribeck curve에 대한 본 논문의 연구 배경과 이전 연구에 대한 내용을 요약하였다. 둘째, 본 논문은 축의 동적해석과 베어링 해석이 연성된 스크롤압축기 축의 동적거동 해석 방법을 제안하였다. 압축기 축의 거동을 고려한 저널베어링의 유막두께를 계산하고, 유한요소법을 이용해 이산화된 Reynolds 방정식을 이용하여 저널베어링의 유막압력을 해석하였다. 4자유도 Timoshenko beam 이론을 이용하여 압축기 축의 운동방정식을 구성하고, 중앙차분법을 이용하여 압축기 축의 동적해석을 진행하였다. 또한, 제안된 해석방법으로 계산한 선회반경과 최소유막두께 해석결과를 상용프로그램과 비교하여 수치적검증을 진행하였다. 셋째, 본 논문은 저널베어링의 곡면 접촉과 임의의 접촉영역을 고려하여 축의 동적거동 해석시 발생되는 접촉력 해석방법을 제안하였다. 미소 접촉영역의 유막두께는 저널베어링의 형상정보와 축의 거동에 의해 계산되며, 전체 접촉력은 임의의 접촉영역에서 발생되는 접촉력을 적분하여 계산된다. 제안된 접촉력 해석방법은 참고논문의 접촉압력과 비교하여 수치적으로 검증되었다. 또한, 압축기 축의 동적거동시 접촉이 발생되는 상황에서, 베어링압력과 접촉압력을 해석하였다. 넷째, 본 연구는 가스력, 유막반력, 그리고 접촉력을 동시에 고려한 스크롤압축기 탄성 축의 동적거동 해석방법을 제안하였고, 축의 동적거동시 계산된 접촉력은 다시 축의 동적거동 해석에 사용되었다. 다양한 회전속도와 가스력 조건에서 스크롤압축기 축의 동적거동이 해석되었다. 추가적으로, 압축기 축의 동적거동시 발생되는 유막반력과 접촉력을 이용하여 Stribeck surve를 도출하였으며, 이를 통해 압축기 축의 마찰특성을 분석하였다.