적층 제조된 하이브리드 틸팅 패드 저널 베어링: 설계, 제작 및 정하중 특성 측정

Abstract

본 논문에서는 회전체동역학적 안정성이 매우 우수하며, 구성 부품이 일체형 형태인 플렉셔 피봇 틸팅 패드 저널 베어링과 외부에서 작동 유체를 가압하여 회전축과 베어링 사이에 접촉이 없어 낮은 마찰과 마모의 장점 때문에 높은 수명을 가지고 극저온 고속의 환경에 적합한 하이브리드 저널 베어링의 특징을 결합한 베어링의 설계를 제시한다. 회전체동역학적 안정성을 향상하며, 정압 베어링의 단점인 뉴매틱 해머 불안정성을 회피하기 위한 다수의 오리피스 및 앵글드 인젝션 설계 요소를 적용하였으며, 구조적인 감쇠 장치인 컴플라이언트 댐퍼를 추가하여 큰 동적 하중 발생 시 회전체 시스템 안정성을 확보한 장치를 추가하였다. 이러한 형상의 베어링을 제작하기 위해서는 기존의 주조 및 가공 공정이 아닌, 설계 자유도가 높은 금속 적층 제조 기법 중 가장 정밀도가 높은 DMLM(Direct Metal Laser Melting)공정을 활용하여 제작하였다. 저널 베어링 비회전 정하중 실험 장치를 이용하여 공기 및 액체 질소로 윤활되는 베어링 정적 하중에 대한 유량, 변위, 강성을 측정하였다. 공기 공급 압력 1 bar(g) ~ 5 bar(g), 액체 질소 공급 압력 4 bar(g)~6 bar(g) 조건으로 진행하였다. 실험결과 공기 실험의 경우 뉴매틱 해머 불안정성이 발생하지 않았으며, 액체 질소로 윤활되는 베어링은 보다 큰 하중지지력을 확인하였다. 실험을 통해 적층 제조된 하이브리드 유체 저널 베어링의 충분한 활용가능성을 확인하였다. 추가적으로 제작 과정에서 나타난 오리피스 치수 및 막힘 문제를 개선하기 위해 오리피스 가압 구조에서 포러스 외부 가압 구조로 설계 변경하기 위한 제작 조건 및 제작 방법을 소개한다. 인코넬 718 소재 포러스 구조의 제작 조건과 제작 방법을 제시하였다. 향후 계획으로는 테스트된 포러스 구조를 적용하여 포러스 외부 가압 구조를 가지는 하이브리드 틸팅 패드 저널 베어링을 제작하고, 그 성능을 측정하여, 기존 적층 제조 베어링과 성능을 비교할 예정이다. |High-performance turbomachinery requires low-count parts and compact support components. This thesis presents a new and modern hybrid tilting pad journal bearing that combines a flexure pivot tilting pad and external pressurization. The current work implements a metal additive manufacturing technology, known as direct metal laser melting (DMLM) for bearing fabrication. The fabricated bearing integrates multiple orifices without recesses, angled injection, and compliant dampers in a single part. The thesis details the design, fabrication process, and static load characteristic measurements of the fabricated bearing. The test rig measures the flow rate, temperature, and displacement of the test bearing while feeding compressed air (from 1 bar(g) to 5 bar(g)) and liquid nitrogen (from 4 bar(g) to 6 bar(g)) for increasing static loads on the bearing. The bearing lubricated with liquid nitrogen shows a larger load capacity than the bearing lubricated with air. The measured static load characteristics of the DMLM bearing are compared with those of the bearing fabricated using the conventional subtractive manufacturing process. The work demonstrates the feasibility of the hybrid bearing fabricated using the DMLM for high speed turbomachinery operated in extreme operating conditions.