자동차 터보차저 베어링 시스템에 적용되는 스퀴즈 필름 댐퍼: 실험적 동적계수 측정을 위한 실험장치 개발

Abstract

스퀴즈 필름 댐퍼는 유체 댐퍼로 회전체 베어링 시스템에 감쇠를 부여하는 요소이다. 불균형 질량으로 인한 회전체-베어링 시스템의 응답과 회전체동역학적 불안정성을 억제하는 효과를 지니고 있다. 이러한 스퀴즈 필름 댐퍼는 항공기 엔진, 차량용 터보차저, 모터 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 설계는 시스템의 특성에 맞게 설계되어야 하지만, 레이놀즈 방정식을 기초로 한 이론 모델로 성능을 추정하고 있다. 이에 따라 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 실험적 연구를 통해 이론 모델의 한계성을 입증하거나, 신뢰성을 확보하는 연구들이 수행되어지고 있다. 이러한 실험적 연구는 항공기용 엔진 및 가스터빈에 사용되는, 비교적 큰 사이즈의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대해서만 이루어지고 있다. 따라서 본 논문에서는 차량용 터보차저에 사용되는 스퀴즈 필름 댐퍼, 즉, 작은 사이즈의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 실험적 연구에 필요한 실험장치 개발에 대한 연구가 수행되었다. 동적 계수 측정에 필요한 실험장치 시스템의 설계부터 조립 방법 및 실험 순서까지, 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼의 실험적 연구에 대한 기반을 다지고자 하였다. 실험 장치는 크게 저널, 베이스, 베어링 카트리지, 4개의 지지로드, 상단 구조물로 이루어진 스퀴즈 필름 댐퍼 장치와, 2개의 가진기, 데이터 획득 시스템, 오일 순환 장치로 이루어져 있다. 스퀴즈 필름 댐퍼는 그루브를 중심으로 위, 아래 스퀴즈 필름 영역을 가지는 형상으로 설계하였다. 실험에 사용된 저널의 직경은 10.92 mm로 차량용 터보차저와 같은 크기이다. 위, 아래 스퀴즈 필름 영역의 길이는 동일하게 4 mm, 간극은 40 µm이고, 필름 끝은 실이 없는 형상이다. 그루브는 폭 3 mm, 깊이 3 mm를 가지는 형상으로 설계하였다. 90°로 위치한 기진기를 통해 스퀴즈 필름 댐퍼를 구현하고, 측정된 동적 계수를 2계 자유도 시스템으로 나타날 수 있게 하였다. 중심 그루브를 통해 스퀴즈 필름 영역에 오일을 공급하고, 다시 오일 탱크로 순활 될 수 있게 하였다. 실험 장치의 구조적 특징을 파악하기 위해 정하중 실험, 임팩트 실험이 수행되었다. 두 가지 실험은 저널과 조립된 실험 장치에 대해 각각 수행되었다. 저널에 대한 정하중 실험 결과 17.32 MN/m의 강성이 측정되었다. 임팩트 실험 결과 고유진동수는 3152 Hz이고, 15.53 MN/m의 강성이 측정되었다. 조립된 실험 장치에 대한 정하중 실험 결과 338.59 kN/m의 강성을 가지는 것으로 측정되었고, 임팩트 실험 결과 고유진동수 144 Hz, 297.1 kN/m의 강성을 가진다는 것을 확인하였다. 이렇게 측정된 구조적 특성은 추후, 단 방향 동하중 실험 및 오일 윤활 시스템에서의 원형 궤도 실험을 통해 스퀴즈 필름 댐퍼만의 동적계수를 산출하는데 사용 될 것이다. 이처럼 본 연구를 통해 제안된 실험 장치는 차량용 스퀴즈 필름 댐퍼뿐만 아니라 작은 사이즈의 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수를 측정하고, 실험적 연구를 수행하는데 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 더 나아가 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼의 연구에 대한 기반이 될 것이라 판된된다.; Squeeze film dampers (SFDs) are widely used for rotor-bearing systems in high performance rotating machinery, such as aircraft engines, automotive turbochargers, electric motors, to attenuate rotor imbalance responses, as well as to suppress rotordynamic instabilities. The forced performance of SFDs relies on their geometrical configuration and operating conditions including fluid viscosity, flow characteristics, configuration of journal motions, air entrapment, and location and type of seals. The thesis introduces a new noble test rig for identification of SFD force coefficients for automotive turbochargers. The test rig consists of a journal, base, bearing cartridge, 4 support rods, an upper structure for applying eccentricity, data Acquisition (DAQ) systems, and oil circulation systems. The damper in the test rig has two parallel film lands separated by a central feeding groove. Each film land is 4 mm long with a radial clearance of 40 μm. The central groove is 3 mm in width and 3 mm in depth. The preliminary experiments identify structural stiffnesses of the journal and the assembled bearing housing. The scheduled future tests will provide comprehensive test data of experimentally identified rotordynamic force coefficients of SFDs in automotive turbochargers.