이중범프포일 공기베어링의 성능에 관한 연구

Abstract

AFB는 주로 소형 고속 회전 기계에 적용되고 있으며 장착하는 회전체계는 강체회전체(rigid rotor)로 설계된다. AFB는 공기막 내에서 발생된 압력에 의해 윤활면이 변형한다는 특징을 가지고 있으며, 이로 인해 과진동(excursion)이나 충격(shock), 베어링의 가공 오차나 열변형, 축정렬불량(misalignment), 축의 열팽창(thermal expansion)이나 원심팽창(centrifugal expansion), 오염물질 유입, 훨 불안정성(whirl instability) 등에 대한 적응성(conformability)을 제공함으로써 고속 회전기계에 유용하게 사용되고 있다. 이중범프(double-bump) AFB는 과도한 하중이나 진동, 충격이 작용할 때 사용된다. 낮은 하중이 작용하는 경우에는 오직 상위 상위범프(upper bump)만 작동하는 단일범프 작동영역(single active region)에서 거동하고, 과도한 하중이 작용하는 경우에는 상위범프(upper bump)와 하위범프(lower bump)가 함께 작동하는 이중범프 작동영역(double active region)에서 거동한다. 지금까지 AFB의 성능해석을 위해 범프의 마찰을 고려한 모델 개발에 많은 연구들이 이루어져 왔으나, 이론적으로 이중범프 AFB의 정적 및 동적 성능을 해석한 연구는 전혀 보고되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 마찰의 영향을 포함하는 이중범프포일의 변형모델을 제안하여 이중범프 AFB의 정적 및 동적 성능을 해석할 수 있도록 하였다. 또한 하중, 마찰, 회전속도가 이중범프 AFB 성능에 미치는 영향을 고찰하였으며, 성능 시험을 통해 이중범프 AFB의 부하지지능력(load-carrying capacity)과 부상속도(lift-off speed)를 확인하고자 하였다. 이중범프 AFB의 성능해석 이론을 확립하여 제시하였다. 범프마찰을 고려한 AFB의 탄성유체윤활(elasto-hydrodynamic lubrication) 지배방정식을 유도하였다. 정적 및 동적성능을 예측하기 위하여 섭동방정식(perturbed equation)을 유도하였으며, 이중범프 AFB의 정적 및 동적 성능을 해석하기 위한 전산 프로그램을 작성하였다. 정적 해석결과로 AFB의 편심률(eccentricity)과 편심각(attitude angle), 최소 공기막두께(minimum film thickness)를 계산하였으며, 동적 해석결과로 AFB의 강성(stiffness coefficients) 및 감쇠계수(damping coefficients)를 계산하였다. 동적해석 결과는 선형 회전체동역학적 해석(rotordynamic analysis)에 사용 가능하다. 마찰을 고려한 단일범프 변형모델을 제안하였다. 그리고 이를 확장하여 두 가지 작동영역에서 거동하는 이중범프 변형모델을 제안하였다. 이 모델은 범프포일의 변형은 그 지점에 작용하는 압력에 비례하는 컴플라이언스(compliance)에 의해 결정되며, 컴플라이언스는 재료의 재질과 형상, 그리고 마찰계수의 함수로 표현된다. 단일범프 및 이중범프의 동적거동을 표현하기 위해 강성 및 감쇠계수를 가지는 등가 선형시스템(equivalent linear system)으로 표현하였다. 등가 감쇠계수(equivalent damping coefficients)는 두 범프사이 및 범프와 슬리브(sleeve) 사이의 쿨롱 마찰(Coulomb friction)에 의해 발생하는 히스테리시스 루프(hysteric loop)의 손실에너지(dissipated energy)로부터 유도하였다. 단일범프 또는 이중범프의 강성과 감쇠는 마찰계수에 따라 증가한다. 이중범프 작동영역(double active region)에서의 강성은 단일범프 작동영역(single active region)에 비해 100% 정도 커지나, 감쇠의 경우는 10%정도 커진다. 이중범프 AFB의 정적 및 동적 성능을 해석하여 고찰하였다. AFB는 고속 운전중에 적응성(conformability)을 높인 베어링이지만, 이러한 특성으로 인