2016년 회전체 동역학 및 트라이볼로지 요소의 연구동향

틸팅 패드 저널 베어링(Tilting Pad Journal Bearing, TPJB)은 고속에 대한 구동 안정성이 뛰어나며 고속 회전 기계에 적용하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 틸팅패드 저널베어링은 피봇의 형상에 따라 점 접촉과 선 접촉 등의 접촉 형태가 다르며, 피봇의 강성 또한 변화하게 된다. 장경은⁽⁶⁾ 등은 로커백 피봇, 볼-실린더 피봇, 실린더-실린더 피봇의 3가지 형상의 비선형 피봇 강성 모델을 적용한 틸팅 패드 저널베어링의 동적 성능을 해석하여, 피봇 형상에 따른 피봇 강성 및 동특성 계수에 대한 비교를 하였다. 그 결과 피봇 강성과 동특성 계수는 선 접촉을 하는 로커백 피봇에서 가장 큰 값을 갖고, 접촉 면적이 가장 작은 실린더-실린더 피봇에서 가장 낮은 값을 가짐을 확인하였다.

목진명⁽⁷⁾ 등은 틸팅 패드 저널 베어링에서 피봇 하우징의 접촉으로 인한 파손에 대한 연구로 Hertzian 접촉응력이론과 유한요소를 통한 응력분포를 비교하였다. 그 결과 Hertzian 접촉응력 이론을 통한 해석은 하중과 곡률직경차가 증가할수록 응력 값이 증가했으며, 유한요소법을 통한 응력분포와 비교했을 때 볼과 소켓의 접촉 조건 차이에 의해 유한요소법 해석 최대응력 값이 저하중에서는 작고 고하중에서는 더 높음을 보였다. Mehdi^(8,9) 등은 Hertzian 접촉응력 이론 기반의 피봇강성을 계산하고 동적계수를 측정하였다. 피봇강성을 포함한 모델이 강체 피봇모델보다 직접 강성 및 감쇠계수가 크게 감소하였고, 강체 피봇 모델의 예측결과 보다 실험데이터와 더 잘 일치함을 보였다. 또한 동적특성에 대한 피봇강성과 열 유체역학적 영향을 모두 고려한 모델을 보이고 비교한 결과 열 유체역학과 피봇강성을 모두 고려한 모델이 실험데이터와 더 잘 일치하였다.

서준호와 황철호⁽¹⁰⁾는 틸팅 패드 베어링에서 패드의 열팽창에 따른 예압 변화 및 베어링 패드의 온도변화, 동특성변화를 레이놀즈방정식, 에너지방정식, 열전달 및 열변형 해석모델을 유한요소법을 통해 구축하였다. 또한 등점도(isoviscosity) 베어링 모델과 다른 열에 의한 효과를 고려하는 새로운 알고리즘을 구성하고 예압량의 변화 모델을 통해 정밀한 해석모델의 시뮬레이션을 하였다. 그 결과 유체 점도와 공급 온도 증가는 모두 예압을 증가시켰으며, 점도의 증가는 강성, 감쇠계수 둘 다 증가하였지만 공급온도의 증가는 강성계수를 증가시키고 감쇠계수를 감소시키는 경향을 보였다. 이를 통해 동특성 및 정특성과 밀접한 관계를 가지는 예압량이 열로 인해 변하게 되며 운전 특성에 영향을 주는 것을 확인하였다.

연성피봇 저널베어링(flexure pivot journal bearing) 은 피봇에서 접촉을 통한 틸팅 운동이 아닌 web의 탄성변형으로 인한 운동을 한다. 그로인해 틸팅 패드 저널베어링의 단점인 피봇 부분에서 접촉으로 인한 탄성변형 및 마모로 생기는 회전체 시스템의 불안정성을 보완할 수 있는 베어링이다. 또한 패드와 하우징의 정밀가공으로 생기는 생산단가 증가를 줄일 수 있다. 서준호와 최연선⁽¹¹⁾은 패드와 피봇의 연성을 동시에 고려한 모델을 유한요소법과 Matlab을 이용하여 패드 두께증가에 따른 동특성 변화를 예측하였다. 그 결과 직교 강성계수는 특정 두께 이 후 두께가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이며 이는 일반적인 틸팅 패드 베어링과 반대의 경향이었다. 직교 점성계수는 일반 틸팅 패드 베어링과 같이 증가하는 것을 보였다.

성능 시험용 모델수차는 실제 수차의 성능을 예측하기 위해 만들어진 축소된 형태의 수차이며, 모델수차를 통한 성능시험은 실물수차의 성능을 판단할 수 있다. 특히, 효율시험은 정밀하게 측정되어야 하는 시험으로 마찰력을 줄이고 프레임을 자유회전상태로 유지하기 위해 정압(hydrostatic)베어링을 주로 사용한다. 박무룡⁽¹²⁾ 등은 모델수차용 레이디얼 정압베어링의 간편 설계 절차와 설계변수에 대한 추천 값을 제시하고, 그 후 실험결과 및 2차원 해법을 통해 초도설계 단계에서 유용하게 활용 가능함을 검증하였다.

가스 포일 저널 베어링(GFJB)은 구름 베어링과 다르게 급유시스템 및 실링이 필요 없기 때문에 소형화가 가능하며, 극한 조건에서도 작동이 가능하다는 장점이 있다. 방지훈과 류근⁽¹³⁾은 범프 포일 단품에 정하중을 부여하여 구조강성 및 감쇠를 실험적으로 규명하였다. 또한, 범프 포일이 겹쳐진 형태 및 수에 따른 구조강성의 변화를 실험적으로 확인하였다. 이동현⁽¹⁴⁾ 등은 소형 가스터빈에서 범프 포일 베어링의 온도 특성을 예측하기 위해 구동 중인 가스 터빈의 온도를 조건별로 측정하고, 열역학적 모델의 예측결과와 비교하였다. 그 결과 설계된 가스 터빈은 2차유로로 공급되는 유량이 충분히 열을 냉각시키고 있음을 확인하였고, Plenum에 공급되는 냉각된 공기의 온도로 베어링온도를 조절 가능함을 보였다.

수직형 수력 터빈 발전기에는 일반적으로 터빈가이드 베어링(turbin guide bearing, TGB)이 사용된다. 원통형 TGB는 회전지지 및 반경방향 설치 공간이 작다는 장점이 있다. 이안성과 장선용⁽¹⁵⁾은 저편심, 저부하 조건에서 매우 낮은 유막 강성을 갖는 단점을 보안하기 위해 분할된 각 패드의 선단에 테이퍼를 도입하여 설계하였다. 그 결과 저부하, 저편심 조건에서도 일정한 평균 직접강성을 얻음을 보였고, 테이퍼의 높이를 조절해서 평균 직접강성을 조절할 수 있음을 보였다.

트러스트 베어링은 회전축 방향의 하중을 지지하는 베어링으로 낮은 마찰을 가지며, 하중지지력이 중요한 요소이다. 그 중 가스를 윤활 유체로 사용하여 낮은 마찰과 높은 고속 안정성 및 무급유의 장점을 가진 가스 포일 트러스트 베어링(GFTB, Gas Foil Thrust Bearing)에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 문창국과 김태호⁽¹⁶⁾는 윤활 유체인 가스의 점도변화에 따라 베어링의 성능특성을 분석하였다. 무차원 레이놀즈식을 유한차분법으로 윤활 해석한 결과 윤활유체의 점도 증가 및 회전속도의 증가에 따라 베어링의 동력손실이 증가하였다. 추가적으로 가스포일 저널베어링의 경우 축 방향 길이가 증가할수록 동력손실이 커지는 것을 해석적으로 확인하였다.

이호원과 류근⁽¹⁷⁾은 다양한 조건의 가스포일 트러스트베어링의 정하중의 변화에 따른 특성을 비교, 분석하였다. 그 결과 모든 경우에서 정하중 크기가 증가함에 따라 구조강성이 비선형적으로 증가하였다. 또한, 점탄성 소재를 부착한 베어링이 일반적인 베어링보다 강성이 작은 것을 확인하였고, 에너지 소산으로 인해 발생하는 이력곡선의 넓이가 더욱 큰 것을 보이며 가스포일 트러스트 베어링에 점탄성 소재를 부착하였을 때 감쇠 능력이 샹항됨을 보였다. 또한 포일을 이중으로 겹치면 감쇠의 경우는 차이가 없었지만 구조강성, 에너지소산 및 등가점성 감쇠계수는 직렬로 연결된 댐퍼와

박태조와 김민규⁽¹⁸⁾는 CFD 프로그램인 FLUENT를 이용하여 타원형 딤플의 배치방향과 평행 트러스트 베어링의 윤활특성과의 관계를 조사하였다. 해석 결과 유체의 운동방향과 타원형 딤플의 장축이 같은 방향일 때 지지하중이 가장 컸으며, 그 다음으로 반구형 딤플, 장축과 수직인 딤플 순서로 지지하중이 감소하였다. 마찰력은 그와 반대의 순서로 감소함을 보이며, 장축과 유체운동방향이 일치할 때 최대지지 및 최소마찰을 가짐을 확인하였다.

볼베어링은 구름베어링의 한 종류이며, 볼과 하우징의 접촉으로 인한 파손과 소음저감 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.

각 접촉 볼베어링은 반경방향 하중과 축 방향 하중을 지지하는 것이 가능하여 주로 스핀들같이 뒤로 밀림현상이 없는 곳에서 사용된다. 배규현⁽¹⁹⁾ 등은 고속 스핀들에 사용되는 각 접촉 볼 베어링의 각 어긋남과 피로수명사이의 관계 확인하였다. 기존의 베어링 모델을 개선해서 각 어긋남에 따른 볼베어링의 특성을 예측할 수 있도록 하였으며, 수명공식에 적용하여 수명을 예측하였다. 1mrad 이후 각 어긋남이 증가함에 따라 접촉력의 변화가 급격하게 발생하였고, 수명 또한 급격하게 감소함을 확인하였다.

기어박스의 소음은 기어가 맞물려 있을 때의 동적 힘으로 인한 소음이 축, 베어링을 통해 전달되어 나타난다. 베어링 강성은 그러한 면에서 소음을 줄이는데 큰 영향을 준다. 박찬일⁽²⁰⁾은 베어링의 반경방향 틈새를 고려한 베어링 강성을 계산하고, 3자유도 모델의 스퍼 기어계 운동방정식에 적용하여 모드해석을 하였다. 그 결과 저 하중 조건에서는 반경방향 틈새가 증가하면 베어링 강성, 하중 분포영역이 급격히 감소하였고, 고 하중조건에서는 반경방향 틈새가 증가하면 강성과 하중분포영역은 감소했지만 차이가 크지 않았다. 모드해석 결과 베어링과 축의 조합 강성이 첫 번째와 두 번째, 기어 맞물림 강성은 세 번째 고유진동수와 관련이 있음을 확인하였다.

최근 환경 규제로 인한 자동차의 경량화 요구가 늘어나고 있으며, 그로 인해 차체 무게를 지탱하면서 회전운동을 전달하는 자동차용 휠 베어링의 수명 평가에 대한 중요성이 부각되고 있다. 이승표⁽²¹⁾는 자동차용 휠 베어링의 수명에 영향을 주는 작동하중과 회전속도 의 변화에 따른 시험수명을 ISO 국제 표준에서 제안하는 이론수명인 기본정격수명, 보정정격수명 결과와 비교하였다. 그 결과 기존정격수명, 보정정격수명 모두 실험수명과 차이가 존재했으며, 시험수명과의 차이는 보정정격수명이 더 적은 것을 보이며 보정정격수명이 실제 시험수명을 상대적으로 잘 예측함을 보였다.

자기베어링은 자기력으로 인해 부상되어 회전체를 지지하는 비 접촉식 베어링이다. 공기로 인한 마찰을 제외한 마찰손실이 없기 때문에 선속도를 높일 수 있다. 또한, 제어시스템과 전자석 용량에 따라 하중지지력을 유지할 수 있는 장점이 있다. 최경준⁽²²⁾ 등은 전류제어기에 공급전압 변화가 자기베어링의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 공급전압 및 회전속도가 변함에 따라 축 방향 자기베어링의 공급전류는 차이가 미미함을 확인하며, 상대적으로 낮은 전압에서도 정상운전이 가능함을 보였다. 최경준⁽²³⁾ 등은 고속, 고출력의 스핀들에 적용하기 위한 반경방향 센서 일체형 하이브리드 자기베어링을 설계하고 출력을 예측하였다.

홍두의⁽²⁴⁾ 등은 초임계 CO₂구동 터빈용 높은 부하를 지지하는 하이브리드형 자기베어링(Hybrid Magnetic Bearing, HMB)을 설계하고 자속밀도 분포 및 부하지지능력을 예측하였다.