Introduction

유체 윤활 저널 베어링은 저널의 회전으로 인한 유체 동압으로 축을 부상시키는 형태의 비접촉식 베어링을 말하며, 구름베어링과 같은 접촉식 베어링에 비해 마모가 적어 내구성이 좋다.

틸팅 패드 저널 베어링(TPJB, Tilting Pad Journal Bearing)은 저널 베어링의 한 종류로 회전체의 불안정성을 야기하는 교차 강성이 매우 작아 구동 안정성이 뛰어나며 특히 고속안정성이 매우 뛰어나 대형 터빈 및 다양한 고속 회전기계에서 사용된다. TPJB은 피봇의 형상에 따라 피봇 강성이 변화하며, 김태호와 최태규⁽⁷⁾는 Hertzian 접촉 응력 이론을 적용한 볼 소켓 피봇의 비선형 강성이 고려하여 TPJB 등온조건 해석을 하였다. 이를 통해 베어링의 정, 동특성 예측 및 실험값과 비교 검증하였으며 기존 문헌에서 보고된 결과보다 향상된 정확도를 보이며 해석 모델의 정확성을 검증하였다. 또한 최태규⁽⁸⁾등은 TPJB의 설계 단계에서 피봇의 형상을 고려한 해석 모델을 통해 정, 동특성을 예측하고 Sommerfeld number에 따른 무차원 강성을 실험값과 비교하였다. 그 결과 피봇의 형상에 따라 피봇 강성이 결정되고, 피봇 설계가 베어링의 성능에 매우 큰 영향을 미침을 확인함으로써 베어링 설계 시 피봇의 형상을 고려해야함을 보였다.

이안성⁽⁹⁾등은 순환재 보일러에 열을 공급하기 위한 1단 히트펌프 원심 압축기의 DE-side (drive end side) TPJB에서 비정상적인 고온거동 발생에 대해 설계해석 검토를 수행하여 베어링의 문제점을 파악하였다. 기준 설계 데이터를 활용한 해석결과로 베어링 메탈 온도에 영향을 미치는 변수를 파악하였고, 트러블슈팅을 통해 Preload를 감소시켜 오일 공급유량을 증가시키는 Retrofit 설계로 베어링의 비정상 고온문제를 해결하였다.

이동현과 선경호⁽¹⁰⁾는 TPJB의 열윤활 해석을 위해 3차원 대류 및 열전달 방정식을 적용한 모델을 제시하고, 기존 연구 결과와 비교하였다. 또한 제작된 터빈 시뮬레이터용 베어링의 온도 해석을 측정결과와 비교하였다. 그 결과로 상부 패드는 4 °C, 하부 패드는 1 °C 미만의 오차를 보이며 해석모델의 신뢰도를 검증하였다. 또한 이동현⁽¹¹⁾등은 마모가 패드의 온도 특성에 미치는 영향을 예측하기 위해 패드 마모 형상에 대한 해석모델을 제시하고, 패드 전체 길이의 20% 마모를 가지는 실험 장치의 실험결과를 통해 해석 모델을 검증하였다. 마모된 하부 패드의 온도는 증가, 상부 패드의 온도는 감소하였으며 마모깊이가 증가할수록 편심율 증가 및 최소유막두께가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해 회전축의 편심률 모니터링을 통해 마모진단이 가능함을 보였다.

정성윤⁽¹²⁾등은 TPJB의 패드사이에서 혼합되는 오일에 대한 모델 및 혼합계수(λ)의 변화에 따른 온도해석을 수행하고, 기존 실험 데이터와 비교하였다. 그 결과 적절한 혼합계수 선정을 통하여 해석결과의 정확도를 향상시켰으며, 혼합계수 증가에 따라 윤활 오일의 최대온도가 증가함을 보였다.

연성피봇 틸팅 패드 저널 베어링(FPTPJB, flexure pivot tilting pad journal bearing)은 접촉식 피봇이 아닌 패드-피봇-하우징 일체형의 구조를 가지며, 피봇 web의 탄성변형량이 틸팅 거동의 정도를 결정한다. 이러한 구조는 접촉형 피봇을 갖는 TPJB의 단점인 피봇 마모, 높은 접촉응력, 누적 공차를 제거할 수 있는 장점이 있다. 하지만 베어링에 하중이 가해지면 피봇 웹에 응력집중이 일어나므로 구조적 안정성을 분석해야 한다. 따라서 Mehdi⁽¹³⁾ 등은 대형 터빈에 적용되는 FPTPJB의 피봇 형상에 따른 응력 해석을 수행하였다. 베어링 형상에 대해 유한요소법을 통해 정적하중과 변동하중에 따른 응력을 계산하고 modified-Goodman diagram을 통해 피로수명 안전성을 확인하였다. 이를 통해 안전계수를 높이기 위해서는 피봇 웹의 두께 및 필렛을 증가시켜야함을 보였으며 최적설계를 위한 두께 및 필렛 반경을 제시하였다.

수직형 수력 터빈 발전기에 일반적으로 사용되는 터빈가이드 베어링(TGB, turbin guide bearing)은 축의 원활한 회전 및 지지를 위해 사용된다. 이안성과 장선용⁽¹⁴⁾은 분할된 각 패드의 선단에 테이퍼를 도입하여 저편심, 저부하 조건에서 유막 강성이 낮은 TGB의 단점을 보완하고, 테이퍼의 높이에 따른 해석을 비교하였다. 그 결과 테이퍼가 존재하는 경우 더 큰 부하용량을 가지며 편심이 증가함에 따라 동력손실이 감소함을 확인하였다. 또한 테이퍼의 높이변화에 따라 평균 직접강성이 변화함을 확인하여 설계변수로 사용할 수 있음을 보였다.

안성찬⁽¹⁵⁾ 등은 연료 펌프에 적용된 저널베어링의 설계인자인 간극비와 저널 부분의 그루브 형상을 결정하기 위해 탄성유체윤활 해석기법을 활용하였다. 최소유막두께, 최대유막압력, 윤활유 온도 상승량을 고려하여 최적의 간극비를 해석을 통해 선정하였다.

스러스트 베어링은 회전체의 축 방향 하중을 지지하는 베어링으로, 하중지지력이 중요한 성능 지표이다. 이러한 베어링은 가스 및 공기를 윤활 유체로 사용할 경우 낮은 마찰과 우수한 열적 안정성 그리고 무급유의 장점을 갖는다.

다공성 타입의 공기 윤활 스러스트 베어링은 기존 오리피스 타입의 공기베어링에 비해 일정한 압력분포 및 우수한 하중지지력을 갖는다. 이성진과 류근⁽¹⁶⁾은 공급하중 및 적용하중에 따른 외부가압 다공성 스러스트 베어링의 유막두께를 실험적으로 측정하였다. 스러스트 베어링의 공급압력이 증가함에 따라 유막두께와 유량이 증가하였으나, 적용하중이 증가함에 따라 감소하였다. 이를 통해 측정 유량으로 접촉을 예상하고 공급압력 및 적용하중 조절을 통해 회전축과 베어링의 접촉을 방지할 수 있음을 확인하였다.

접촉식 베어링인 볼베어링이 적용된 기계부품의 경우 윤활은 기계부품의 내구성과 수명을 결정짓는 주요 요소이다. 이에 정순비⁽¹⁷⁾ 등은 스러스트 볼베어링의 볼 개수, 회전 속도, 적용 하중에 따라 변화하는 회복유막두께를 해석적 방법을 통해 예측하였다. 그 결과 스러스트 베어링에 적용될 수 있는 최적의 볼 개수와 회전속도를 예측하였으며, 적용 하중이 증가함에 따라 유막 두께가 감소하고, 미니스커스 위치를 통해 윤활 상태 천이를 구분함으로써 해석적 접근을 통하여 개선된 윤활환경을 찾을 수 있음을 보였다.

볼 베어링과 롤러베어링은 구름 베어링의 한 종류로 볼 또는 롤러와 내륜과 외륜이 접촉하는 형태로 이루어져있기 때문에 접촉에 의한 파손 또는 피로수명에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.

통반칸과 홍성욱⁽¹⁸⁾은 두 개의 열을 갖는 각 접촉 볼 베어링(D-ACBBs, Double row angular contact ball bearings)에 대해 5자유도의 하중 및 변위가 적용된 해석 모델을 개발하였다. 이를 통해 D-ACBBs의 강성 및 피로 수명에 대한 분석을 하였으며, 상용 프로그램으로 검증을 진행하였다. 다양한 하중 조건하에서 계산된 D-ACBBs의 강성 및 피로 수명에 포괄적인 연구가 수행되었고, 그 결과 D-ACBBs는 피로수명과 강성 측면에서 향상된 성능을 나타냈다. 이를 통해 제시된 모델은 D-ACBBs를 포함하는 회전체 베어링 시스템의 정적 및 동적 분석에 유용함을 보였다.

박찬일⁽¹⁹⁾은 스퍼 기어계에서 주로 사용하는 원통 롤러 베어링의 시변 강성의 특성을 해석하고 3자유도 모델을 통해 기어계의 동하중을 분석하였다. 롤러 베어링의 강성이 볼 베어링의 강성보다 크므로 첫 번째, 두 번째 고유진동수가 고주파로 이동함을 보였다. 이에 첫 번째, 두 번째 고유진동수는 베어링 강성, 세 번째 주파수는 기어 강성과 관련됨을 확인하였다.

서정화⁽²⁰⁾ 등은 볼베어링-메탈 메쉬 댐퍼 조합체로 지지되는 고속 모터의 베어링 예압에 따른 회전축의 진동 특성을 실험적으로 밝혔다. 웨이브스프링을 사용해 베어링의 예압량을 변화시켰으며, 예압량이 증가함에 따라 베어링 강성의 증가로 회전축의 위험속도가 증가함을 보였다. 실험결과를 통해 볼베어링 예압 조절을 통해 회전축-볼베어링 시스템의 위험속도 조절이 가능할 것이라 판단하였다.

고속 회전기기에 적용되는 무급유 베어링으로는 주로 가스(공기) 베어링과 마그네틱 베어링이 주로 사용된다. 그러나, 가스 베어링의 경우 낮은 하중지지능력과 감쇠력으로 인해 저속 및 외란 발생 조건에 있어 안정적이지 못한 단점이 있다. 이에 정세나⁽²¹⁾ 등은 가스포일베어링의 하우징을 마그네틱 베어링으로 적용하여 압축기 구동시험을 수행하였다. 그 결과 비동기 진동 성분이 발생할 경우 마그네틱 베어링의 전자력힘을 부가하여 포일베어링의 윤활 두께를 유지시켜 진동 안정성을 확보하였다. 이를 통해 포일-마그네틱 베어링으로 지지되는 압축기의 불안정 진동제어를 효과적으로 할 수 있음을 보였다.