Introduction

유체로 윤활 되는 저널 베어링은 회전축의 회전 시 발생하는 유체 동압이 하중을 지지하는 비접척식 베어링으로서, 구름베어링과 같은 접촉식 베어링에 비해 마찰 마모가 적어 높은 내구성을 갖는다. 저널 베어링의 한 종류인 틸팅 패드 저널 베어링(Tilting Pad Journal Bearing, TBJB)은 교차 강성이 매우 작아 고속에서 진동안정성이 뛰어나기 때문에 대형 터빈 및 압축기 등 고속운전이 필요한 회전기기에 다양하게 사용되고 있다. 이동현⁽⁹⁾ 등은 초임계 이산화탄소 발전시스템용 터빈의 회전축을 지지하는 틸팅 패드 베어링의 온도를 예측하기 위해 열윤활 해석을 수행하였고 구동 시험 결과와 비교하였다. 해석 결과, 하부 패드의 온도가 상부 패드 보다 높게 예측되었으며, 패드 표면의 최대 온도는 윤활유 공급 온도 보다 15 °C 높게 예측 되었다. 구동 시험 결과와 비교하였을 때 측정된 패드 온도는 해석결과와 5 % 내로 잘 일치함을 보여 해석결과에 대한 신뢰성을 검증하였다. 황성호⁽¹⁰⁾ 등은 초임계 이산화탄소 윤활 틸팅 패드 저널 베어링의 해석모델을 제시하고, 기존의 오일 윤활 베어링과 동특성 계수를 비교하였다. 초임계 이산화탄소로 직접 윤활을 할 경우 베어링의 낮은 동력 손실 및 누유방지 시스템의 단순화가 가능하다. 해석결과는 오일 윤활에 비해 초임계 이산화탄소 윤활은 동일한 회전속도에서 베어링의 직교강성 및 감쇠가 각각 최대 97.5 %, 98. 4 % 감소하는 것으로 예측하였다. 또한, 감소된 베어링의 강성과 감쇠는 회전체-베어링 시스템 진동특성에 중대한 영향을 주기 때문에 축계 설계 시 회전체동역학 해석이 필수적임을 보였다. 정성윤^(11)(12) 등은 정지 및 저속 구동에서 틸팅 패드 베어링의 패드의 마모 및 베어링 마찰토크 감소를 통한 에너지 효율 향상을 위하여 가압된 오일을 외부에서 주입하는 하이브리드 틸팅 패드 저널 베어링의 해석 모델을 개발하였고, 해석 결과와 기존 문헌의 실험결과와 비교하여 해석 모델을 검증하였다. 해석 결과, 하중을 받는 하부 패드의 오일 주입구인 리세스 부분에서 최대 압력이 형성됨을 예측하였다. 또한, 단위 하중에 따른 최소유막두께의 경우 하중 증가에 따라 최소유막두께가 감소함을 예측하였고, 이는 실험결과와 대체로 잘 일치함을 보였다. 이안성과 장선용⁽¹³⁾은 800 MW급 초임계 스팀터빈 트레인의 고압터빈용 틸팅 패드 저널 베어링의 특성을 preload 및 offset 영향에 대하여 해석을 수행하였다. 해석 결과, preload와 offset이 증가함에 따라 베어링의 편심률이 감소함을 보였다. 방경보⁽¹⁴⁾ 등은 베어링 내부로 공급된 윤활유가 외부로 쉽게 빠져나가지 못하게 막아주는 씰 투스(tooth)가 적용된 틸팅 패드 베어링에 대하여 씰 투스 간극이 베어링 성능에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 시험베어링으로 6 pad 의 LOP(Load on Pad) 타입의 베어링을 사용하였으며, 다양한 운전조건에서 베어링의 동력손실, 온도, 유막두께 등을 관찰하였다. 실험 결과, 씰 투스의 간극이 작을수록 동력손실과 온도는 증가하였고 유막두께는 감소함을 확인하였다. 이를 통해 적절한 실 투스의 간극 선정을 통해 효율과 신뢰성이 높은 베어링 모델 제시가 가능함을 보였다.

또 다른 비접촉식 베어링의 한 종류인 가스 포일 베어링은 오일 윤활이 필요없어 시스템의 단순화가 가능하기 때문에 소형 고속회전기기에 널리 사용되고 있다. 황성호와 김태호⁽¹⁵⁾는 이중범프를 가지며, 탑포일과 범프포일 사이에 심포일을 갖는 가스 포일 저널 베어링에 대하여 심포일의 길이 변화에 따른 베어링의 정/동적 성능을 해석적으로 예측하였다. 해석 결과, 심포일 적용이 윤활틈새에 경사면을 형성하여 심포일이 없는 경우보다 더 넓은 압력장을 형성함으로써 베어링의 하중지지능력을 향상시킬 수 있음을 보였다. 또한, 심포일의 길이 조절을 통해 베어링의 직교 강성 및 감쇠 성능의 변경이 가능함을 예측하였고, 이를 통해 심포일 적용으로 베어링의 고속구동 및 진동 제진 성능을 향상시킬 수 있음을 보였다. 문진혁과 김태호⁽¹⁶⁾는 난류를 고려한 가스 포일 저널 베어링 해석 모델을 제시하였고, 냉매 구동되는 가스 포일 저널 베어링의 특성을 층류모델과 난류모델 두 가지에 대해서 비교하였다. 난류 모델 적용 시 기존 층류 모델보다 편심률이 감소하고 유막두께가 증가함을 확인하였다. 이는 난류 모델의 하중지지능력이 증가함을 의미한다. 또한, 회전속도가 증가함에 따라 층류모델과 난류모델 사이의 해석 결과의 차이가 커짐을 확인하였다. 김동희⁽¹⁷⁾ 등은 가스 포일 베어링의 회전체동역학적 안정성 향상을 위하여 압전소자를 범프와 베어링하우징 사이에 위치시켜 실시간으로 베어링의 프리로드를 제어하는 압전소자 가스 포일 베어링을 설계 및 제작하였고, 실험을 통해 실시간 압전제어 성능 및 타당성에 대한 평가를 수행하였다. 실험을 통해 실시간 압전소자 프리로드 제어 시 위험속도, 불안정성 발생 속도에서 모두 회전체 진동의 크기가 감소함을 확인하였으며, 특히 불안정성 진동의 크기는 최대 68 % 감소함을 보였다. 이를 통해, 회전체-베어링 시스템의 회전체동역학적 안정성을 압전소자 제어를 통해 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 김태호와 문형욱⁽¹⁸⁾은 탄성구조체인 범프포일 위에 여러 장의 다엽포일이 원주 방향으로 일정 부분 겹쳐있는 형상을 갖는, 범프포일로 지지되는 다엽포일 저널 베어링의 성능을 해석적으로 예측하고 특성을 규명하였다. 해석 결과, 구동 토크는 범프 포일 베어링에 비해 작게 나타나며, 윤활틈새 및 하중의 변화에 덜 민감하게 변한다. 또한, 동일한 범프 강성을 갖는 범프 포일 베어링에 비해 직교 강성은 유사한 수준이나 직교 감쇠는 작아 외란에 대한 진동 제진 성능은 불리함을 예측하였다.

스러스트 베어링은 회전체의 축방향 하중을 지지하는 회전기 요소부품이다. 2018년도에는 주로 공기를 윤활유체로 사용하는 무급유 베어링인 포일 스러스트 베어링에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 이종성⁽¹⁹⁾ 등은 15 kW급 무급유 공기압축기에 적용되는 가스 포일 스러스트 베어링의 패드 개수, 외경 변화에 따른 베어링의 온도포화 안정성 및 하중지지능력에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 100,000 rpm 구동 조건에서 20분간 지속 구동하여 온도포화 실험 결과, 열흔 및 변형은 일어나지 않음을 확인하였다. 그러나, 패드 개수 감소 및 외경 축소 시에 베어링의 온도와 하중지지능력이 감소함을 실험적으로 확인하였다. 따라서, 베어링의 패드 및 외경을 감소시킬 경우 냉각을 위한 추가적인 대책이 필요함을 언급하였다. 이성진^(20)(21) 등은 터보압축기용 포일 스러스트 베어링의 정/동적 특성 평가를 위한 실험장치를 개발하였고, 이를 통해 정적 하중에 대한 베어링의 구조강성과 손실계수를 측정하였다. 실험 결과, 하중의 증가에 따라 베어링의 구조강성과 소산에너지는 비선형적으로 증가함을 확인하였고, 손실계수는 일정 하중까지는 하중에 따라 증가하다가 다시 감소하는 경향성을 확인하였다. 이를 통해, 베어링의 감쇠 특성을 나타내는 지표인 손실계수는 하중에 크게 영향을 받는 것을 밝혔다. 박지수와 김충현⁽²²⁾은 포일 스러스트 베어링에 대하여 장시간의 시작-정지 사이클 평가에서 베어링의 시작, 구동, 정지 토크 비교를 통해 베어링의 내구성을 실험적으로 평가하였다. 평가 결과, 25,000 사이클 동안 베어링의 시작, 구동, 정지 토크가 유사한 수준을 가짐을 확인함으로서 시험베어링에 대한 내구성을 검증하였다.

2018년도에는 접촉식 베어링인 볼베어링에 대하여 베어링의 강성 및 진동 특성에 관한 연구들이 활발히 수행되었다. 서정화⁽²³⁾ 등은 볼베어링의 예압량 변화에 따른 회전축의 진동 특성에 대해 실험적 및 해석적 연구를 수행하였다. 두 개의 깊은 홈 볼베어링으로 지지되는 회전축을 최대구동속도 100,000 rpm 에서 자유 감속하면서 2개의 와전류식 센서를 이용하여 회전축의 진동 변위를 측정하였다. 실험 및 해석 결과 모두 예압이 증가함에 따라 베어링의 강성이 증가함을 확인하였다. 이를 통해 베어링의 예압 조절을 통해 회전체-베어링 시스템의 위험속도 조절이 가능함을 보였다. 통방칸과 홍성욱⁽²⁴⁾은 기존의 각접촉 베어링으로 지지되는 회전체-베어링 시스템의 단순화 해석을 기반으로 응답 및 시간에 따른 베어링 특성을 고려한 시스템 진동 분석 기법을 제시하였다. 유한 요소 해석 기법과 Newmark-β 방법을 사용하여 베어링의 강성 행렬에 시간에 따라 변하는 베어링의 강성을 고려하였다. 또한, 제시된 해석 모델은 기존 문헌의 시험 결과와의 비교를 통해 검증하였다. 김규복과 이운주⁽²⁵⁾는 각접촉 볼베어링의 하중에 다른 변형량 계산 자동화 모듈을 개발하여 베어링의 강성 평가에 적용하였고, 개발된 모듈의 신뢰성 검증을 위해 상용프로그램의 해석 결과와 비교 하였다. 개발된 모듈은 베어링에 적용되는 하중에 따른 내부 변형량을 예측할 수 있고, 기존 상용프로그램 보다 모델링 및 하중조건변경을 반복적으로 수행해야하는 시간 소요를 줄일 수 있음을 보였다. 또한, 기존 상용프로그램 결과와의 오차율은 최대 2 % 미만으로 개발된 모듈에 대한 검증을 확인하였다. 박찬일⁽²⁶⁾은 깊은 홈 베어링과 롤러 베어링의 변형 특성 및 회전에 따라 변화하는 시변 베어링 강성을 해석하였고, 이를 스퍼 기어계의 진동해석에 적용하였다. 해석 결과, 볼베어링에 비해 강성이 더 큰 롤러 베어링의 1, 2 번 고유진동수가 상승함을 확인하였고, 3 번 고유진동수는 기어 강성과 관련됨을 확인하였다. 또한, 구름 베어링의 강성은 시간에 따라 강성이 변하는 기어의 변위에 크게 영향을 미쳤으며, 이를 통해 기어 변위 해석을 위해서는 시변 베어링 강성이 적용된 해석이 필요함을 밝혔다.

정세나⁽²⁷⁾ 등은 상대적으로 낮는 가스 포일 베어링의 하중지지능력을 보완하기 위해 저속에서는 자기베어링이 함께 작용하는 하이브리드 베어링의 하중 분배에 따른 성능을 실험적으로 평가하였다. 마그네틱 베어링의 제어 강성이 클수록 마그네틱 베어링이 하중을 단독으로 지지하게 되고, 제어 강성이 낮으면 포일 베어링의 하중 부담이 증가하는 것을 실험적으로 확인하였다. 다양한 조건의 실험을 통해 베어링의 하중 분배 최적값을 찾았고, 이를 통해 마그네틱 베어링의 제어 강성이 포일/마그네틱 베어링의 안정된 성능을 결정하는 주요 인자임을 밝혔다.