Introduction

회전기계 시스템의 구성이 복잡해지고 다양해짐에 따라 기계 시스템 운영 신뢰도 확보에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 임우철 등⁽¹⁾은 인공지능을 활용한 고장 진단기술 개발의 문제점인 데이터 불균형을 극복하기 위한 방안으로 기계의 물리적 거동을 모사하는 모델을 개발하고 고장상태의 데이터를 생성하여 인공지능 알고리즘의 학습 데이터로 활용하는 연구를 진행하였다. 물리모델을 통한 데이터 증강 기법을 적용하였으며 티모센코 빔 이론을 바탕으로 멀티 디스크 시스템에 대한 유한 요소 모델을 개발하고 변형률과 운동에너지를 바탕으로 유한요소 행렬을 계산하였다. 강해수 등⁽²⁾은 발전용 가스터빈의 상태 감시 진단을 위해 운영되고 있는 시스템의 한계점을 분석하고 한전 전력연구원에서 개발한 가스터빈의 최적 운영 지원 시스템을 연구 수행하였다. 이를 통해 네 가지의 시스템을 개발하였으며, 복합 화력발전소의 실시간 성능 저하 분석이 가능하고 성능 저하에 대한 오프라인 진단을 할 수 있게 되었다.

회전기계 상태진단 연구는 해석적 연구뿐만 아니라 실험적으로도 활발히 이루어지고 있다. 백수정 등⁽³⁾은 데이터 간의 유사도를 고려하며 시스템의 상태 정보를 이용한 지도이산화 기법을 적용하여 회전축-베어링 시스템으로부터 가속도 신호를 수집하여 이산화 기법에 따른 고장 패턴 추출률을 비교하였다. 본 연구에서 제안한 지도 이산화 기법을 적용하였을 때 고장 패턴 추출률이 높을 뿐만 아니라 계산 시간과 분할되는 구간의 수도 작음을 확인하였다. 공준상 등⁽⁴⁾은 합성곱 신경망을 사용하여 오일-휩 현상을 진단하고 오일-휩 시작단계를 진단하여 심각한 오일-휩 현상을 방지할 수 있는 모델을 학습 및 평가하였다.

회전기계의 동적 안정성 확보를 위한 성능 예측 및 설계검증과 관련된 연구가 활발히 이루어지고 있다. 전성민 등⁽⁵⁾은 우주발사체의 1단 엔진에 적용될 터보펌프에 대한 회전체 동역학 연구를 진행하였다. 해석결과로 예측된 1차 임계 속도는 무차원화된 설계 회전속도의 1.63 배로서 터빈부 굽힘 모드에 해당되며, 설계 회전속도 대비 충분한 임계속도 분리 여유를 가지고 있어 터보펌프 운용에 안전한 여유를 확보하고 있다고 확인하였다. 곽현덕 등⁽⁶⁾은 전기펌프 사이클 로켓엔진의 액체메탄 전기펌프 회전동역학 연구를 진행하였다. 펌프 정격출력은 52.4 kW이며, 정격회전속도는 54,000 rpm인 모델을 사용했으며, 회전축계의 고유진동수는 회전속도가 16,000∼72,000 rpm 사이의 영역에서 나타난다. 해석결과, 임계속도 분리여유는 충분한 것으로 확인했으며 임계속도에 의한 불안정성은 나타나지 않을 것으로예측되었다.

황성호 등⁽⁷⁾은 빔 포일(Beam foil)의 탄성 구조체를 갖는 가스 포일 베어링의 터보압축기 회전체 동역학 연구 및 베어링의 설계 변화에 따른 성능 비교 분석 연구를 진행하였다. 1, 2차 임계속도는 각각 7 krpm, 13 krpm 에 위치하며 3차 임계속도는 187 krpm에서 굽힘 모드를 확인하였다. 해석결과, 고속 터보압축기에 빔 포일 베어링 적용시 회전체동역학적 안정성에 문제없을 것으로 확인하였다. 황성호 등⁽⁸⁾은 빔 포일(Beam foil)로 지지되는 가스 포일 저널 베어링을 가지는 회전축의 동역학적 특성을 연구 진행하였다. 해석결과, 1차와 2차 임계속도는 각각 2,600 rpm, 12,000 rpm 강체 모드를 갖는 것을 확인하였으며 3차 임계속도는 175,000 rpm에서 굽힘 모드를 가지며, 정격 구동 속도 대비하여 75 %의 분리여유 마진을 가져 회전체동역학적 안정성에 큰 문제가 없음을 확인하였다. 이호원 등⁽⁹⁾은 우주발사체 상단로켓엔진의 터보펌프 모델을 이용하여 전기펌프를 개발하기 위한 연구를 진행하였다. 전기펌프의 설계와 유체윤활 베어링의 강성과 감쇠계수, 그리고 플로팅 링 실의 강성과 감쇠계수에 따른 회전체동역학 해석을 진행하였다.

해석적 연구뿐만 아니라 실험적 연구도 다수 진행되었다. 김영춘 등⁽¹⁰⁾은 로터의 축소모델 시험과 실제크기의 더미로터시험 및 270 MW급 가스터빈의 실제 로터의 진동시험 및 고속 회전시험을 진행하였다. 로터의 블레이드 조립유무를 통하여 해석의 정확성 및 위험속도를 검증하고 과속도 시험을 통해 제작 건정성 또한 검증하였다. 로터의 충분한 예압력이 적용되면 고유진동수가 수렴됨을 확인하여 해석방법이 실제 로터의 해석에 충분히 유용함을 확인하였다. 박지수 등⁽¹¹⁾은 1 MW급 대용량 유도전동기를 대상으로 축계 진동모드실험을 통해 회전체동역학 해석 모델을 수립하고 시스템 위험속도를 예측하고자 하는 연구를 진행하였다. 회전체해석 모델 수립 과정은 총 7단계로 구성되며, 1차에서 3차고유진동수 해석에서 6%이내의 해석오차를 확인하고 해석 모델 수립과정의 타당성과 유효성을 입증하였다.

리베라 길버트 등⁽³⁸⁾은 각 접촉 볼 베어링에서 스키딩 발생 시의 볼 레이스 접촉 변화에 관련한 해석적 연구를 수행하였다. 고속 작동 시에 주로 마찰력 발생 요인으로 작용하는 스키딩을 예측하기 위해 기존의 미끄럼 마찰 미분 방정식을 기본으로 한 새로운 공식을 제안하였으며, 제안한 방정식이 두 줄의 구름 라인을 식별하는데 효과적인 것을 입증하였다. 또한 제안한 공식을 통해 각 접촉 볼 베어링의 미끄럼 운동을 예측한 결과를 제시하였다.

김영찬 등⁽³⁹⁾은 깊은 홈 볼 베어링의 실(Seal) 형상 최적화에 관한 해석적 연구를 수행하였다. 기존의 상용 프로그램을 활용하여 실 형상에 따라 조립 시에 필요한 힘과 변형량 그리고 조립이 완료되었을 때 실의 형태를 해석하였다. 이를 통해 다양한 조건이 고려되었을 때, 실의 형상을 최적화하는 연구를 수행하였다.

곽재섭 등⁽⁴⁰⁾은 볼 베어링의 축 하중 변화에 대해 전동체기반 및 응력 기반 접촉 피로수명을 비교하는 연구를 수행하였다. 전동체 기반 볼베어링 수명 예측 모델은 전동체 하중만을 구하여 L-P이론에 적용하여 실험적 모델에 가깝게 구성하였으며, 응력기반 모델은 재료의 피로물성치를 적용하여 해석적으로 전동체 하중 및 표면 아래 응력해석을 진행하였다. 두 해석 모델 모두 볼 베어링의 반경방향 하중에 대해 볼과 내륜간의 접촉압력이 외륜에 비해 높아 피로수명이 낮아짐을 확인하였다.

서충완 등⁽⁴¹⁾은 크로스 롤러 베어링의 축방향 강성에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 외륜이 고정되어 있는 크로스 롤러 베어링에 축 방향 하중을 인가하고 이때 베어링 내륜의 처짐을 측정하기 위한 실험 장치를 설계하고 제작하였다. 내륜의 변형과 외륜의 변형을 각각 측정하였으며, 두 변형의 차이를 통해 얻어지는 상대 변위를 이용하여 베어링의 축 방향 강성을 계산하였다. 또한 실험 결과를 예측 결과와 비교하여 검증하였다.

통반칸 등⁽⁴²⁾은 테이퍼 롤러 베어링으로 지지되는 스핀들에서 베어링의 위치가 미치는 영향과 관련하여 해석적인 연구를 수행하였다. 베어링의 위치에 따라 스핀들의 피로 수명, 고유 진동수, 그리고 정적 강성이 어떻게 다른지 비교하였다. 해석 결과 베어링의 위치에 따른 피로 수명과 정적 강성의 영향은 매우 유사한 경향성을 보였다. 반면, 고유 진동수는 피로 수명 및 강성과 다른 경향을 보였다. 이에 따라 스핀들의 피로 수명, 강성, 고유 진동수의 목표에 따라 베어링 시스템의 설계가 이루어져야 함을 보였다.

와이어 메쉬 댐퍼는 극한 환경 속에서도 소재 특성을 바탕으로 우수한 감쇠 특성을 보존할 수 있으며, 히스테리시스 감쇠를 가지기 때문에 별도의 부가적인 감쇠 시스템이 필요 없는 장점을 가지고 있다. 신세기와 류근⁽⁴⁶⁾은 최근 진행되고 있는 고속 회전기계에 적용되는 와이어 메쉬 댐퍼의 연구 동향에 대한 연구를 수행하였다. 와이어 메쉬 댐퍼를 활용하여 극저온 환경, 작동 조건, 베어링 적용에 따른 실험적 연구들에 대하여 정리하였다. 또한, 신세기와 류근⁽⁴⁷⁾은 극저온 터보기계에 적용하기 위한 와이어 메쉬 땜퍼의 동적 계수를 실험적으로 규명하기 위한 실험장치를 설계하였다.와이어 메쉬 댐퍼의 동적 계수와 에너지 소산 특성을 나타내는 손실 및 마찰 계수를 측정하기 위한 실험장치 설계와 실험방법에 대해 소개하였다. 실험용 와이어 메쉬 댐퍼는 밀도 30%, 40%, 50 %를 가진 구리 소재를 사용하였고, 작동유체는 극저온 유체인 액체질소를 통해 와이어 메쉬 댐퍼의 성능 평가 및 예측을 할 수 있도록 설계하였다.

페이스 실은 회전 기계의 누수를 방지하기 위한 요소 부품 중 하나로, 로터와 스테이터 사이의 형성된 유막의 압력으로 기밀을 유지하는 축 밀봉 장치이다. 최승호 등⁽⁴⁸⁾은 페이스 실의 마찰, 누설, 동특성 향상에 관한 해석적 연구와 실험적 연구에 대한 분석을 진행하였다. 배준환 등⁽⁴⁹⁾은 한국형 발사체(KSLV-Ⅱ)에 사용되는 75톤급 개량형 미케니컬 페이스 실의 누수 및 내구 성능을 실험을 통해 검증하였다. 개량형 미케니컬 페이스 실은 기존 설계안에 비해 연료-카본 접촉 면적 및 카본 노즈 높이가 감소하였으며 카본 접촉면에서의 누설 저감을 위해 벨로우즈 강성이 증가되었다. 개량형 미케니컬 페이스 실의 누수 성능을 검증하기 위해 정적 및 동적 누설 성능 시험이 진행되었으며, 정적 누설량은 1.2 g/min 으로 기존 대비 80% 이상 감소하였고, 동적 누설량은 0.2 g/min 으로 90% 이상 감소하여 누설 성능이 크게 향상되었다. 내구 성능 시험 평가에서는 일정한 회전 속도와 차압 조건에서 시험을 수행한 후 카본의 마모량 및 파손 여부를 관찰하여 실험의 내구성을 확인하였다. 1,500초의 내구 성능 시험에서 개량형 미케니컬 페이스 실의 카본 누적 마모량은 164 μm, 평균 마모율은 0.1094 μm/s으로 나타났다.

래버린스 실은 회전기계의 누설 방지를 위해 사용되는 요소부품으로, 저렴한 가격, 간단한 구조, 우수한 내구성능을 갖추어 자주 사용된다. 래버린스 실은 회전부와 비회전부의 이(tooth)를 통해 형성되는 간극과 공동(cavity)를 통해 기밀을 유지한다. 이에 많은 연구자들이 래버린스 실의 누설 성능을 향상시키기 위해 간극 내부 유동 해석, 간극 형상에따른 유동특성 해석 등 많은 연구들이 진행되고 있다. 문형욱 등⁽⁵⁰⁾은 래버린스 실이 적용된 임펠러에 의해 발생하는 추력을 예측하기 위해 임펠러 후면과 래버린스 실의 압력 분포 및 누설 유량에 대한 동시해 해석 모델을 개발하였다. 동시해 해석 모델을 통한 임펠러 후면의 압력강화와 래버린스 실의 공동 압력 해석 결과를 CFD 해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 개발된 동시해 해석 모델을 이용하여 임펠러의 회전속도, 래버린스 실의 클리어런스, 이(tooth)의 개수, 임펠러 케이싱 사이의 간극의 변화와 임펠러에서 발생하는 추력과 누설 유량에 미치는 영향을 확인하였다.

하윤석 등⁽⁵¹⁾는 CFD를 활용하여 소규모 수차의 실링 유닛 형상에 따른 누설 및 동적 특성에 대한 해석을 진행하였다. 해석은 DN 15만 수차 모델을 기반으로 진행하였으며 래버린스 실 높이와 간극 간의 비율 H/c = 150 이상인 경우 누설 유량이 증가하는 것을 보였다. 이는 H/c가 클수록 래버린스 실링 유닛 안의 Vortex가 감소하여 누설 유량의 에너지 손실 증가하기 때문이다. 이를 통해 적합한 실링 유닛설계를 통해 효과적으로 누설 유량을 줄일 수 있음을 확인하였다.

박준혁 등⁽⁵²⁾은 터보압축기 임펠러 후면에 반경방향으로 설치한 스러스트 래버린스 실이 임펠러 추력에 미치는 영향에 대한 해석을 진행하였다. 해석이 진행된 스러스트 래버린스 실은 일정한 간격으로 6개의 이(tooth)를 포함하며 100 krpm으로 회전한다. 이를 통해 회전부와 비회전부 사이 간극에서의 모터 내부와 압축기 토출부와의 차압으로 인해 누설 유량을 감소시켜 압축기에 작용하는 추력을 줄일 수 있음을 확인하였다. 허민석 등⁽⁵³⁾은 가스터빈 블레이드 팁에서의 계단형 래버린스 실의 간극 변화에 따른 누설 특성 변화를 CFD 해석을 통해 진행하였다. 해설 결과, 간극의 크기가 증가함에 따라 유량함수가 지속적으로 감소하지만, 일정 간극 크기 이상으로 증가할 경우 오히려 유량함수가 증가하는 경향을 보였다. 이를 통해 이와 이 사이의 공동 면적 대비 간극의 크기가 중요한 요인인 것을 확인하였다. 백승일 등⁽⁵⁴⁾은 직선형 래버린스 실의 간극, 공동 폭, 이 상류각, 이 높이, 이 개수, 로터 반지름 등 설계 변수들의 변화가 누설유량과 토출 계수에 미치는 영향에 대해 RANS 전산유체역학 해석을 진행하였다. 이를 통해 간극을 작게 하고 이 개수를 증가시키며 로터 반지름을 작게 하면 누설유량과 토출계수가 감소하였다. 또한 이 상류각과 공동 폭을 증가시켜도 토출계수는 감소하지만 한계가 있다는 점을 보였다. 손대오 등⁽⁵⁵⁾은 CFX를 통해 Rub-groove 마모형상에 따른 누설량과 동특성을 분석하였다. Rub-groove는 비회전자에 있는 래버린스 실에 의해 회전자가 마모되는 것으로, 연구 결과, 동특성계수는 홈이 깊어질수록 낮아지지만 특정 깊이를 지나면 다시 높아지는 경향을 확인하였고 누설량의 경우 홈이 깊어질수록 줄어드는 경향을 확인하였다. 이를 통해 최적화 된 Rub-groove의 경우 기밀 효과를 얻을 수 있는 것으로 예측하였다.

래버린스 실은 간극이 좁을수록 누설 성능이 개선되지만, 간극이 너무 좁은 경우 회전부와 비회전부의 마찰이 발생하여 내구성능에 악영향을 끼칠 수 있다. 이에 간극에서 발생하는 마찰로 인한 성능 저하를 방지하지위해 허니컴 래버린스 실이 사용된다. 조시영 등⁽⁵⁶⁾은 CFD를 통해 허니컴 직경과 간극의 크기 및 이빨의 개수의 변화에 따른 계단형 허니컴 래버린스 실의 누설 특성 변화에 대해 수치해석을 진행하였다. SST(shear stress transport)난류모델을 적용해경계조건으로는 출구의 전압력(total pressure)을 대기와 같은 1기압으로 설정하였고, 출구 조건에 따른 압력비(pressure ratio)를 1.1∼3.0으로 설정하여 입구조건의 전압력 조건을 설정하였다. 해석 결과를 솔리드 래버린스 실과의 성능 비교를 진행하였다. 일반적으로 허니컴 래버린스 실은 솔리드 래버린스 실보다 누설 성능이 저하된다. 하지만 허니컴 직경이 작고 간극 크기가 넓으면 이빨의 개수가 늘어날 경우 솔리드 래버린스 실과 비슷한 누설 성능이 나타나는 것을 확인하였다.

이정인 등⁽⁵⁷⁾은 스월 브레이크가 설치된 래버린스 실의 누설량과 입구 유속에 대해 하이브리드 방법으로 해석을 시도하였다. 하이브리드 방법은 CFD 해석 결과를 Bulk-Flow 방법의 입구 조건으로 사용하는 해석방법으로 하이브리드방법 해석 결과와 Bulk-Flow 해석 결과, CFD 해석 결과와의 비교를 진행하였다. 하이브리드 방법은 원주 방향 유속 해석 결과에서 CFD 해석과 비슷하게 나타났고 누설량 해석결과는 Bulk-flow 해석과 동일하게 나타났다. Sanjar Mamatov 등⁽⁵⁸⁾은 래버린스 실과 플레인 실의 간극과 축 직경에 따른 누설 성능에 대한 CFD 해석과 열역학적 분석을 진행하였다. 해석결과는 간극과 축 직경 치수가 증가할수록 플레인 실 보다 래버린스 실에서 더 나은 누설 성능을 보였고, 배수 온도는 래버린스 실이 플레인 실 보다 약 17% 정도 더 높음을 보였다.

이수인 등⁽⁵⁹⁾은 허니콤 랜드 실의 다양한 형상 변수에 따라 기밀 성능에 미치는 영향에 대한 실험을 진행한 후 솔리드 래버린스 실의 실험 결과와 비교하였다. 실의 형상 변수는 실 종류(직선, 계단), 이 개수, 간극, 셀 직경이며 이 두께, 이 앞 각도, 셀 높이, 셀 벽두께는 고정하였다. 입⋅출구 압력비는 1.1에서 3.0까지 조정하며 실험을 진행하였다. 실험 결과, 설정한 실 형상 변수가 허니콤 랜드 기밀 성능에 미치는 영향이 솔리드 랜드에는 다르게 나타나 더 정확한 예측을 위하여 추가적인 형상 변수에 대한 실험적, 해석적 데이터의 확보가 필요하다.

이경호와 하태웅⁽⁶⁰⁾은 CFD 분석을 통해 하이브리드 브러쉬 실 위치와 간극에 따른 회전체동역학적 특성에 대한 연구를 수행하였다. 하이브리드 브러쉬 실은 브러쉬 실의 위치에 따라 SSB(두 개의 래버린스 이와 후면에 위치한 하나의 브러쉬 실)와 BSS(두 개의 래버린스 이와 전면에 위치한 하나의 브러쉬 실) 타입으로 나뉘며, 두 가지 타입에 대한 회전체동역학적 특성을 비교하였다. 해석 결과 WFR(Whirl Frequency Ratio)의 경우 SSB 타입이 BSS 타입보다 작게 나타났으며 회전체 시스템에서 더 안정하다는 것을 보였다. 두 타입 모두 누설량은 간극이 작을수록 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 하이브리드 브러쉬 실의 해석결과를 바탕으로 스팀 및 가스 터빈에 장착되는 실의 설계에 응용할 수 있다고 제시하였다.

김영찬과 김정식⁽⁶¹⁾은 MSC.MARC 해석프로그램을 통해 실 형상에 따라 장착 전과 후의 힘과 변형량에 대한 연구를 수행하였다. Wu 등⁽⁶²⁾은 새로운 나선형 그루브 표면을 가진 실에 대해 소개하였다. CFD 해석을 통해 매끈한 그루브 표면을 가진 실과 유동 특성을 비교하였다. 해석 결과, 나선형 그루브 표면을 가진 실은 압력장을 형성하였고, 강성 및 누설 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 이를 통해, 실 표면에 나선형 그루브를 형성함으로서 동압 특성을 향상 시킬 수 있고, 마찰 및 마모를 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 우성준 등⁽⁶³⁾은 CFD를 통해 헬리컬 그루브(Helical Groove) 펌프 실의 누설 특성에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 해석결과, 고정자와 회전자 양쪽 모두 헬리컬 그루브가 형성되었을 때 누설 특성이 향상되는 것을 파악하였다. 그루브 두께와 깊이가 작을수록 유체 순환이 원활이 이루어지지 않고, 증가할수록 유체와 접촉하는 면적이 커지게 되므로 누설량이 증가하는 것을 확인하였다. 따라서, CFD 분석을 바탕으로 향상된 모델을 소개하였고, 누설량은 1.113 kg/s에서 0.518 kg/s로 감소시켰다.

박준혁 등⁽⁶⁴⁾은 정적 실의 간극 및 압력비에 따른 누설량과 실 하단의 압력분포에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 작동유체인 공기를 통해 실 패드와 베이스 플레이트 사이의 간극과 압력 분포를 측정하였다. 실험 결과, 패드와 플레이트의 간극은 10 μm - 50 μm까지 변동하였고 간극과 압력비가 작을수록 누설 성능이 향상되는 것을 파악하였다. 또한 압력비가 작을수록 실 패드 선단에서 발생하는 압력강하가 감소하는 것을 보였다. 강경대⁽⁶⁵⁾는 편심율 변화에 따른 Piston-ring과 Side-plate 실의 감쇠 특성에 대한 연구를 수행하였다. 간극은 0.1 mm, 편심율 0∼0.7을 갖고 있는 실을 사용하여 시험 장치를 통해 추정한 감쇠계수와 이론적으로 예측한 값을 비교하였다. 실험결과, 일정 편심율 영역 이상에서는 예측된 값과 다름을 보였다.

배준환 등⁽⁶⁶⁾은 수정된 후방 플로팅 실을 적용한 7톤급 터보펌프 산화제 펌프의 진동 및 압력 측정에 대한 연구를 수행하였다. 노즈의 직경만 다른 두 개의 플로팅 링에 대해 터보펌프 실매질 성능 시험을 수행하였다. Brass 재질의 플로팅 링 실과 작동유체는 액체산소를 사용하였다. 압력 섭동과 정압 신호를 계측하여 주파수 분석을 통해 플로팅 링 노즈의 위치와 관계없이 회전수 성분과 관련된 특이 주파수 성분들이 관측되었음을 보였다. 노즈 직경이 작은 플로팅 링은 외력에 따른 이동성이 높아, 안정된 자세 제어가 어려워 강한 압력 섭동이 발생할 수 있다. 그리고 노즈 접촉면에서 마찰 흔적이 발생한 것을 확인하였다. 따라서 노즈 위치에 따른 접촉압과 마찰력이 플로팅 링의 거동 안정성에 큰 영향을 끼치는 것을 파악하였다.