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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김태호
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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가스 포일 베어링(Gas Foil Bearing)은 고온, 고속 환경에서 사용이 가능하여 차세대 베어링으로 큰 관심을 받고 있다. 가스 포일 베어링은 반경 방향 하중을 지지하는 가스 포일 저널 베어링과 축 방향 하중을 지지하는 가스 포일 스러스트 베어링으로 구분된다. 전 세계적으로 가스 포일 저널 베어링에 관한 연구는 활발하게 이루어져 왔고 상대적으로 가스 포일 스러스트 베어링에 관한 연구는 부족했지만, 최근 터보기기의 고속, 고용량화로 축방향 하중이 증가하며 가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지력에 대한 해석적 실험적 연구가 진행되고 있다.
고 출력 밀도를 갖는 마이크로 터보 기계에서 가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지력 향상에 관한 연구는 매우 중요하다. 가스 포일 스러스트 베어링은 별도의 오일 윤활 시스템 없이 저 마찰 구동이 가능하다는 장점이 있으나 상대적으로 낮은 하중지지력 특성을 갖는다. 따라서 논문에서는 하중지지력을 향상시키기 위해 해석을 통한 베어링의 최적화 설계를 제안하고 실험 결과와 비교하여 검증하고자 한다.
해석 모델은 8개의 패드를 갖는 가스 포일 스러스트 베어링으로 각각의 패드는 탄성 구조를 갖는 범프 포일과 그 위의 편평한 탑 포일로 구성되어 있으며 등온, 등점성의 이상기체를 가정하여 레이놀즈 방정식을 유한차분법을 이용하여 풀어내었다. 또한, 포일의 구조적 변형을 계산하기 위해 반경방향으로 평균화된 압력을 이용하였다. 해석 결과는 회전 속도가 증가할수록, 최소 유막 두께가 감소할수록 가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지력이 증가한다는 것을 예측하며, 예측 결과가 수학적 모델에 유도된 무한한 회전 속도에서의 하중지지력 범위 내에 존재함을 보여준다. 또한 하중지지력을 향상시키기 위한 포일 경사 범위와 포일 경사높이 최적화 설계가 가능함을 예측하고 이를 실험 결과와 비교 및 검증하여 잘 일치하는 결과를 확인하였다. 발생 토크는 회전 속도 증가나 최소 유막 두께 감소에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 보이지만 포일 경사높이 증가에 따라서 비선형적으로 감소하며 특히 포일 경사높이가 최대 하중 지지력을 갖는 임계점보다 작을 경우에는 크게 감소하는 경향을 보여 하중지지력과 구동 토크를 모두 고려한 베어링의 최적화 설계의 중요성을 확인하였다.
고 출력 밀도를 갖는 마이크로 터보 기계에서 가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지력 향상에 관한 연구는 매우 중요하다. 가스 포일 스러스트 베어링은 별도의 오일 윤활 시스템 없이 저 마찰 구동이 가능하다는 장점이 있으나 상대적으로 낮은 하중지지력 특성을 갖는다. 따라서 논문에서는 하중지지력을 향상시키기 위해 해석을 통한 베어링의 최적화 설계를 제안하고 실험 결과와 비교하여 검증하고자 한다.
해석 모델은 8개의 패드를 갖는 가스 포일 스러스트 베어링으로 각각의 패드는 탄성 구조를 갖는 범프 포일과 그 위의 편평한 탑 포일로 구성되어 있으며 등온, 등점성의 이상기체를 가정하여 레이놀즈 방정식을 유한차분법을 이용하여 풀어내었다. 또한, 포일의 구조적 변형을 계산하기 위해 반경방향으로 평균화된 압력을 이용하였다. 해석 결과는 회전 속도가 증가할수록, 최소 유막 두께가 감소할수록 가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지력이 증가한다는 것을 예측하며, 예측 결과가 수학적 모델에 유도된 무한한 회전 속도에서의 하중지지력 범위 내에 존재함을 보여준다. 또한 하중지지력을 향상시키기 위한 포일 경사 범위와 포일 경사높이 최적화 설계가 가능함을 예측하고 이를 실험 결과와 비교 및 검증하여 잘 일치하는 결과를 확인하였다. 발생 토크는 회전 속도 증가나 최소 유막 두께 감소에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 보이지만 포일 경사높이 증가에 따라서 비선형적으로 감소하며 특히 포일 경사높이가 최대 하중 지지력을 갖는 임계점보다 작을 경우에는 크게 감소하는 경향을 보여 하중지지력과 구동 토크를 모두 고려한 베어링의 최적화 설계의 중요성을 확인하였다.
목차
제 1장 서론1.1 연구 배경1.2 연구 목적제 2장 가스 포일 스러스트 베어링 해석 이론2.1 가스 포일 스러스트 베어링 모델 소개2.2 가스 포일 스러스트 베어링 윤활 방정식2.3 가스 포일 스러스트 베어링 한계 회전 속도 해석 방법제 3장 가스 포일 스러스트 베어링 해석 결과3.1 회전 속도와 최소 유막 두께에 따른 하중지지력 비교3.2 포일 경사높이 최적화 설계에 따른 하중지지력 비교3.3 가스 포일 스러스트 베어링의 해석과 실험 비교3.4 가스 포일 스러스트 베어링과 강체 베어링의 비교3.5 포일 경사높이 최적화 설계에 따른 토크 비교제 4장 가스 포일 스러스트 베어링 하중지지능력 측정 실험4.1 실험장치의 설계 및 제작4.2 실험장치의 원리4.3 실험 결과 및 분석제 5장 결 론
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