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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 류근
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수13
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오일을 사용하지 않는 회전기기인 무급유 터보기계(Oil-free turbomachinery)는 윤활을 위한 오일 및 윤활유 공급 장치가 필요하지 않아 시스템의 경량화와 소형화가 가능하여 그 수요 및 연구개발의 필요성이 증대되고 있다. 이러한 무급유 터보기계에 가장 핵심적인 요소 중 하나는 공기를 윤활제로 이용하는 공기베어링으로, 공기베어링은 부품 간 기계적인 접촉이 없어 효율 및 내구성 확보에 유리하고 마찰이 적어 고속 회전기기에 적합한 장점을 갖고 있다. 그중에서도 외부가압 다공성 공기베어링은 외부에서 공급된 압축 공기가 베어링 표면으로부터 회전축을 완전히 부상시킴으로써 정지 상태에서도 공기막을 형성하는 공기베어링으로, 다른 종류의 외부가압 공기베어링보다 가공이 용이하며, 베어링 내부의 공기 압력분포가 비교적 일정하고 하중 지지력이 우수한 특성을 가지고 있다.
본 연구에서는 외부가압 다공성 공기베어링으로 지지되는 시스템에 대한 회전체동역학적 연구를 수행할 수 있는 외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전축-플렉시블 커플링 (flexible coupling)-볼 베어링 및 스퀴즈 필름 댐퍼(squeeze film damper) 지지 드라이브 모터 실험장치를 제안하였다. 실험장치의 설계 단계에서 수행한 회전체동역학적 특성 예측 결과, 공기베어링 지지 회전축과 드라이브 모터 회전축 모두 최대 운전속도인 10만 rpm까지 굽힘 모드가 가진 되지 않는 것으로 나타났다. 아울러, 두 회전체-베어링 시스템 모두 회전체동역학적으로 안정하며, 드라이브 모터에 적용된 스퀴즈 필름 댐퍼는 드라이브 모터 회전축이 강체 모드를 지날 때의 동기 주파수 응답을 효과적으로 억제하는 것으로 예측되었다.
제작된 실험장치의 검증을 위하여 드라이브 모터 단품 구동 실험과 모터-커플링-외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전축 시스템의 구동 실험을 하였다. 드라이브 모터 단품 구동 실험은 윤활 오일을 2 bar(g)로 공급한 상태에서 0 ? 30 krpm 까지 회전속도를 증/감속하며 수행하였다. 그 결과, 제작된 드라이브 모터는 1X 성분보다 2X 성분이 더 두드러지는 것으로 나타났다. 이는 모터축과 베어링 혹은 베어링 슬리브와 베어링 볼 사이의 정렬이 맞지 않기 때문인 것으로 추측된다. 아울러, 실험을 통해 드라이브 모터 회전체-베어링 시스템은 회전체동역학적 안정성을 갖는 것을 확인하였으며, 베어링의 온도 변화 역시 안정적임을 확인하였다.
드라이브 모터의 특성을 파악한 후, 드라이브 모터-커플링-외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전축으로 연결된 전체 시스템의 구동 실험을 하였다. 이때, 실험은 공기베어링의 공기 주입 압력을 변화시키며 수행하였다. 그 결과, 실험장치 구동 중, 특정 주파수가 발생하며 실험장치의 구동이 멈추는 현상이 발견되었다. 이 주파수 성분의 원인 분석을 위한 실험 결과, 이 주파수 성분은 외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전체-베어링 시스템에서 기인한 것으로 확인되었으며, 이 주파수는 외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전체-베어링 시스템의 1차 고유 모드와 일치하는 것으로 확인되었다.
이러한 일련의 연구 과정을 통해, 드라이브 모터로 구동되는 외부가압 다공성 공기 저널 베어링 실험장치를 제안하고 해석적, 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 제안된 실험장치는 외부가압 다공성 공기 저널 베어링의 회전체동역학적 특성 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 외부가압 다공성 공기베어링으로 지지되는 시스템에 대한 회전체동역학적 연구를 수행할 수 있는 외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전축-플렉시블 커플링 (flexible coupling)-볼 베어링 및 스퀴즈 필름 댐퍼(squeeze film damper) 지지 드라이브 모터 실험장치를 제안하였다. 실험장치의 설계 단계에서 수행한 회전체동역학적 특성 예측 결과, 공기베어링 지지 회전축과 드라이브 모터 회전축 모두 최대 운전속도인 10만 rpm까지 굽힘 모드가 가진 되지 않는 것으로 나타났다. 아울러, 두 회전체-베어링 시스템 모두 회전체동역학적으로 안정하며, 드라이브 모터에 적용된 스퀴즈 필름 댐퍼는 드라이브 모터 회전축이 강체 모드를 지날 때의 동기 주파수 응답을 효과적으로 억제하는 것으로 예측되었다.
제작된 실험장치의 검증을 위하여 드라이브 모터 단품 구동 실험과 모터-커플링-외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전축 시스템의 구동 실험을 하였다. 드라이브 모터 단품 구동 실험은 윤활 오일을 2 bar(g)로 공급한 상태에서 0 ? 30 krpm 까지 회전속도를 증/감속하며 수행하였다. 그 결과, 제작된 드라이브 모터는 1X 성분보다 2X 성분이 더 두드러지는 것으로 나타났다. 이는 모터축과 베어링 혹은 베어링 슬리브와 베어링 볼 사이의 정렬이 맞지 않기 때문인 것으로 추측된다. 아울러, 실험을 통해 드라이브 모터 회전체-베어링 시스템은 회전체동역학적 안정성을 갖는 것을 확인하였으며, 베어링의 온도 변화 역시 안정적임을 확인하였다.
드라이브 모터의 특성을 파악한 후, 드라이브 모터-커플링-외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전축으로 연결된 전체 시스템의 구동 실험을 하였다. 이때, 실험은 공기베어링의 공기 주입 압력을 변화시키며 수행하였다. 그 결과, 실험장치 구동 중, 특정 주파수가 발생하며 실험장치의 구동이 멈추는 현상이 발견되었다. 이 주파수 성분의 원인 분석을 위한 실험 결과, 이 주파수 성분은 외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전체-베어링 시스템에서 기인한 것으로 확인되었으며, 이 주파수는 외부가압 다공성 공기베어링 지지 회전체-베어링 시스템의 1차 고유 모드와 일치하는 것으로 확인되었다.
이러한 일련의 연구 과정을 통해, 드라이브 모터로 구동되는 외부가압 다공성 공기 저널 베어링 실험장치를 제안하고 해석적, 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 제안된 실험장치는 외부가압 다공성 공기 저널 베어링의 회전체동역학적 특성 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
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