Abstract
To investigate pressure distributions on the shaft surface of the air bearing, the commercial CFD software was employed to study three different nozzle geometries to improve the nozzle performance: general drill-shaped, matched cube-shaped and trimmed exit nozzles. Under the influence of stagnation point, the maximum pressure was observed at the center of shaft surface for all cases. Owing to the blocking effect of a fine gap between the shaft surface and the nozzle exit, the drill-shaped nozzle has the rapid local pressure increase near the nozzle exit corner, generating the ring vortex in the radial direction within pressure ratio of 6.92, and its pressure becomes negative in a certain range of downstream. In comparison, the contoured nozzle showed a local pressure increase in the measured range of pressure ratios, but a negative pressure appeared within the pressure ratio of about 10. The trimmed nozzle was seemed to extend the high pressure zone near the stagnation point in the radial direction substantially, and no negative pressure was appeared in the whole range. Based on these observations, it is found that trimming nozzle exit becomes more effective for improving the performance than modifying the nozzle inside contour.
공기 베어링의 성능개선을 위하여, 일반적인 급기공 형상(drill shape), 곡면 급기공 형상(matched cube shape) 및 $45^{\circ}C$ 모따기 노즐 출구부(trimmed shape)를 가지는 3가지 형태의 노즐형상에서 급기압을 변화 시켰을 때, 샤프트면 출구압력 특성을 전산유체역학 상용코드를 이용하여 분석하였다. 샤프트면 에서 압력 분포는 노즐 중심부에서 정체점 유동의 영향으로 최대압이 발생하며, 노즐 출구부와 샤프트면 사이의 압력분포는 미세 간극의 영향으로 와류가 형성되어 반경방향으로 국부적인 압력상승 현상이 발생한 후 음압영역이 발생하는 것이 관찰되었다. 또한 이러한 현상은 일반적인 형태의 노즐에서 급기압력비 6.92이상인 경우는 나타나지 않는 것으로 관찰되었다. 급기공 노즐 형상을 matched cubic 곡면으로 변화시켜 샤프트면에서 얻어진 압력 분포는 기존의 노즐과 비교한 결과 순간적인 상승압 구간이 모든 경우에 대하여 존재하였으며 급기압력비 10근처까지 음압구간이 나타나는 것으로 관찰되었다. 또한, 노즐 출구부를 모따기로 변형시켰을 때, 샤프트면에서 최대압력의 영향권이 반경방향으로 확대되었고 음압영역은 나타나지 않는 것으로 관찰되었다. 결과적으로, 급기공 내부의 형상변화보다는 노즐 출구면 외부의 변형이 성능개선에 유리한 것으로 관찰된다.
