Experimental Study on the Load Carrying Performance and Driving Torque of Gas Foil Thrust Bearings

가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지 성능 및 구동 토크에 관한 실험적 연구

Abstract

Gas foil thrust bearings (GFTBs) have attractive advantages over rolling element bearings and oil film thrust bearings, such as oil-free operation, high speed stability, and high-temperature operation. However, GFTBs have lower load carrying capacity than the other two types of bearings owing to the inherent low gas viscosity. The load carrying capacity of GFTBs depends mainly on the compliance of the foil structure and the formed hydrodynamic wedge, where the gas pressure field is generated between the top foil and the thrust runner. The load carrying capacity of the GFTBs is very important for the suitable design of oil-free turbomachinery with high performance. The aim of the present study is to identify the characteristics of the load carrying performance of GFTBs. A new test rig for the experimental measurements is designed to provide static loads up to 800 N using a pneumatic cylinder. The maximum operating speed of the driving motor is 30,000 rpm. A series of experimental tests—lift-off test, static load performance test, and maximum load capacity test—estimate the performance of a six-pad GFTB, in terms of the static load, driving torque, and temperature. The maximum load capacity is determined by increasing the static load until the driving torque rises suddenly with a sharp peak. The test results show that the torque and temperature increase linearly with the static load. The estimated maximum load capacity per unit area is approximately 80.5 kPa at a rotor speed of 25,000 rpm. The test results can be used as a design guideline for GFTBs for realizing oil-free turbomachinery.

1. 서 론

가스 포일 베어링은 가스 또는 공기를 윤활 유체로 사용하는 베어링으로서, 높은 고속 안정성, 낮은 운전 마찰 손실, 별도의 오일 급유 시스템의 불필요성 등의 장점으로 인해 다양한 소형 고속 회전기기에 적용이 가능하다. 하지만, 구름 요소 및 오일 윤활 베어링에 비하여 상대적으로 낮은 하중지지력으로 인해 고속 회전 기기에의 적용을 위해서는 성능 해석과 더불어 실험적인 성능 검증이 필수적이다.

Iodanoff는 가스 포일 스러스트 베어링의 최대 하중지지력을 위한 최적 압력 프로파일을 제안하였고 단순한 선형 모델을 이용해 하중에 따른 강성을 예측한 후 고하중에서 실험 데이터와 비교하여 잘 일치함을 보였다[1, 2]. Heshmat 등은 8 패드 가스 포일 스러스트 베어링에 대하여 포일 구조체에 대한 유한 요소 모델과 가스 유막에 대한 유한 차분 모델을 복합적으로 해석하여 회전 속도에 따른 베어링의 하중지지력을 예측하고 실험과 비교하였다[3]. Hryniewicz 등은 두 개의 포일 저널 베어링과 한 개의 마그네틱 베어링을 이용하여 최대 82,000 rpm의 회전속도와 540 °C의 온도까지 실험 가능한 장치를 설계하였고 실험을 통하여 성능을 증명하였다. 또한, 외경 97 mm, 내경 47 mm를 가지는 가스 포일 스러스트 베어링에 대하여 80,000 rpm의 회전 속도에서 1290 N의 하중지지력을 가지는 것을 보였다[4]. Jung 등은 이론적으로 무한의 회전 속도에서 가스 포일 스러스트 베어링의 최대 하중지지 능력을 해석하였다. 압축성 계수가 큰 무한대의 회전 속도에서 베어링의 하중지지력은 베어링의 입구 유막 두께가 증가함에 따라 증가하고 경사 비율과 포일의 컴플라이언스(compliance)가 증가함에 따라 감소하는 것을 보였다[5]. Kim 등은 외경 110 mm 및 내경 60 mm를 갖는 가스 포일 스러스트 베어링에 대하여 최대 하중지지력 실험을 수행하였으며, 실험결과를 분석하여 공기 유막 두께가 9 µm에서 147 N의 최대 하중지지력을 가지는 것을 보였다. 또한, 해석을 통하여 베어링 외경 끝에 가까운 범프의 강성을 줄이면 유막 두께의 편차가 줄어들어 최대 하중지지력을 향상 시킬 수 있음을 예측하였다[6]. Lee 등은 서로 다른 외경을 가진 세 가지의 가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지력을 측정하여 베어링 외경이 클수록 하중지지력이 크게 향상됨을 보였다. 또한 동일한 베어링에 대하여 회전속도가 증가할수록 하중지지력이 증가함을 보였다. 그리고 하중에 따른 베어링의 변형량을 분석하여 구조 강성 계수를 예측하였고 해석한 결과와 비교 및 검증하였다[7]. Kim 등은 무급유 터보 블로워에 적용되는 가스 포일 스러스트 베어링에 대하여 실험과 해석을 통하여 회전축-베어링 시스템의 특성을 파악하였다. 구동 실험을 통하여 베어링의 외경을 148 mm에서 168 mm로 하중 작용면적을 증가시켜 비동기(sub synchronous) 진동성분의 크기를 크게 낮추었다. 그리고 해석을 통하여 베어링이 틸팅되었을 때가 그렇지 않을 때에 비하여 하중지지력이 뚜렷이 감소함을 예측하였다[8]. San Andrès 등은 무급유 터보차저용 가스 포일 스러스트 베어링의 정특성과 동특성을 예측하기 위해 가스 유막 유동과 탑 포일, 범프 유한요소 모델을 제안하고 하중과 회전 속도에 따른 토크를 실험 데이터와 비교하여 해석 모델을 검증하였다. 또한 베어링의 하중, 회전속도와 온도에 따른 강성 및 감쇠 계수와 마찰계수를 예측하였으며, 재료의 물성치와 형상, 축과 탑 포일의 표면 조도, 열 등이 가스 포일 스러스트 베어링의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있음을 주장하였다[9]. Kim 등은 가스 포일 스러스트 베어링 해석을 통하여 포일 경사높이가 감소할수록 하중지지력과 토크는 증가하다가 특정 포일 경사 높이에서 하중지지력이 최대값을 가진 뒤 급격히 감소하고 토크는 급격히 증가하는 것을 보였다. 또한, 포일 경사 높이의 최적화를 통해 하중지지력과 토크 등 베어링의 성능을 향상 시킬 수 있음을 보였다[10].

본 논문에서는 가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지 성능을 실험적으로 평가하기 위해 공압을 이용하여 정하중을 부과하는 정특성 실험 장치를 개발하였으며, 실험 베어링의 최대 하중지지력 및 토크와 온도를 측정하고 결과를 고찰하였다.

 

2. 가스 포일 스러스트 베어링

Fig. 1은 6패드 가스 포일 스러스트 베어링(six-pad GFTB)의 개략도를 보여준다. 각 패드는 약 60도의 원주각을 가지며 탄성체인 범프 포일(bump foil)과 탑 포일(top foil)로 구성된다. 범프 포일과 탑 포일은 모두 한쪽 끝은 용접을 통해 고정되고 다른 끝은 구속되지 않는다. Fig. 2는 GFTB의 단일 패드에 대한 개략도를 보여준다. 스러스트 베어링의 탑 포일은 패드 선단에서 경사를 가지며 이후 패드 후단까지 경사가 없는 평평한 구조를 가진다. 이러한 구조는 베어링과 회전하는 스러스트 러너(thrust runner) 사이에 유체 동압(hydrodynamic pressure)을 갖는 공기 유막을 형성하며, 구조 강성(structural stiffness) 및 구조 감쇠(structural damping)를 갖는 탄성 포일과 상호 작용을 통해 하중지지력을 발생시킨다.

Fig. 1.Schematic view of six-pad GFTB.

Fig. 2.Schematic view of bump foil and top foil of GFTB.

Table 1은 실험에 사용된 가스 포일 스러스트 베어링을 구성하는 탄성 포일 구조체의 주요 사양을 보여준다. 포일의 두께는 약 0.150 mm로 재질은 고온 내열성을 갖는 Inconel X750이다. 포일이 형성하는 베어링의 총 단면적은 약 3,517 mm2이다.

Table 1.Geometrical and material properties of GFTB foil structure

 

3. 실험 장치 구성

Fig. 3은 가스 포일 스러스트 베어링의 정하중 특성 측정 실험장치의 사진을 보여준다. 오른쪽에 보여지는 두 개의 압축공기 조절장치는 각각 모터 내부의 공기 정화를 위하여, 그리고 시험 베어링에 하중을 부가하기 위하여 적정한 압축공기를 공급하는데 사용된다.

Fig. 3.Photo of GFTB static load performance test rig.

Fig. 4는 실험장치의 개념도를 보여준다. 실험 장치는 스러스트 러너가 한쪽 끝에 설치된 스핀들 모터로 이루어진 모터부(motor section)와, 시험 스러스트 베어링이 연결된 하중작용부(loading section)로 구성된다. 스핀들 모터의 회전축은 앵귤러 콘택트 볼 베어링(angular contact ball bearing)으로 지지되어 모터에 가해지는 축 방향 하중지지가 가능하며 최대 속도는 30,000 rpm 이다. 하중작용부는 공압실린더에 의해 시험 스러스트 베어링에 하중을 작용한다. 공압 실린더는 표면에 복열의 라비린스 씰(labyrinth seal)을 갖는 내측 실린더와 중공축 형태로 내측 실린더를 감싸고 있는 외측 실린더(cylinder)의 조합으로 구성된다. 내측 실린더를 통해 외부에서 압축공기가 주입되면 씰을 통한 누설 발생과 함께 축방향으로 하중을 발생시킨다. 시험 베어링과 공압실린더 사이에 위치한 센터축에는 축방향 힘센서(load cell)가 설치되어 베어링에 부과되는 힘을 측정한다. 또한, 실험장치 베이스(base)에 설치된 힘센서는 센터축에 고정된 토크암(torque arm)과 연결되어 베어링의 구동 토크를 측정한다. 시험 베어링과 공압실린더를 연결하는 센터축은 슬라이드 베어링(slide bearing)으로 지지하여 기계적 마찰을 최소화하였다.

Fig. 4.Schematic views of GFTB test rig and axial loading mechanism.

Fig. 5는 공압실린더 및 압축공기 공급용량 설계를 위한, 라비린스 씰 간극(seal clearance) 증가 시의 압력에 따른 누설량 해석 결과를 보여준다. 압력이 증가 할수록, 씰 간극이 감소할수록 공기 누설량이 감소함을 보여준다. 본 연구에는 간극을 100 µm로 선정하여 공압실린더를 제작하였다.

Fig. 5.Pressure vs. leaked air per minute for increasing labyrinth seal clearances.

Fig. 6은 구동 시 온도 변화를 고찰하기 위해 시험 베어링에 부착한 온도센서(thermocouple, K-type)의 위치를 보여준다. 약 120도 간격으로 위치한 총 3개의 온도센서를 포일의 외경 바깥 부분의 백플레이트에 절연테이프로 고정함으로써 탑 포일의 온도를 근사적으로 측정할 수 있다.

Fig. 6.Photo of test GFTB with three thermocouples.

 

4. 하중지지 성능 실험

4-1. 부상 실험

하중지지 능력 실험에 앞서 시험 베어링에 낮은 하중을 가한 후 25,000 rpm까지의 회전축 부상(lift-off) 시험을 수행하였다. 실험은 측정의 정확도를 높이기 위하여 모터 구동 전에 먼저 0.03 N·m의 토크 예압(torque preload)을 가한 상태에서 15 N까지 축방향 정하중 예압(axial preload)을 부가한 후 회전속도를 25,000 rpm까지 증가시켰다가 정지시키는 순서로 진행하였다.

Fig. 7(a)와 (b)는 각각 시간 경과에 따른 하중과 토크 변화를 보여준다. 부가된 하중은 단위면적 당 하중(load per unit area)으로 나타내었다. 모터가 구동하여 회전속도가 증가하기 전까지 예압에 의한 하중의 증가량은 약 4 kPa이며 모터가 구동을 시작하여 스러스트러너가 베어링에서 부상한 후 회전속도가 25,000 rpm까지 증가함에 따라 하중은 약 5.2 kpa까지 증가하였다. 이는 윤활막 형성에 따른 스러스트 베어링의 축방향 이동이 공압실린더 내의 압력 상승을 유발하였기 때문으로 사료된다. 모터 구동 전 정하중 예압에 의한 하중의 증가는 최대 약 0.11 N-m까지의 구동 토크의 증가를 유발하였다. 이는 예압에 의하여 스러스트 러너가 포일을 변형시키며 원주방향의 마찰력이 발생하였기 때문이다. 이후 모터가 구동하여 회전속도가 25,000 rpm에 도달하는 동안 토크는 약 0.3 N-m까지의 급격한 상승(start-up torque)을 보인 후 공기 동압에 의한 윤활막이 형성된 후에는 다시 약 0.05 N-m로 감소함을 보인다. 따라서, 이 값에서 약 0.03 N-m의 토크 예압을 제거하여 순수한 토크 증가량을 고려한다면 시험 베어링은 약 0.02 N-m 의 작은 구동 토크를 가짐을 알 수 있다. 모터를 감속하여 스러스트 러너를 정지시키는 동안 측정된 하중 및 토크의 변화는 부상 시와 거의 동일한 경향을 갖는다. 정지 토크(touch-down torque)는 약 0.3 N-m로 부상 토크와 크기가 거의 같다.

Fig. 7.Lift-off test data recorded during rotor speed-up test to 25 krpm. (a) load vs. time, and (b) torque vs. time.

Fig. 8은 속도에 따른 구동 토크 측정 결과를 보여준다. 처음 예압이 없는 무부하 상태에서의 레퍼런스 토크는 약 0.03 N-m이며, 예압을 가함에 따라 토크가 약 0.1 N-m로 증가한다. 모터가 구동을 시작하여 회전 속도가 증가함에 따라 토크가 증가하여 약 5,000 rpm에서 최대 시동토크 (~0.3 N-m)를 가진 후 유체 동압 유막이 형성되어 스러스트 러너가 베어링으로부터 부상하는 속도인 약 12,000 rpm부터는 베어링의 토크가 약 0.05 N-m로 감소하여 유지되는 것을 알 수 있다.

Fig. 8.Torque vs. rotor speed recorded during lift-off (speed-up) test to 25 krpm.

4-2. 하중지지 실험

Fig. 9는 25,000 rpm의 회전속도에서 축방향 하중을 200 N 까지 증가시켰을 때의 실험 시간에 따른 (a) 축방향 하중, (b) 구동 토크, (c) 베어링 온도를 보여준다. 부상 실험과 마찬가지로 축방향 하중과 토크에 각각 약 4 kPa 및 0.03 N-m의 예압을 가한 상태에서 모터를 구동 시켰으며, 회전속도가 25,000 rpm에 도달하여 하중과 토크가 일정한 값으로 유지된 후 하중을 점진적으로 증가시켰다. 실험결과는 하중이 증가할수록 토크와 온도가 대략 선형적으로 증가함을 보여준다. 약 56 kPa의 하중에서 구동 토크는 약 0.26 N·m이고 베어링 표면에 설치된 온도 센서에서 측정한 베어링 온도의 평균값은 약 40 도로 초기 온도보다 약 6 도 증가하였다.

Fig. 9.Static load performance test data for increasing loads at 25 krpm. (a) load vs. time, (b) torque vs. time, (c) temperature vs. time.

4-3. 최대 하중지지 능력 평가 실험

Fig. 10은 25,000 rpm의 회전속도에서 시험 베어링의 최대 하중지지력 평가 실험 결과로서, 시간에 따른 (a) 축방향 하중, (b) 구동 토크, (c) 베어링 온도를 보여준다. 하중의 증가에 따라 베어링의 공기 유막이 점진적으로 작아져 파열 (rupture)되는 시점을 베어링의 최대 하중 지지력으로 정의하며, 따라서 스러스트 러너와 베어링 표면이 접촉(rubbing)하여 발생하는 구동 토크의 갑작스런 증가를 관찰하기로 하였다.

Fig. 10.Maximum load capacity test data for increasing loads at 25 krpm. (a) load vs. time, (b) torque vs. time, (c) temperature vs. time.

공압실린더에 압축공기를 공급하는 공기압축기 탱크의 용량이 부족하여 재충전하는 약 140~280 초 구간에서는 하중이 약간 감소하며 이에 따라 토크도 감소하지만, 압축기 탱크가 충전된 후에는 약 0.5 N-m까지의 갑작스런 토크의 증가(sudden torque change)와 함께 이상소음이 발생하는 하중인 약 80.5 kPa까지 특별한 이상징후 없이 하중을 증가시킬 수 있었다. 실험으로 측정된 최대 하중지지력인 80.5 kPa에서 베어링의 최대 평균 온도는 약 57.6도까지 증가하였다. 측정된 온도는 장기간 지속구동이 아닌 과도응답(transient response)상태에서의 측정 온도로서 임의의 하중을 지속하며 운전한다면 시간에 따라 온도가 더 상승할 것으로 사료된다.

Fig. 11은 Fig. 10의 실험 데이터를 각색한 결과로서 하중에 따른 토크 변화를 보여준다. 공기압축기 탱크를 충전하는 구간을 제외하고 일반적으로 하중 증가에 따라 토크가 선형적으로 증가함을 알 수 있다.

Fig. 11.Torque vs. load recorded during maximum load capacity test at 25 krpm.

Fig. 12는 최대 하중지지 능력 실험 후 촬영한 베어링의 표면 상태를 보여준다. 최대 하중에서의 공기 유막 파열로 인해 베어링 탑 포일의 PTFE(polytetrafluoroethylene) 코팅이 부분적으로 손상된 흔적이 관찰되었다. 코팅의 손상이 가장 뚜렷한 부분은 탑 포일의 선단에서 시작된 경사진 부분(inclined area)이 끝난 직후 경사가 없는 평평한 부분(flat area)이 시작되는 지점이다. 따라서 이 부분에서 베어링의 최소 유막 두께가 발생함을 유추할 수 있다.

Fig. 12.Photo of test GFTB after maximum load capacity test.

 

4. 결 론

본 논문에서는 가스 포일 스러스트 베어링의 하중지지 성능 및 구동 토크 특성을 평가하기 위한 실험 장치를 개발하고, 부상 실험 및 하중지지 실험을 통해 측정한 성능을 고찰하였다. 낮은 하중 상태에서 모터를 25,000 rpm까지 구동하여 수행한 부상 실험은 가스 포일 스러스트 베어링이 저속에서는 높은 시작 및 정지 토크를 갖지만, 고속 구동 시에는 유체 동압을 갖는 공기 유막이 형성되어 낮은 마찰 토크를 발생함을 보여준다. 시험조건에서의 베어링 부상속도는 약 12,000 rpm으로 평가되었다. 하중지지 실험은 하중이 증가할수록 토크와 온도가 대략 선형적으로 증가함을 보여주는데, 특히, 최대 하중인 약 80.5 kPa에 도달했을 때 이상소음과 함께 급격한 토크의 증가가 발생하였다. 이는 시험 베어링이 지지할 수 있는 한계 하중지지력에 도달함에 따라 공기 유막이 파열되는 동시에 스러스트 러너와 베어링 표면이 접촉하였기 때문이다. 추가적으로, 실험 후에 실시한 베어링 표면 코팅의 손상 상태 고찰을 통해 최대 하중지지력이 가해졌을 때 최소 유막 두께가 발생하는 위치를 유추할 수 있었다.