Recent Advances in Fluid Film Bearings and Dampers for Turbomachinery

터보기계에 적용되는 유체 윤활 베어링 및 댐퍼의 최신 연구 동향

Abstract

The paper presents extensive survey and review of experimental and analytical researches on fluid film bearings and squeeze film dampers (SFDs) for turbomachinery available in open literature (major archival international journals) published recently (2018 and 2019 only). Over 60 published research works are reviewed based on the research topics and objectives, the types of bearings, size of bearings, and main design parameters with a brief summary of experiments and/or predictions in each work. Some important findings and general observations about the experimental and/or predictive data are also presented. There are several major trends observed throughout the survey. A large portion of the papers focuses on bearing surface textures and effect of operating and assembly conditions on static and/or dynamic forced performances, as well as bearing surface roughness and wear patterns. Researches on geometry of orifices and recesses in hydrostatic (or hybrid) bearings, as well as bearing system stability predictions using thermohydrodynamic analysis and computational fluid dynamics (CFD), are considered as significant topics. Studies on SFDs mainly focus on experimental identification of force coefficients for various SFD geometries and sealing conditions. Reliable experiments of fluid film bearings and SFDs along with the development of experimentally benchmarked predictive tools enable reinforcement of the path for reliable implementations of the bearing components into high performance rotating machinery operating at extreme and harsh conditions. The extensive list of sources of recent experiments in the available open literature is a welcome addition to the analytical community to gauge the accuracy of predictive tools.

1. 서론

최근 다양한 산업의 발전과 이에 맞추어 강화되는 각종 규제로 인하여, 기존보다 작지만 더 높은 성능을 가지는 고효율 터보기계에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 이에 따라 터보기계의 고효율화를 위해 터보기계에 적용되는 기계요소에 대한 다양한 연구가 더욱 활발하게 이루어지고 있다. 유체 윤활 시스템은 자동차, 선박, 건설장비, 우주발사체, 그리고 로봇에 이르기까지 다양한 분야에 적용되고 있으며, 점차 그 중요성이 증가하고 있다. 이에 따라 최근 유체 윤활 베어링과 스퀴즈 필름 댐퍼(SFD)에 관한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 논문은 미국기계학회인ASME의 Journal of Tribology와 Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 미국 트라이볼로지학회인 STLE의 Tribology Transactions,
Elsevier의 Tribology International, 그리고 MDPI의 Applied Sciences 등 총 5개의 국제 학술지에서 2018년과 2019년에 발간된 논문을 중심으로 고속회전기계 및 터보기계에 적용되는 유체 윤활 베어링과 스퀴즈 필름 댐퍼의 최신 연구 동향을 연구 내용에 따라 정리하여 분석 하였다. 특히, 각각의 연구 내용은 저널 베어링과 스러스트 베어링, 그리고 스퀴즈 필름 댐퍼로 분류하였으며, 세부 항목은 유체 동압 베어링과 유체 정압 베어링으로 분류하여 실험적 연구와 해석적 연구 순으로 작성하였다.

Fig. 1은 본 논문에서 조사한 총 61편의 논문을 베어링종류와 연구 방법에 따라 분류하여 정리한 표이다. 조사한 61편의 논문들 중 저널 베어링에 대한 연구는 43편, 스러스트 베어링에 대한 연구는 11편, 그리고 댐퍼에 대한 연구는 7편으로 조사되었다. 또한, 동압 베어링에 대한 연구는 36편, 정압 베어링에 대한 연구는 18편으로 조사되었다. Fig. 2는 조사한 61편의 논문을 연구에 사용된 작동 유체의 종류에 따라 분류한 것이다. 오일을 작동 유체로 사용하는 연구가 34편으로 가장 많은 비율을 차지하였으며, 그 다음으로는 가스(공기)와 물이 각각 16편과 9편으로 조사되었다. 또한, 극저온 유체와 같은 기타 유체를 사용한 연구는 2편으로 조사되었다.

Fig. 1. Comparisons of the number of papers reviewed in the current work based on research method (experiment vs prediction): Experiment along with prediction versus prediction only versus experiment only. Bearing and damper types are also shown in the figure.

Fig. 2. Comparisons of the number of papers reviewed in the current work based on working fluid type.

Table 1은 조사한 61편의 연구내용들을 연구주제, 연구방법(실험, 해석), 연구에 사용한 베어링의 종류(저널또는 스러스트, 동압 또는 정압)에 따라 요약하여 정리한 것이다. 유체 베어링의 경우 베어링의 그루브와 딤플 등과 같은 베어링 내부 패턴 및 텍스처에 관한 연구, 작동 유체와 열 유동에 대한 연구, 정렬불량 및 베어링 간극과 같은 조립상태에 대한 연구, 그리고 마모 형상과 표면 거칠기에 대한 연구 등이 주로 이루어졌다. 해당 연구들은 베어링의 성능과 안정성을 높이기 위한 연구로서, 해석적 연구를 통한 성능 예측이 30편으로 가장 많았으며, 실험적 연구와 해석적 연구를 동시에 진행한 논문이 23편, 그리고 실험적 연구만 진행한 논문이 8편으로 조사되었다. 연구 주제에 따른 논문의 수는 작동 유체와 열, 유동에 대한 연구가 가장 많았으며, 마모 형상 및 표면 거칠기에 대한 연구가 가장 적었다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 경우, 구조와 형상에 따른 성능 향상에 대한 연구가 주로 이루어졌으며, 실험적 연구와 해석적 연구를 동시에 진행한 논문이 5편, 그리고 실험적 연구만을 진행한 논문이 1편으로 조사되었다.

Table 1. Summary of research papers (E: Experiment, P: Prediction)

2. 유체 윤활 베어링 

유체 윤활 베어링은 오일, 물, 가스 등의 유체를 작동유체로 사용하며, 베어링과 회전축 사이에 형성되는 얇은 유체막을 통해 윤활하는 베어링이다. 유체 윤활 베어링은 회전축이 회전함에 따라 회전축과 베어링 사이에서 발생하는 동적 압력으로 축하중을 지지하는 동압 베어링과 외부에서 가압 유체를 공급하여 축하중을 지지하는 정압 베어링으로 분류된다.

동압 베어링은 과도한 축하중과 자려진동이 회전체 시스템의 고장을 초래할 수 있으며, 공기를 작동 유체로 사용하는 베어링은 회전축이 부상하기 전까지 회전축과 베어링 표면 사이에서 발생하는 마찰과 마모로 인한 효율과 성능 저하, 그리고 수명 단축 등의 문제를 야기할 수있다. 이러한 이유로 과거부터 지금까지 베어링의 윤활성능을 향상시켜 마찰 및 마모를 최소화하고 수명과 안정성을 개선하기 위한 연구가 꾸준히 진행되었다.

정압 베어링의 경우, 외부에서 가압 유체를 공급하기 때문에 동압 베어링보다 상대적으로 높은 하중지지력을 확보할 수 있다. 하지만 가압 유체의 압축성 효과와 높은 공급 압력은 회전체 시스템에 불안정한 진동을 야기할 수도 있다. 따라서, 안정적인 유체 공급과 불필요한 진동 억제를 위해 오리피스 및 포켓의 형상에 대한 연구가 꾸준히 진행되었다. 또한, 난류 유동 발생에 따른 베어링의 성능을 분석하는 연구도 다수 진행되었다.

2-1. 텍스처(Texture) 관련 연구

베어링 내부 표면에 가공되는 텍스처는 다양한 형태를 가지며, 형상 및 배치에 따라서 베어링 내부의 유체공급을 원활하게 할 뿐 아니라 베어링의 하중지지력 및 동특성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나 적절하지 못한 텍스처 설계는 베어링 성능을 감소시키는 원인이 될 수도 있다. 따라서 회전체 시스템의 성능 향상을 위해서는 작동환경 및 조건에 맞는 적절한 베어링 텍스처 설계가 이루어져야 하며, 이를 위해 텍스처의 형상, 배치, 그리고 개수 등에 대한 연구가 수행되었다.

2-1-1. 저널 베어링

2-1-1-1. 동압 베어링

텍스처에 관한 연구는 그루브(Groove)에 관한 연구와 딤플(Dimple)에 관한 연구 두 가지로 분류할 수 있다. 최근에는 저널 동압 베어링에 그루브를 적용한 해석적 연구가 다수 수행되었다. 연구가 수행된 그루브의 종류는 스파이럴 그루브(Spiral Groove)와 헤링본(Herringbone Groove)가 주를 이루었고, 직선 그루브와 두 가지 이상의 복합적인 그루브에 관한 연구도 진행되었다. Li etal.[1]은 구형 스파이럴 그루브 저널 베어링의 그루브가 시스템 안정성 및 불균형 질량 응답특성에 미치는 영향을 비선형 수치 해석을 통해 연구하였다. 특히 베어링의 그루브 유무에 따른 정특성과 동특성을 비교하였으며, 해석 결과 그루브가 있는 베어링이 그루브가 없는 베어링에 비해 높은 하중지지력과 낮은 마찰계수를 갖는 것을 확인하였다. 그루브가 있는 베어링은 높은 편심률을 가질수록 상대적으로 높은 동압을 형성하였고, 이에 따라 적절한 그루브 형상 설계는 베어링의 하중지지력을 향상시키는 중요한 설계 인자임을 확인하였다. 또한 높은임계질량과 임계속도를 형성하는 최적의 그루브 깊이를 무차원 수로 나타냈으며 이는 베어링 간극이 증가할수록 감소하였다. 따라서, 베어링에서 간극이 클수록 그루브 깊이가 얕아야 안정적인 운전이 가능함을 확인하였다. Xiang et al.[2]은 그루브 형태에 따른 저널 베어링의 성능 비교를 해석적 연구를 통해 수행하였다. 그루브 형태는 직선 그루브, 스파이럴 그루브, 그리고 헤링본 그루브이며, 축 방향 운동을 고려하지 않았을 때, 헤링본 그루브 모델이 가장 큰 하중지지력을 갖는 것으로 나타났다. 반면, 축 방향 운동을 고려한 경우는 스파이럴 그루브 모델이 가장 큰 하중지지력을 가지는 것으로 나타났다. Meng와 Zhang[3]은 저널 베어링 표면에 그루브가 없는 경우, 그루브가 있는 경우, 그리고 두 개의 복합적인 그루브가 있는 경우의 베어링 진동을 CFD와 소음분석을 통해 비교하였다. 해석결과, 그루브가 없는 베어링에 비해 그루브가 있는 베어링은 소음이 최대 5 dB까지 감소하는 것을 보였다. 복합적인 그루브가 있는 베어링은 그루브가 없는 베어링과 비교하였을 때 유체의 밀도가 높고, 점도가 낮은 환경에서 베어링 소음이 약 4 dB 감소하는 것을 확인하였다. Sahu와 Sharma [4]은 그루브 형상을 갖는 저널 베어링의 작동유체 (뉴턴 유체와MR유체), 그루브 형상(직사각형, 삼각형, 그리고 원형), 그리고 그루브 각도(30º와 60º)에 따른 베어링의 성능을 비교하는 연구를 수치해석을 통해 진행하였다. 이를 통해, 베어링에 자기장이 작용하면 MR유체 내부의 자기 입자들은 체인 형식의 배열을 이루어 점도가 증가하고 간극에 유체가 축적되어 더 높은 동압을 형성하는 것을 확인하였다. 이에 따라서 최소 유막 두께가 증가하고, 저널과 베어링의 접촉이 최소화 되었다. 또한, 직사각형 형태의 그루브가 가장 작은 마찰 특성을 가지며 강성 또한 다른 그루브 형상과 비교하였을 때 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.

텍스처 관련 연구 중 베어링 내부 표면의 딤플과 관련된 연구도 다수 진행되었다. 특히, 딤플의 위치와 개수가 하중지지력과 동하중 계수에 미치는 영향에 대한 연구가 주를 이루었다. Lin et al.[5]은 베어링 내부 표면에 가공된 딤플의 위치와 개수가 편심률 및 하중지지력에 미치는 영향에 대한 해석적 연구를 진행하였다. 딤플의 위치가 베어링의 압력장이 증가하는 곳에 위치할 경우 편심률을 감소시켜 하중지지력이 증가하였으며, 반대로 압력장이 감소하는 곳에 위치할 경우 하중지지력이 감소하였다. 이를 통해 딤플의 위치가 베어링의 정특성에 미치는 영향을 확인하였다. Yamada et al.[6]는 정사각형 딤플을 갖는 저널 베어링의 동특성을 규명하기 위한 실험과 해석적 연구를 진행하여, 정사각형 딤플 형상이 연성 강성의 절대 값을 감소시키는 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 연성 강성이 감소함에 따라 회전체 시스템의 안정성이 향상됨을 보였다. 실험은 높은 레이놀즈 수를 가지는 작동범위에서 내부 표면이 매끄러운 베어링과 딤플 형상을 갖는 베어링을 비교하였으며, 딤플 형상을 갖는 베어링의 임계속도가 더 높은 것을 확인할 수 있었으며, 회전체의 안정성이 향상됨을 보였다. 또한, 딤플 형상이 회전체 시스템에서 발생하는 자려진동을 효과적으로 감소시킬 수 있음을 보였다. Wang et al.[7]은 베어링 내부 표면에 균일하게 분포된 미세한 딤플 형상에 따른 저널 베어링의 성능을 비교 분석하였다. 해석 결과, 오목한 딤플 형상을 갖는 베어링이 볼록한 딤플 형상을 갖는 베어링보다 하중지지력이 상대적으로 작았으며, 두 딤플 형상 모두 베어링의 마찰력에는 큰 영향을 미치지 않았다. 또한, 오목한 딤플 형상과 볼록한 딤플 형상을 동시에 갖는 베어링 모델은 최대압력을 갖는 지점에서 공동현상을 방지할 수 있고, 최대압력의 영역을 확장시켜 하중지지력을 향상시킬 수 있음을 보였다. Linjamaa et al.[8]은 저널 베어링 내부 표면을 폴리머 라이너로 설계한 베어링의 탄성과 열 변형을 고려한 해석적 연구를 수행하였다. 동일한 설계 치수를 가진 황동으로 설계된 베어링과 비교하였을 때, 하중지지력 및 윤활 특성은 향상되었으나, 열 변형이 특성 변화에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

2-1-1-2. 정압 베어링

동압 베어링과 함께 정압 베어링에도 다양한 텍스처를 적용하기 위한 실험 및 해석적 연구가 수행되었다. Guenat 와 Schiffmann[9]은 다목적 최적화 방법을 사용하여 치수공차를 고려한 헤링본 그루브 저널 베어링의 설계 방법을 제시하였다. Narrow-groove 이론을 적용한 모델을 이용하여 아동기 주파수(Sub-synchronous frequency)에서 발생하는 불안정성에 영향을 미치는 치수 공차를 파악하였다. 또한 낮은 주변 압력, 높은 가스 점도, 큰 회전체 지름, 그리고 낮은 회전체 무게가 높은 치수 공차를 허용할 수 있다는 결과를 도출하였다. 이를 바탕으로 치수 공차를 최대화하는 설계 방법은 베어링의 설계 및 제조를 유연하게 할 수 있기 때문에 그루브 베어링의 제작 비용을 감소시킬 수 있다는 것을 보였다. Gong et al.[10]은 물로 윤활하는 정압 베어링의 그루브 깊이와 베어링 내부 표면의 재료가 하중지지력과 마찰 계수에 미치는 영향을 실험과 해석을 통해 비교하였다. 베어링 내부 표면의 재료는 고무, 합성수지, 플라스틱, 나일론, 그리고 세라믹이며, 미세 그루브의 깊이는 0 µm, 10 µm, 30 µm, 50 µm, 그리고 70 µm인 경우를 비교하였다. 이를 통해, 마찰계수를 줄일 수 있는 최적의 그루브 깊이는 베어링의 재료에 따라 크게 변하였으며, 고무 재질의 베어링 표면은 50 µm, 그리고 다른 재료는 30 µm에서 마찰계수가 가장 작게 나타났다. Xue et al.[11]은 스파이럴 그루브 저널 베어링을 적용한 고속 원심 펌프 개발에 대한 실험적, 해석적 연구를 진행하여, 스파이럴 그루브 베어링으로 지지되는 회전체 시스템의 설계 방향을 제시하였다.

2-1-2. 스러스트 베어링

축방향 하중을 지지하는 스러스트 베어링은, 베어링 표면에 텍스처를 적용하여 축 방향 하중지지력을 높이는 연구가 다수 수행되었다. Lin et al.[12]은 물을 작동유체로 사용하는 스파이럴 그루브 스러스트 베어링의 온도, 관성효과, 공동현상, 그리고 난류를 고려한 정특성을 예측하는 연구를 진행하였다. 각 변수들은 하중지지력과 마찰 토크에 큰 영향을 주었으며, 이를 통해 스파이럴 그루브 스러스트 베어링을 설계하는데 있어서 반드시 고려되어야 하는 변수 들임을 강조하였다. Fu와 Untaroiu[13]는 CFD를 이용하여 딤플의 형상이 스러스트 베어링 성능에 미치는 영향을 예측하였다. 딤플 형상은 직사각형과 타원형 두 가지를 비교하였으며, 딤플의 폭, 길이, 깊이, 원주 방향 간격, 그리고 반경 방향 간격을 설계 변수로 지정하여 베어링의 성능을 해석적으로 비교하여 분석하였다. 직사각형 딤플은 폭과 길이가 길어질수록 베어링의 최대 온도가 감소하였고, 타원형 딤플은 원주 방향으로 주축의 길이가 길어질수록 최대 온도가 감소하는 결과를 보였다. 최적 설계를 통해 설계된 최종 두 딤플형상은 1.1%, 1.3%의 최대온도 감소효과를 보였으며, 하중지지력은 두 딤플 형상 모두 동일한 수준으로 유지되는 것으로 나타났다.

2-2. 작동 유체(Working fluid), 열, 유동 관련 연구

베어링에 사용되는 작동 유체의 열역학적, 유체역학적 특성은 회전체 시스템의 특성과 안정성 향상과 밀접하게 관련되어 있다. 따라서, 최근 유체 윤활 베어링의 열유동과 유체의 거동, 그리고 작동 유체의 특성 변화에 관련된 연구가 다수 수행되었다.

2-2-1. 저널 베어링

2-2-1-1. 동압 베어링

Luo et al.[14]은 SAE10W40 기반의 자성 유체를 작동 유체로 사용하는 회전체 시스템에서 작동유체에 가해지는 자기장에 따른 베어링의 특성 변화와 회전체 시스템의 성능변화에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 자성 유체의 자기장을 변화시키기 위하여 NdFeB N35영구자석을 최대 8개까지 증가시켜 회전체 시스템의 동적거동을 측정하였다. 베어링에 부착된 영구자석의 수가 증가할수록 베어링의 위험속도가 증가하는 경향을 보였다.영구자석이 없는 경우 회전체 시스템의 휘돌림(whirling)이 시작되는 속도는 약 3 krpm이었으며, 영구자석이 8개 부착된 경우는 약 4.5 krpm으로 나타났다. 이를 통해 자성유체를 작동유체로 하는 회전체 시스템은 베어링의 외부자기장의 변화만으로 회전체 베어링 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있음을 보였다. Schirru et al.[15]은 다양한 온도와 하중 조건에서 베어링 작동 유체의 점성을 측정하는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 이를 통해 유막 두께에 따른 베어링의 동력손실을 계산하였다. 대부분의 동력 손실이 발생하는 위치는 유막의 두께가 최소가 되는 부분과 베어링의 압력이 최대가 되는 부분이며, 이는 전체 동력 손실의 70%가 됨을 확인하였다.

Mo et al.[16]는 베어링의 열 및 유체의 거동을 CFD를 통해 예측하였고 이를 검증하는 실험을 진행하였다. 이를 바탕으로, 베어링의 온도, 누설 특성, 그리고 축 방향 간극에 따른 베어링의 성능을 비교하였다. 이를 통해, 축 방향 간극이 클수록 베어링 온도는 낮아지는 반면 오일의 누설량은 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 저널 휘돌림의 크기가 커짐에 따라 베어링 압력이 감소하고 베어링의 온도가 증가하는 것을 확인하였다. Wang et al.[17]은 플로팅 링 베어링에서 축 속도가 증가하면 링 속도가 낮아지는 메커니즘, 즉 공기-오일-열의 연성 효과로 인한 점성 감소에 대한 연구를 진행하였다. CFD를 사용하여 작동유체의 유량과 온도 상승에 따른 점성의 변화, 그리고 플로팅 링 내부 유막에서 링을 통한 외부 유막으로의 대류 열전달의 영향을 분석하였다. 이를 통해, 축 속도가 30 krpm이상으로 증가하면, 공기의 유입이 증가하여 내부 오일의 양이 약 22% 감소하였다. 이때, 내부 유막의 온도는 340 K로 증가 하였으며, 점성이 약 43% 감소함에 따라 플로팅 링 속도가 감소하는 것을 확인하였다. 연구를 통해 플로팅 링의 회전속도 감소 현상은 공기-오일-열 커플링 효과에 의해 야기되고, 특히, 베어링 내부로 유입되는 공기가 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. Abdollahi와 San Andrés[18]는 5개의 패드를 갖는 LBP(Load between pad) 틸팅 패드 베어링의 오일 공급 유량과 열전달을 고려한 해석 모델을 개발하였다. 공급된 작동 유체(ISO VG 32)의 양을 고려하여 오일 및 패드의 온도를 예측하고 해설 결과와 실험 결과와의 비교를 통해 해석 모델의 타당성을 검증하였다. Nichols etal.[19]는 열탄성유체윤활 해석을 기반으로 오일 유량에 따른 정상상태의 베어링 성능을 분석하기 위해 5개의 패드를 갖는 LBP 틸팅 패드 베어링에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 작동 유체는 ISO VG 32을 사용하였고, 2 krpm에서 12 krpm의 속도 범위에서 회전 속도와 오일 공급 조건을 변화시키며 베어링 성능을 비교하였다. 이를 통해, 회전 속도가 증가함에 따라 공급 유량이 감소하며, 소모 동력이 최대 20%까지 감소하는 것을 확인하였다. Hagemann와 Schwarze[20]은 2 로브 저널 베어링의 오일 거동과 베어링 입구 온도를 고려한 해석 모델을 제시하였다. 베어링 입구 유속과 온도에 대한 경계조건을 통해 레이놀즈 방정식 및 3차원 에너지 방정식을 이용하였다. 이를 통해 작동 유체의 열 특성을 분석하였고 실험값과의 비교를 통해 해석 모델의 신뢰성을 검증하였다. Arihara et al.[21]은 유한요소법을 사용하여 4개의 패드를 갖는 LBP 틸팅 패드 베어링의 3차원 열탄성유체윤활 해석을 층류 모델과 난류 모델을 통해 수행하였다. 또한 실험을 통해 실험 결과와 해석 결과를 비교하였다. 연구 결과, 난류 해석 모델이 층류 해석 모델에 비해 실험 결과와 더 잘 일치하는 모습을 보였다. 또한, 난류 모델은 층류 모델에 비해 패드의 최대 온도가 감소하였는데, 이는 난류 유동 혼합으로 인해 열 확산량이 증가하였기 때문이다. 이 결과를 통해 난류 유동 현상이 열확산량을 증가시켜 베어링 유막의 온도를 균일하게 만든다는 것을 설명하였다. Griffini et al.[22]은 열탄성유체윤활 모델을 사용하여 베어링의 불안정성이 발생하는 회전속도와 베어링의 열적 특성을 예측하였다. Koosha와 San Andrés[23]은 3차원 열 에너지 전달 방정식과 패드 내 열전도 방정식을 결합한 열탄성유체윤활 모델을 통해 틸팅 패드 베어링의 해석적 연구를 진행하였다. 해석은 압력장 및 온도 상승 조건을 유한요소 구조모델에 적용하여 베어링 패드에 3D 탄성 변형을 계산하였으며, 베어링의 패드와 라이너의 재질이 베어링의 정특성에 미치는 영향에 대해 연구를 진행하였다. 또한, 감마합금 패드를 적용하였을 경우 층류 유동 조건에서 유막두께가 가장 두껍게 형성되었으며, 유막 온도는 가장 낮게 상승하였다. 그러나, 폴리머 패드를 적용한 경우의 유막은 난류 유동 조건에서 감마 합금 패드보다23% 크게 나타났다. Mermertas et al.[24]은 저압 증기 터빈에 적용되는 3패드 틸팅 패드 저널 베어링의 최적화를 위한 해석적 연구를 진행하였으며, 해석 모델을 실험을 통해 검증하였다. 연구에 사용된 베어링의 성능은 윤활유의 온도에 큰 영향을 받기 때문에 패드 가장자리의 윤활과 패드의 변형을 고려한 해석 모델을 제시하였다. 이를 바탕으로 최적화된 성능의 베어링을 제작하였으며, 목표한 작동조건에서 18개월동안 정상 작동하는 것을 확인하였다. Hagemann와 Schwarze[25]은 4 패드 틸팅 패드 저널 베어링의 리딩 에지 그루브에서의 윤활 조건을 고려한 설계가 베어링의 작동 특성에 미치는 영향에 대해 이론적 모델을 제시하고, 모든 경계 조건을 정확하게 고려할 경우 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.

2-2-1-2. 정압 베어링

정압 베어링은 유체 공급부의 형상, 위치, 개수, 각도, 크기 및 직경에 따라 베어링 성능이 크게 달라진다. 유체 공급부는 크게 오리피스 타입과 모세관 타입으로 분류할 수 있으며, 최근에는 오리피스 타입이 많이 사용되고 있다. 따라서 오리피스에 대한 연구 논문이 최근 다수 발표되고 있으며, 그 중 공급되는 작동 유체의 유량 특성을 나타내는 오리피스 계수에 대한 연구와 오리피스의 구조(개수, 형상, 배열, 크기)에 관한 연구가 가장 활발하게 이루어지고 있다. 실험적 연구는 주로 외부에서 베어링으로 공급되는 유체가 지나는 공급부와 공급유체의 특성에 대한 연구가 많이 이루어졌다. Ise et al.[26]는 외부가압 가스 저널 베어링으로 지지되는 회전축에서 오리피스 배열이 진동 억제에 미치는 영향을 실험을 통해 규명하였다. 개발된 베어링은 오리피스를 비대칭적으로 배열한 구조이며, 하중을 부여받는 베어링 표면과 그 반대 표면에 각각 7개와 1개의 오리피스를 가지도록 설계되었다. 연구 결과, 비대칭 오리피스 배열의 베어링이 기존의 대칭 오리피스 배열의 베어링에 비해 높은 하중지지력을 가지는 것을 확인하였다. 또한, 기존의 대칭 오리피스 배열의 베어링은 회전속도가 증가할수록 불안정해졌지만, 비대칭 오리피스 배열의 베어링은 저속에서는 큰 진폭을 갖지만 고속으로 갈수록 진폭이 감소하는 것을 확인하였다. 

다공성 정압 베어링은 다공성 물질을 통해 외부로부터 작동 유체를 공급하는 방식의 베어링이다. 다공성 베어링은 공급되는 유체가 다공성 막을 지나며 변하는 유체 특성이 베어링 성능에 큰 영향을 미치며, 이에 따라 최근 다공성 베어링에 적용되는 작동 유체의 거동과 특성에 관한 연구가 수행되었다. Trachsel et al.[27]은 낮은 점도를 가지는 네 종류의 작동 유체에 따른 마찰 특성을 다공성베어링에 적용한 실험적 연구를 진행하였다. 실험은 두개의 다른 간극 조건에서 진행되었으며, 낮은 점도를 가진 유체는 축과 다공성 베어링의 마찰을 감소시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

정압 베어링 해석적 연구는 실험 연구와 마찬가지로 작동 유체와 유체 공급부 특성에 관한 연구가 주로 이루어졌다. Du 와 Liang[28]은 액체로켓의 터보펌프에 적용하기 위한 리세스를 가진 베어링의 작동유체에 따른 하중지지력 및 강성을 비교하는 해석적 연구를 진행하였다. 베어링에 사용된 작동유체는 극저온 유체를 포함한 총 네 가지의 작동유체를 사용하였다. 해석 결과, 작동 유체로 액체 질소와 액체 산소를 적용한 경우는 유사한 하중지지력과 강성 값을 나타냈다. 또한, 작동 유체의 점성이 증가할수록 하중지지력과 강성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. Song et al.[29]은 외부가압 가스 베어링의 오리피스 계수에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 오리피스 계수는 상부 및 하부 유입구에서 약 45%의 차이를 나타냈다. 해석을 통해 작동 중 유막 두께 변화에 따른 오리피스 계수의 변화를 확인하였으며, 해석을 실험 결과를 통해 검증하였다. Xiao et al.[30]은 최대 500 krpm으로 구동되는 마이크로 스핀들에 적용하기 위한 오리피스 타입의 외부가압 베어링에 대한 연구를 진행하였다. 외부가압 베어링의 특성은 유한차분법을 사용하여 예측하였고, 해석 모델은 실험을 통해 검증되었다. 또한, 베어링의 구조적 특성과 구동 특성이 하중지지력 및 동특성 미치는 영향을 확인하였으며, 저속 조건에서는 외부가압으로 인한 윤활이 적절하며 고속 및 큰 편심 조건에서는 동압으로 인한 효과가 지배적임을 확인하였다. Kumar와 Sharma[31]은 총 24개의 오리피스를 갖는 외부 가압 베어링에서 딤플의 형상과 작동 유체의 종류가 베어링의 하중지지력에 미치는 영향을 연구하였다. 직사각형 딤플 사용 시 하중지지력은 딤플이 없는 외부 가압 베어링 모델에 비해 최대 14% 향상되었다. 또한 작동 유체에 따른 하중 지지력에 대하여 전기유변유체를 작동 유체로 사용할 시 추가적으로 약 10% 향상시킬 수 있음을 해석을 통해 확인하였다. 이를 통해, 딤플의 형상과 작동 유체를 통해 베어링의 하중지지력 및 동특성을 개선할 수 있음을 보였다. Shalash et al.[32]은 외부가압가스 저널 베어링 모델을 검증하기 위해 공급 압력과 정적 하중에 따른 실험을 수행하였다. 실험을 통해 회전속도 25 krpm까지의 베어링 압력 분포와 질량유량을 측정하였다. 하중지지력의 정확한 예측을 위해서는 유막 두께의 함수로 표현되는 각 오리피스의 질량 유량에 대한 정확한 정보가 중요함을 확인하였다. 또한, 측정된 하중지지력 및 강성이 비선형 거동을 가지기 때문에 회전축의 편심 설계에서 강성 예측이 중요함을 강조하였다. Jiang et al.[33]은 외부 가압 다공성 가스 저널 베어링의 정특성 및 동특성에 대해 4자유도 모델을 이용한 수치 해석을 진행하였다. 이를 통해 외부 가압 다공성 가스 저널 베어링의 병진 및 틸팅 거동까지 고려한 하중지지력과 강성 및 감쇠계수를 구하였다. 또한, 실험을 통해 4자유도 해석 모델의 신뢰성을 검증하였다.

2-2-2 스러스트 베어링

2-2-2-1. 동압 베어링

스러스트 베어링에 대한 연구는 내부 유체의 공동 현상과 관련된 연구가 두드러졌다. Richardson et al.[34]은 µPIV(Microparticle Image Velocimetry) 를 사용하여 포켓 스러스트 베어링의 세가지 작동유체에 따른 공동현상을 실험적으로 측정하였다. 스러스트 베어링의 포켓 가장자리 부분에서 발생하는 갑작스러운 유막의 팽창이 공동현상으로 인해 기포를 형성하였고, 이는 회전속도가 증가함에 따라 점점 더 커지는 현상을 초고속 카메라를 사용하여 촬영하였다. 또한 수치 해석 모델을 개발하여 압력분포, 공동현상, 그리고 베어링 포켓 속 유체의 3D 속도 분포를 계산하였다. 또한 실험 결과와 해석 결과를 통해 공동 현상 결과를 비교하였다. 실험에서 측정된 2D 속도 분포는 기존의 보간 방법을 적용하여 3D 속도장으로 변환하였으며, 그 결과 포켓 속의 유체가 빠져나가지 못하고 갇혀 있는 것을 확인하였다.

해석적 연구로는 다양한 베어링에 대하여 작동 유체의 거동을 예측하는 연구가 주로 수행되었다. 또한, 유체막의 압력 분포와 압력강하를 예측하는 연구도 수행되었다. Song et al.[35]은 난류와 관성 효과를 고려한 동압 스러스트 베어링의 성능 예측에 대한 연구를 수행하였다. 해석 모델은 유한차분법을 사용하여 레이놀즈 방정식을 계산하였고, 기존 연구의 실험 결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 해석 결과 원심 관성은 하중지지력을 감소시키고, 대류 관성은 하중지지력을 증가시키는 결과를 보였다. 더불어, 틸팅 각도가 작을 경우, 회전축이 고속으로 회전할 경우, 그리고 유막 두께가 큰 경우에서는 원심관성의 효과로 인해 하중지지력이 50%까지 감소되는 결과를 보였다. 또한, 해석 모델을 통해 원심 관성력과 대류 관성력의 관계를 바탕으로 한 계산결과의 효율과 수렴관계의 개선 방안을 제시하였다. Lin et al.[36]은 공동 현상을 고려한 베어링 모델을 사용하여 물로 윤활되는 스파이럴 그루브 스러스트 베어링의 공동효과, 난류 효과, 열 효과, 그리고 관성 효과를 고려한 베어링 성능을 계산하였다. 해석을 통해 공동 현상으로 인해 베어링의 하중지지력과 작동유체의 누설 특성이 감소하고, 작동 시 베어링의 최대 온도가 감소하는 것을 확인하였다. Zhang et al.[37]은 수치 해석을 통하여 가스베어링의 유막 내 압력 강하를 예측하였다. CFD를 이용한 수치해석 결과와 약 1% 이내의 차이를 보였으며, 특정 압력비 이상의 공급 압력에서는 점성의 효과로 압력강하가 약화되는 것을 확인하였다.

2-2-2-2. 정압 베어링

정압 베어링의 해석 연구는 유체 공급부와 관련된 연구와 이에 따른 베어링 특성 예측에 관한 연구가 주로 이루어졌다. Shi et al.[38]은 레이놀즈 방정식의 해와 변수분리법을 이용한 경계층 방정식의 해를 결합하여 외부가압 베어링의 오리피스 계수를 도출하였다. 오리피스의 직경, 유막 두께, 그리고 공급 압력의 영향을 확인하였으며 외부 가압 가스 베어링의 오리피스 계수를 계산하기 적합한 수치 해석 방법을 제시하였다. Childs와Esser[39]은 물 윤활 스러스트 베어링의 오리피스 형상에 따른 베어링 성능에 대한 연구를 진행하였다. 연구에 사용된 베어링은 8개의 오리피스를 갖고 있으며, 오리피스의 형태와 유체 공급 압력을 변화 시켜가며 연구를 진행하였다. 또한, 해석 모델을 실험결과와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 연구 결과 오리피스의 직경이 클수록 유막 두께가 증가하고, 강성이 커지는 것을 알 수 있었다. Zhuang et al.[40]은 외부가압 가스 스러스트 베어링의 정특성 및 동특성을 예측하는 연구를 진행하였다. 이를 통해 공급압력, 오리피스 직경, 스퀴즈 수, 편심률에 따른 정특성 및 동특성을 분석하였다. 

2-3. 조립 상태 및 작동 환경에 관한 연구

베어링의 조립 상태와 작동 환경은 베어링의 성능 뿐만 아니라 회전축 시스템 전체에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다. 특히 조립 상태 중에서도 베어링의 윤활 성능에 큰 영향을 주는 요소는 정렬불량(Misalignment)과 간극이다.

2-3-1. 동압 저널 베어링

정렬불량은 설계가 정상적으로 이루어진 상태에서도 조립, 배치 등에 따라서 발생할 수 있으며, 이는 베어링 성능을 감소시켜 예측되지 않은 마찰 및 마모를 일으키고 시스템의 고장을 유발한다. 최근에는 축과 베어링의 정렬불량을 고려한 해석적 연구를 진행하여 베어링 시스템의 수명을 개선하고자 하는 연구가 다수 수행되었다. Lv et al.[41]은 직경 800 mm 저널 베어링의 정렬불량과 난류의 영향을 고려한 해석적 연구를 수행하였다. 해석 모델은 레이놀즈 방정식을 유한차분법으로 계산되었으며, 정렬불량과 난류 유동을 동시에 고려하여 마찰계수에 따른 베어링의 최소 유막 두께와 최대 유막 압력을 계산하였다. Li et al.[42]은 축 방향 진동과 온도의 영향을 고려하여 축과 베어링의 기울어짐 각도에 대한 해석 연구를 수행하였다. 이를 통해, 축과 베어링의 기울어짐이 커질수록 하중지지력과 마찰 손실이 동시에 증가하는 것을 확인하였다. Li et al.[43]은 편심률과 정렬불량이 MEMS 가스 베어링의 동특성에 미치는 영향을 예측하여, 수평 방향 정렬불량이 베어링의 강성 및 감쇠계수에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다.

간극은 베어링 설계에 있어서 가장 중요한 설계인자로서, 최근에는 제조 가공 공차에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. Silva et al.[44]는 열유체해석모델을 사용하여 틸팅 패드 저널 베어링의 가공 공차와 조립 과정에서 발생하는 비대칭 간극을 고려한 확률적 해석(Stochastic Analysis)을 진행하였다. 이를 통해 비대칭 간극으로 인한 연성 강성 및 감쇠계수, 직접 강성 및 감쇠 계수 값을 산출하고, 더 높은 안정성을 가지는 틸팅 패드 저널베어링의 설계 방향을 제시하였다. Park와 Sim[45]은 베어링 간극과 예압이 변하는 가스 포일 베어링(Controllable Gas foil Bearing, 혹은 C-GFB)에 대한 해석적 연구를 진행하였다. 베어링 내부에 피에조 스택(Piezo stack) 9개를 삽입하여 가스 포일 베어링의 간극과 예압을 조절하였으며, 베어링의 간극을 조절하는 것이 예압을 조절하는 것보다 베어링 동특성에 더 큰 영향을 미치는 것을 밝혔다. 또한, C-GFB를 적용한 회전체 시스템 해석을 통해 작은 베어링 간극과 큰 예압 조건에서 회전체 시스템이 임계 속도 이상에서도 운전이 가능함을 보였다.

2-3-2. 정압 저널 베어링

Feng et al.[46]은 물을 작동 유체로 사용하는 저널 베어링의 정렬불량, 난류, 그리고 열 효과가 하중지지력과 동특성에 미치는 영향을 규명하였다. 또한 편심률에 따른 하중지지력과 동특성의 변화를 분석하였으며, 약 0.6 이상의 높은 편심률은 하중지지력과 강성, 감쇠에 급격한 변화를 야기할 수 있음을 보였다. Cui et al.[47]는 구면 가스 정압 베어링의 작동 조건이 유막의 압력과 강성에 미치는 영향에 대한 해석 및 실험을 진행하였다. 해석 결과, 축 방향 및 반경 반향 편심이 증가함에 따라 하중지지력과 강성이 증가하였다. 또한 해석 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 8 μm에서 12 μm의 유막 두께 범위에서 편심의 변화에 따른 강성을 측정하여 해석 모델과 비교하였다.

2-4. 마모 형상 및 표면 거칠기 관련 연구

베어링과 회전축 표면 사이에서 발생하는 마찰은 회전체 시스템의 동력손실과 더불어 마모로 인한 성능저하를 일으키는 주된 원인이 되며, 시스템의 수명을 급격히 단축시킨다. 또한, 베어링의 표면 거칠기는 회전축과 베어링 사이의 최소 유막 두께에 영향을 미치며, 이는 곧 시스템의 윤활 성능과 밀접한 관련이 있다.

2-4-1. 동압 저널 베어링

저널 베어링의 실험적 연구는 실제 구동 환경에서 발생하는 베어링의 마모 형상을 파악하고 베어링의 마모형상과 위치에 따른 마찰 특성의 변화를 확인하는 연구가 주로 이루어졌다. Sander와 Allmaier[48]은 유체 윤활 베어링 시스템에서 축의 회전 시작 및 종료 시점의 마찰에 따른 마모 형상을 실험을 통해 확인하였다. 실험 결과, 최대 5.8 µm의 마모 깊이가 회전 방향으로 20° 위치에 발생함을 확인하였다. Litwin[49]은 선박 추진 시스템에 적용되는 동압 베어링의 극심한 마모가 발생하는 저속 회전 및 구동시작 구간에서의 마찰 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 실험에서는 서로 다른 형태를 가진 3개의 베어링의 마찰 특성을 측정하고 이를 비교하였다. 실험 결과, 저속 가동 시 베어링 패드가 마찰 계수에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 저속에서 물로 윤활되는 베어링은 혼합윤활 영역에서 윤활하였으나, 오일 윤활 베어링과 3-layer 베어링은 동압 윤활 영역에 도달하여 가장 낮은 마찰 특성을 가졌다.

저널 베어링 표면에 관한 해석 연구에서는 마모 형상에 대한 예측과 예측된 마모 형상이 베어링 성능에 미치는 영향에 대한 연구가 주로 이루어졌다. 또한, 베어링의 동압과 최소 유막 두께에 큰 영향을 미치는 표면 거칠기에 관한 해석 연구도 진행되었다. Xiang et al.[50]은 저널 베어링의 마찰과 혼합 윤활을 고려한 새로운 수치 해석 모델을 제시하였다. 제시된 모델을 통해 해석을 진행한 결과, 베어링의 마모 형상은 주로 베어링 내 축방향 양 끝 단에서 접촉 마찰에 의해 발생하였으며 이는 시간이 경과에 따라 팽창함을 확인하였다. Li et al.[51]은 MEMS 가스 베어링 가동을 위해서 베어링 벽 내면의 마모 정도에 대한 베어링 성능의 민감도를 연구하였다. 또한 MEMS 가스 베어링 벽 내면의 마모 특성을 예측하기 위한 수학적 모델과 계산 방법을 제시하였다. 통계적 방법으로 MEMS 가스 베어링의 정특성과 동특성을 확인하였으며, 마모에 대한 베어링 성능의 민감도를 분석하였다. 해석 결과, 베어링 원주 방향 및 축 방향 마모 형상이 동특성에 크게 영향을 미치는 것을 확인되었다. Cui et al.[52]은 표면 거칠기에 따른 접촉 압력과 최소 유막 두께에 대한 해석적 연구를 진행하였다. 이를 통해, 회전체 시스템 구동 시 베어링의 표면이 거칠수록 베어링 내에서 발생하는 동압이 낮아져 축과 저널의 접촉 시간이 증가하였으며, 이에 따라 베어링의 수명이 단축되고 성능은 저하됨을 확인하였다. Lee et al.[53]은 틸팅 패드 저널 베어링의 패드 마모가 패드 온도에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. THD 해석을 통해 패드의 마모 유무에 따른 온도 변화를 예측하였으며, 두 개의 틸팅 패드 저널 베어링으로 지지되는 회전축 실험 장치를 이용한 실험결과와 해석결과를 비교하였다. 실험 결과, 30 µm의 마모 깊이를 가지고 있는 틸팅 패드 저널 베어링은 표면 마모가 없는 틸팅 패드 저널 베어링보다 하중이 부여된 패드의 온도가 약 8ºC 높게 나타났고 하중이 부여되지 않은 패드의 온도는 약 2.5ºC 낮게 나타났다. 또한 마모 깊이가 증가함에 따라 최소 유막 두께는 감소하였고, 이를 통해 패드의 마모량이 커질 수록 베어링 파손이 보다 더 빨리 발생할 수 있음을 보여주었다. 이를 바탕으로 틸팅 패드 저널 베어링에서 발생하는 다양한 파손을 검진할 수 있는 예비 환경 모니터링 모델을 구축하였고, 이를 활용하여 패드 온도 변화와 패드의 마모를 검진할 수 있음을 제안하였다. 또한, 정렬불량과 회전기계 주변 환경의 온도 변화 등의 요인들도 패드 온도의 변화를 발생시킬 수 있기 때문에, 패드 마모를 더 효과적으로 감지하기 위해 다양한 요인을 결합한 연구가 필요함을 밝혔다. Zhao et al.[54]는 하이브리드 범프 메탈메쉬 포일 베어링의 동특성을 평가하기 위해 정하중 실험과 충격 하중 실험을 진행하였다. 정하중 실험을 통해 약 20 krpm까지는 강성이 감소하지만, 그 이상의 회전 속도에서는 강성이 증가하는 것을 보여주었다. 또한 충격 하중 실험을 통해 실험에 사용된 베어링의 강성이 모든 충격 하중에 대하여 증가하지만, 댐핑은 주파수가 증가함에 따라서 감소함을 확인하였다.

2-4-2. 정압 저널 베어링

Bouyer et al.[55]는 오일로 윤활 되는 2 로브 저널 베어링으로 지지되는 회전체 시스템의 회전축 표면에 존재하는 결함이나 스크래치가 베어링 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 해석 연구를 수행하였다. 이를 통해, 축 표면의 스크래치에 따른 압력과 온도의 상관관계와 흠집의 깊이에 따른 압력 분포를 예측하였다.

3. 스퀴즈 필름 댐퍼(SFD)

SFD는 저널 혹은 베어링과 고정된 하우징 사이에 있는 얇은 유체막으로서, 고속 회전체 시스템에서 발생하는 진동을 효과적으로 감쇠시키는 역할을 한다. 이러한 장점으로 인해 SFD는 항공기 엔진, 가스터빈, 터보차저 등 고속 회전기계에 널리 사용된다.

SFD에 관한 연구는 주로 실험을 통해 측정된 정특성 및 동특성을 예측할 수 있는 해석 모델을 제시하고, 이를 통해 보다 정확한 SFD의 특성을 예측하는 연구가 이루어졌다. Jeung et al.[56]는 피스톤 링으로 밀봉된 짧은길이의 SFD를 모델링 하여 작동 유체의 공급 압력과 유체 흐름 전도가 동특성에 미치는 영향성에 대한 연구를 수행하였다. 실험 결과 일정한 유체 흐름 전도에서 공급 압력이 0.69 bar(g)에서 2.76 bar(g)로 증가하면 댐핑 계수가 최대 26~50% 증가하지만, 관성 계수는 영향을 끼치지 않는 것을 확인하였다. Feng et al.[57]은 동압 베어링의 원리와 고주파로 가진 되는 스퀴즈 필름의 부상효과를 모두 적용한 하이브리드 가스 베어링의 정특성 및 동특성 그리고 스퀴즈 효과의 작용 매커니즘에 대해 연구하였다. 유한차분법과 유한요소법을 이용하여 비선형 해석을 수행하여 하이브리드 가스 베어링의 정적 및 동적 상태에서의 탄성 변형 효과와 안정성을 분석하였다. 이를 통해, SFD는 하중지지력을 상승시키고, 불안정임계 속도를 증가시키며, 베어링의 동특성을 개선할 수 있음을 확인하였다. Delgado와 Ertas[58]은SFD를 적용한 복합 하이브리드 가스 베어링의 회전체 동역학적 특성에 대한 연구를 진행하였다. 메탈 메쉬 댐퍼를 적용한 하이브리드 가스 베어링과의 성능을 비교하기 위한 실험을 수행하여, SFD를 적용한 복합 하이브리드 가스 베어링의 감쇠가 약 3배 더 높은 것을 확인하였다. 한편, 등온 압축성 레이놀즈 방정식을 적용한 해석 모델을 제시하고 이를 실험 결과와 비교하였다. Meeus et al.[59]은 오일 공급이 없는 상태에서 구름 요소 베어링을 지지하는 SFD 성능을 확인하는 실험을 진행하였다. 실험 결과 심각한 진동 문제가 발생하였으며, 회전축에 높은 불균형 질량을 가할 경우, 시스템이 비선형 거동을 나타내는 것을 확인하였다. 이에 따라 SFD 적용시 적절한 오일 공급은 시스템 안정성에 매우 중요한 요소임을 밝혔다. San Andrés et al.[60]은 SFD의 누설을 막기 위해 사용되는 피스톤 링과 오링이 SFD의 강성 및 감쇠에 미치는 영향에 대해 실험적 연구를 진행하였으며, 해석 모델을 통해 비교 검증을 진행하였다. 실험을 통해 오일 누설이 억제되는 오링을 적용한 SFD가 피스톤 링을 적용한 모델보다 더 높은 강성과 감쇠를 나타내는 것을 확인하였다. 실험 조건을 고려한 해석 모델을 이용하여 예측한 강성 및 감쇠 계수는 측정 결과와 다소 차이를 보였다.

한편, SFD를 정압 베어링에 적용하고자 하는 연구도 이루어졌다. Ertas[61]은 외부 가압 틸팅 패드 저널 베어링에 적용되는 일체형 SFD에 대한 실험적 연구를 진행하여, 가진력과 가진 주파수가 동특성에 미치는 영향을 측정하여 분석하였다. 이를 통해, 가진 주파수를 증가시킬 경우 댐퍼의 강성이 증가하고 감쇠가 감소하였으며, 댐퍼에 공급하는 유체의 압력이 증가함에 따라 SFD의 공동이 작아지는 것을 확인하였다.

4. 결론

유체 윤활 베어링과 SFD의 실험적 연구와 해석적 연구는 매년 많은 수의 논문이 국제 저명 학술지에 발표되고 있으며, 다양한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 유체 윤활 베어링의 경우, 베어링의 하중지지력 향상을 위한 베어링 표면 텍스처 연구와, 작동 유체와 유동에 관한 연구, 그리고 조립상태와 마모에 따른 베어링의 정특성과 동특성을 규명하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한 SFD의 경우, 작동 유체 공급 압력과 댐퍼의 형상에 따른 동특성 규명과 감쇠 효과를 증진시키려는 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 

고속 회전기계의 응용분야가 점점 넓어짐에 따라 유체 윤활 베어링과 SFD의 적용이 확대되고 있으며, 이에 따라 연구의 양과 질 또한 계속 향상되고 있다. 본 연구를 통해, 최근 세계적으로 진행되고 있는 베어링과 SFD 에 관한 연구들은 보다 복잡한 작동 조건 및 물리 현상을 해석적 연구에 반영하고 있으며, 이를 통해 과거보다 더욱 실험 데이터와 근접한 결과들을 도출해 내고 있는 것을 알 수 있었다. 향후, 다양한 극한 작동 조건에서 운용될 수 있는 성능 및 특성을 가진 베어링 및 SFD에 관한 실험적, 해석적 연구들이 이어질 것으로 예상된다.

Acknowlegements

본 논문은 2018년 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 우주핵심기술개발사업(2018M1A3A3A02065864)의 지원을 받아 수행된 연구입니다.