다양한 리세스를 갖는 커플된 저널-스러스트 정압 베어링의 정적 성능에 대한 실험적 연구 = Experimental study on the static performance of coupled journal-thrust hydrostatic bearings with various recesses.

국문 초록 (Abstract)

유체 정압 스러스트 베어링(Hydrostatic Thrust Bearing)은 외부에서 공급되는 가압 유체가 축과 베어링 사이에 유막을 형성하여 비접촉 상태로 하중을 지지한다. 이는 표면 상대속도에 의해 압력이 자가 형성되는 유체동압 베어링과 달리, 외부에서 가압된 유체가 직접 압력장을 만들어 저속·정지 상태에서도 안정적인 지지가 가능하다는 점이 핵심적이다. 하지만 외부 유량이 필수적이므로 유량 대비 지지력 효율을 높이기 위한 연구가 필수적이다. 본 연구는 유체 정압 스러스트 베어링의 리세스(Recess) 형상 및 유무가 정적 특성(하중지지능력, 유량, 유막강성 등)에 미치는 영향을 규명하고, 저널과 스러스트가 커플링된 베어링 유닛으로 전환하여 동일한 하중 조건에서 기존 베어링과의 정적 특성을 비교·분석한다. 작동유체는 압축성 유체인 공기이며 베어링은 총 4가지 유형으로 단순 오리피스(Orifice Type), 사각 리세스(Square recess), 삼각 리세스(Triangular recess), 링 그루브(Ring groove) 유형이 있다. 각 유형별 고유 정특성을 측정 및 분석하였으며 유형별 비교를 수행하였다. 실험 결과 뉴매틱 해머가 발생하는 리세스 베어링은 스러스트 칼라와의 터치다운이 발생했으며 작용 하중이 커져 유막의 강성이 증가함에 따라 그 빈도가 줄어들었다. 유막 강성은 리세스 유무 및 형상에 영향을 받지 않는 것으로 밝혀졌다. Lift off pressure는 리세스 체적이 가장 큰 삼각 리세스가 가장 적은 부상 압력을 필요로 하여 초기 부상 성능이 우수함을 확인하였다. 또한 뉴매틱 해머가 발생하는 구간의 FFT를 진행해본 결과 리세스 체적에 비례하여 지배 피크값이 상승하였으며 배수 및 분수 성분이 선명해지는 경향이 확인되었다. 이후 베어링의 배기홀을 막아 베어링 유닛으로 전환하여 최대하중 조건에서 기존 베어링과 베어링 유닛의 정특성을 비교하였다. 그 결과 베어링 유닛의 Lift off 압력은 감소하였다. 이후 같은 동일 공급 압력 조건에서 유막두께가 더 크게 형성되었고 필요 유량 또한 증가하는 경향을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A hydrostatic thrust bearing supports load in a non-contact state by forming a lubricating film between the shaft and the bearing using externally supplied pressurized fluid. Unlike hydrodynamic bearings, in which pressure is self-generated by relative surface velocity, the externally pressurized fluid in a hydrostatic bearing directly establishes the pressure field, enabling stable support even at low or zero speed. However, because an external supply flow rate is indispensable, improving the load-carrying efficiency with respect to the supplied flow rate is an important issue. This study investigates the influence of the presence and geometry of recesses in hydrostatic thrust bearings on their static characteristics (load capacity, flow rate, film stiffness, etc.), and compares the static performance of a coupled journal–thrust bearing unit with that of the original bearing under identical load conditions. Compressed air is used as the working fluid, and four bearing types are examined: a simple orifice type, a square recess, a triangular recess, and a ring groove. The inherent static characteristics of each type are measured and analyzed. The experimental results show that, in recessed bearings where pneumatic hammer occurs, touchdown of the thrust collar is observed, and its frequency decreases as the applied load and film stiffness increase. Film stiffness is found to be insensitive to the presence and geometry of the recess. The triangular recess, which has the largest recess volume, exhibits the lowest lift-off pressure, indicating superior initial lift-off performance. FFT analysis of the region where pneumatic hammer occurs reveals that the dominant peak magnitude increases with recess volume and that harmonic and subharmonic components become more pronounced. After blocking the exhaust ports to form a bearing unit, the lift-off pressure of the unit decreases, while under the same supply-pressure conditions the film thickness increases and the required flow rate also tends to increase.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 문헌조사 1
• 1.2 연구 목적 5
• 2. 정압 스러스트 베어링 및 단품 실험장치 소개 6
• 2.1. 정압 스러스트 베어링 소개 6
• 2.2. 실험장치 구성 9
• 3. 실험 방법 12
• 4. 실험 결과 13
• 4.1. 시간에 대한 공급 압력에 따른 유막 두께 13
• 4.2. 베어링 유형별 정적 특성 비교 15
• 4.3. 유막 강성 17
• 4.4. Lift off pressure 20
• 4.5. 유형별 FFT 분석 및 비교 21
• 5. 베어링 유닛 정특성 실험 결과 25
• 6. 결론 29
• 참고문헌 31
• Abstracts (English) 34
• Acknowledgments 36
• 부 록 37