동력 손실 저감 및 회전체 동역학적 안정성 향상을 위한 수윤활 테이퍼드 랜드 스러스트 베어링 설계 = Design of a Water-Lubricated Tapered-Land Thrust Bearing for Power-Loss Reduction and Improved Rotor Dynamic Performance.

국문 초록 (Abstract)

캔드 모터 펌프(Canned Motor Pump, CMP)는 원자로 냉각 펌프나 소형 워터펌프 등에 사용되며, 작동 유체가 내부 베어링의 윤활제로 직접 사용되는 구조적 특징을 가진다.
CMP는 별도의 오일 윤활 장치가 불필요해 구조가 단순하고 누설이 없다는 이점을 갖지 만, 물과 같은 저점도 윤활유를 사용하는 경우에는 베어링 내부의 유체 동압 형성이 제 한되어 동력 손실 증가와 효율 저하가 발생할 수 있다.
특히 소형 워터펌프에서는 임펠러에서 발생하는 축방향 추력을 지지하기 위해 저널 베 어링의 측면을 스러스트 베어링으로 겸용하는 경우가 많다. 이러한 평면(Flat-land) 형상 은 물리적 쐐기가 형성되지 않아 유막 압력 생성이 제한적이며,결과적으로 표면 간의 접 촉을 통해 추력을 지지하게 된다. 이에 따라 마찰 손실이 급격히 증가하고 펌프 효율이 저하되며, 장시간 운전 시 시스템 신뢰성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 테이퍼드 랜드(Tapered-land) 형상을 적 용한 수윤활 스러스트 베어링 최적설계를 수행하였다. 본 논문은 (1) 기존 평면형 스러스 트 베어링을 적용한 축계의 회전체 안정성 및 동력손실 평가, (2) 다목적 유전알고리즘 (Multi-Objective Genetic Algorithm, MOGA)을 활용한 설계변수 최적화, (3) 데이터 기반 상관분석 및 권장 설계 영역 제시의 세 단계로 구성된다.
먼저, 축계를 5자유도 티모셴코 빔(Timoshenko beam)으로 수치 모델링 후 고유값 분석 및 조화가진응답 해석을 수행하였다. 이를 통해 시스템의 안정성을 평가하였고, 스러스 트 베어링에서 발생하는 동력손실을 계산하였다.
이후 동일한 운전 조건에서 테이퍼드 랜드 스러스트 베어링을 대상으로 다목적 유전알 고리즘을 적용하여 동력손실, 진동진폭, 최소 유막두께를 동시에 고려한 최적설계를 수 행하였다. 설계 변수로는 반경비, 패드 수, 테이퍼 깊이, 테이퍼 각도 비율, 표면 조도를 선정하였으며, 각 조합에 대한 베어링 성능 및 회전체 안정성을 수치적으로 평가하였다.
최적설계에서 도출된 세 가지 대표 설계를 축계 모델에 적용하여 동력손실과 회전체 안 정성을 평가한 결과, 수윤활 환경에서도 베어링 형상 개선만으로 동력손실 저감과 회전 체 동적 안정성 확보가 가능함을 확인하였다.
또한, 최적설계 과정에서 축적된 데이터를 바탕으로 스피어만 순위 상관분석(Spearman rank correlation analysis)을 수행하여 각 설계변수가 목적함수에 미치는 영향을 분석하였 다. 부분의존도(Partial Dependence Plot, PDP) 분석을 통해 설계변수 변화에 따른 목적함 수의 비선형 변화를 확인하였으며, 이를 이용해 해당 시스템에서 축계 안정성을 저해하 지 않으면서 동력손실을 저감할 수 있는 설계 민감도 완화 구간을 도출하였다. 이를 바 탕으로 해당 수윤활 스러스트 베어링의 형상 설계 시 적용 가능한 권장 설계 영역을 제 시하였다.
본 연구에서 수행한 설계 과정은 다양한 형상 및 작동 조건을 갖는 수윤활 베어링 시 스템에도 확장 적용이 가능하며, 향후 고효율· 고신뢰 베어링 설계를 위한 데이터 기반 설계 기법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 동향 1
• 1.2 연구 목적 4
• 제 2 장 수치 모델 6
• 2.1 평균 레이놀즈 방정식 (Average Reynolds Equation) 6
• 2.1.1 저널 베어링 평균 레이놀즈 방정식 6
• 2.1.2 스러스트 베어링 평균 레이놀즈 방정식 9
• 2.1.3 유동계수 (Flow Factors) 12
• 2.2 GreenwoodTripp 접촉 모델 20
• 2.2.1 평균 접촉압력 및 하중 20
• 2.2.2 접촉 모델 파라미터 설정 21
• 2.3 스러스트 베어링 동력손실 모델 22
• 2.4 회전체 동역학 모델 22
• 2.4.1 축요소 행렬 23
• 2.4.2 회전체 구성요소 행렬 25
• 2.4.3 로터 시스템 운동방정식 27
• 2.4.4 고유값 해석 및 안정성 평가 지표 28
• 2.5 유전 알고리즘 기반 최적설계 31
• 2.5.1 유전알고리즘 31
• 2.5.2 유전알고리즘 기반 최적화 절차 31
• 2.5.3 설계 변수 및 목적함수 32
• 제 3 장 결과 및 고찰 35
• 3.1 초기 축계 안정성 및 동력손실 해석 35
• 3.2 다목적 유전알고리즘 (NSGA-II) 을 활용한 최적설계 41
• 3.3 설계 변수 민감도 분석 47
• 제 4 장 결론 55