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본 특집 논문에서는 2023년 발간된 국내 학술대회 발표자료 및 학술지 중에서 회전체동역학 관련된 연구를 분석하여 정리하였다. 회전체동역학은 그 단어에서 의미하는 바와 같이 회전하는 구조물의 동적 특성을 연구하는 학문이다. 하지만 이러한 회전하는 구조물의 진동 특성은 회전하지 않는 구조물의 진동과 다른 특성을 가진다. 그 중에서도 회전기계를 지지하는 베어링에서 발생하는 윤활, 마찰 및 마모 현상은 회전체 동적 특성의 많은 부분 지배하며, 때로는 작동유체의 누설을 방지하기 위해 사용되는 씰에서 발생하는 유체역학적인 힘이 회전체의 진동문제를 일으키기도 한다. 그 외에도 모터, 댐퍼, 임펠러 및 기어 요소 등에서 발생하는 힘이 회전체 진동문제와 깊은 관련이 있다.

본 특집 논문에서 다루는 관련 연구들을 보면 알겠지만, 회전체 구조물의 진동만을 다루는 연구는 흔하지 않으며, 대부분의 연구들은 회전체 구조물 주변의 기계요소와 관련된 연구들이다. 이 중에서도 베어링(저널베어링, 구름베어링, 자기베어링) 및 씰과 관련된 연구들이 주를 이룬다.

회전체 시스템은 디스크 손상, 베어링 결함 등의 여러 요인에 의해 고장이 발생할 수 있으며 이는 전체 시스템의 효율성과 안정성을 크게 저하시킬 수 있다. 따라서 회전체 시스템의 효율성과 안정성을 확보하기 위해 정확한 고장 진단, 해석 기법이 제안되고 있다.

이정욱 등⁽¹⁾ 은 회전 축계 형상과 베어링 위치가 정해진 상태에서 최적의 베어링 설계를 위한 모델을 개발하였다. 유전알고리즘을 사용하였으며 설계변수로는 베어링 종류, 축경비, 예압량, 하중 방향, 간극률과 윤활유 종류를 사용하였다.

이준규 등⁽²⁾은 MBD 모델과 PR(확률 잔차) 보정을 통해 회전체 시스템의 정상 및 고장 데이터 부족 환경에서 효율적인 시뮬레이션 모델 제작과 데이터 생성 가능성을 보였으며, Bently-Nevada Rotor Kit를 사용한 실험으로 모델을 검증하였다.

서동찬 등⁽³⁾은 불연속적인 구조를 갖는 타이로드 로터의 커빅커플링의 탄-소성 해석을 통해 접촉 강성을 예측하였으며, 이를 고려한 회전체 시스템을 Timoshenko 빔 모델을 통해 유한요소 해석을 진행하여 위험 속도와 모드 형상을 예측하였다.

전영주 등⁽⁴⁾은 항공용 가스터빈의 엔진 축계 시스템을 모사한 모의 진동시험 장치를 개발하여 동특성을 분석하였다. 또한 2차원 해석 모델을 통한 고유 진동수와 모드형상을 모달시험과 비교 제시하였다.

이동민 등⁽⁵⁾은 소형 테스트 베드를 대상으로 다물체 동역학 기반의 회전체 시스템의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 로터-베어링 시스템의 해석을 통해 고장 데이터 생성 및 결함을 확인하였으며, 실제 테스트 베드에서 취득한 데이터를 통해 모델을 보정 및 검증을 수행하였다.

장민준⁽⁶⁾은 틸팅패드 저널베어링을 사용하는 회전체 시스템의 정적, 동적 경사 환경에서 켐벨 선도, 조화응답 해석과 과도응답 해석 등 회전체동역학 해석을 진행하였다. 저널베어링의 지지하중이 감소하고 강성이 감소할 수 있음을 보였고, 시스템의 진동이 증가할 수 있음을 확인하였다.

이동현 등⁽⁷⁾은 강체 로터에서 복소 좌표계를 기반으로 방향성 주파수 응답 함수를 활용한 회전체 동역학 해석을 소개하였다. 회전체 응답의 Conjugate 모드를 구분할 수 있고, 비등방성 로터에서 발생하는 모드별 진동의 크기를 구분할 수 있음을 확인하였다.

김원빈 등⁽⁸⁾은 수윤활 저널 베어링의 와동 점성을 고려한 전단 응력을 기반으로, 난류 영역의 Reynolds equation을 도출, Perturbed Reynolds equation을 사용해 동적 계수를 구하여 시스템 동적 불안정성을 분석하였다. 층류 해석과 비교하여 난류 해석은 편심율이 낮은 영역에서는 동일한 안정성을 보였으나, 편심율이 높은 영역에서는 불안정성 영역이 증가함을 확인하였다.

오일 베어링은 윤활 유체로 오일을 사용하여 회전축과 베어링을 분리한다. 구름 베어링보다 고속에서 높은 하중 지지력을 가지고, 소음이 적으며 수명이 길다는 장점이 있다. 하지만 오일 베어링은 윤활유 온도에 따라 베어링 성능이 큰 영향을 받는 단점을 가지고 있다. 따라서 베어링과 윤활유 온도가 베어링 성능에 미치는 영향을 연구하는 것이 중요하다.

구름 베어링은 낮은 마찰, 높은 정밀도와 강성, 유지보수의 용이성 그리고 경제성 등을 이유로 자동차, 항공기 등 다양한 분야에서 사용되며, 크게 볼, 롤러 베어링의 종류로 구분 된다.

김선제 등⁽³⁵⁾은 케이지 속도 및 슬립에 의한 베어링 발열량 간의 관계를 규명할 수 있는 근사모델을 제시하였고, 이를 토대로 베어링 발열량으로부터 케이지 속도를 예상하였다.

박지수⁽³⁶⁾는 회전축 조립에 의한 영향, 온도에 의한 영향, 회전에 의한 간극 변화 영향을 고려한 베어링 작동간극 계산 수식을 수립하였고, 기존 문헌 상의 베어링의 내/외륜 온도 시험데이터를 활용, 작동 중의 베어링의 내륜, 롤러, 외륜의 반경방향 변형량과 응력, 작동간극 변화를 분석하였다.

이경구 등⁽³⁷⁾은 실제 시스템에서의 구름 베어링 수명을 FEM과 베어링엑스를 사용하여 검토하였다. 이는 베어링 장착 주변부를 강체로 고려한 경우와 주변부의 강성을 고려한 경우 2 가지에 대해 수행되었다.

이민혁 등⁽³⁸⁾은 열적 효과를 고려한 ACBB(Angular Contact Ball Bearing)의 하중분배 결과를 토대로 주요 설계 요구 조건인 강성, 피로 수명 그리고 발열량을 최적화하는 알고리즘을 제시하였다.

이어서 이민혁 등^(39∼40)은 기존 Hertz 접촉 이론을 사용하던 ACBB(Angular Contact Ball Bearing) 하중 분배 이론에서 탄성유체윤활(Elasto HydrodynamicLubrication)을 적용하였을 때 피로수명 및 베어링의 동특성이 어떻게 변화하는지에 대해 연구하였다.

사진혁 등⁽⁴¹⁾은 아치거리의 변화가 외륜 분할 볼 베어링(Split-outer-ring 3 Point Contact Ball Bearing, OY-ACBB)의 주요 특성, 그중에서 접촉점의 변화에 어떤 영향을 미치는지 검토하였다.

김병직 등⁽⁴²⁾은 단순 추력을 받는 깊은 홈 볼 베어링에 대해 적절한 예압을 설정하는 기준을 간단한 모델로부터 유도하였다.

박신향 등⁽⁴³⁾은 CFD 해석을 통해 대류 열전달계수 상관식을 정립하였고, 열 네트워크 모델(Thermal network model)을 사용해 구름 베어링의 온도를 예측하였다.

Taylor 등⁽⁴⁴⁾은 ADORE와 FORTRAN-90을 기반으로 가스터빈 엔진의 주축용 볼 및 롤러 베어링에 대한 기하학적 구조와 입력 조건을 분석하였으며, 열 발생 및 피로 수명을 포함한 다양한 성능 변수의 개선과 설계 방법론을 제시하였다.

김태우 등⁽⁴⁵⁾은 DTRB(Double-row Tapered Roller Bearing)로 지지된 유한 요소 오버헝 회전축 수치해석 모델을 정립하였으며, DTRB의 강성 특성을 설명하고 동시에 베어링의 지지 위치, 예압, 롤러 프로파일 등과 같은 DTRB지지 특성에 따른 RBR 시스템의 진동 특성 및 접촉 압력을 예측하였다.

김성기 등⁽⁴⁶⁾은 볼 원심력이 베어링 피로수명과 한계 운전 속도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 반경 방향의 하중이 없고 축방향 예압만을 받는 깊은 홈 볼 베어링을 대상으로 상용 해석 소프트웨어를 사용하여 베어링의 등가 기준 하중과 볼 자전/구름 비를 해석하였다.

이영도 등^(47-49)은 LNG 펌프용 볼 베어링의 열화 및 고장 발생과정에서의 케이지의 거동을 측정하였다. 이를 토대로 베어링의 고장이 발생하는 과정에서 같은 케이지의 오빗(orbit)이 선명해지고, 액체질소가 기화되는 것을 확인하였다.

이어서 이영도 등^(48∼49)은 LNG 고압 펌프용 볼 베어링의 수명 시험을 진행하여 케이지가 열화됨에 따라 나타나는 케이지의 거동을 측정하고 분석을 진행하였으며, LNG 펌프용 베어링의 개발과정에서 극저온 안데론미터와 극저온 볼 베어링 시험장치, 두 가지 트리보 시험장치를 개발하였다.

자기베어링은 일반적인 오일 베어링과 비교하여 오염, 마찰, 마모에 강하며, 하중지지 능력과 감쇠를 조절할 수 있는 장점이 존재한다.

하윤석 등⁽⁵⁰⁾은 공기 포일 베어링(AFB)와 능동 자기 베어링(AMB)을 조합한 하이브리드 스러스트 베어링을 설계하였다. 여기 신호(exciltation signal)를 활용하여 베어링의 대역폭과 동적 계수를 추출하였다.

박철훈 등⁽⁵¹⁾은 하이브리드 호모폴라 자기베어링의 설계 절차를 제시하였다. 위험 속도와 불균형 응답을 예측하고, 자이로스코프 효과가 큰 로터 제어를 위해 베어링 제어기에 크로스 피드백 컨트롤러 및 불균형 제거 컨트롤러를 설계하였다. 샤프트 회전 시험과 무부하 회전 시험을 통해 베어링의 부상 성능과 제어 알고리즘의 안정성을 확인하였다.

노명규 등⁽⁵²⁾은 능동자기베어링의 궤환제어를 위한 제어기 설계의 파라미터를 sine-sweep 실험과 최소자승법을 통해 실험적으로 추정하였다.

이영환과 장지욱⁽⁵³⁾은 히트펌프 압축기의 요구 사양을 바탕으로 회전축과 자기베어링의 기본 설계를 진행하였다. RoDAP을 이용하여 회전체 시스템의 안정성 해석을 수행하였다.

임호민 등⁽⁵⁴⁾은 최대 15 krpm의 축 및 스러스트 칼라 회전 조건에서 하이브리드 스러스트 베어링의 정하중 특성과 동하중 특성을 실험적 및 해석적으로 규명하였다. 지배방정식에서 난류 유동을 고려하였으며 축 회전 속도의 동기주파수를 적용하여 동하중 계수를 예측하였다.

허준원 등⁽⁵⁵⁾은 존의 리세스 구조를 가지는 유체 베어링은 압축성 유체를 작동 유체로 외부 가압 시 뉴매틱 해머 불안정성이 나타날 가능성이 높은 단점을 극복하는 것을 목표로, 적층 제조 공법 중 하나인 DMLM(Direct Metal Laser Melting)방식으로 다수의 오리피스 구조를 가지는 하이브리드 저널 및 스러스트 베어링 제작 연구를 진행하였다.

위민수 등⁽⁵⁶⁾은 고속 터보기계용 유체 베어링 시험평가를 위한 볼 베어링 및 스퀴즈 필름 댐퍼로 지지되는 초고속 고출력 전기모터를 개발하고 성능평가를 수행하였다.

김지한 등⁽⁵⁷⁾은 유체 베어링 및 씰의 성능 예측을 위한 해석 툴을 개발하고 이를 검증하였다.

김예슬 등⁽⁵⁸⁾은 외부 가압 스러스트 베어링 수직 실험 장치를 개선하는 연구를 수행하였다. 개선된 실험 장치는 스러스트 칼라의 변형을 방지하고, 정렬과 조립이 용이하도록 제작되었으며, 측정한 정하중 특성을 해석 결과와 비교하였다.

정현성 등⁽⁵⁹⁾은 극저온 터보펌프용 유체 정압 베어링의 설계 파라미터에 대한 연구를 수행하였다. 베어링 단품 성능에 영향을 미치는 다양한 파라미터를 조사하기 위해 실제 극저온 환경에서 실험하고 이를 예측과 비교하였다.

김규만 등⁽⁶⁰⁾은 액체 질소로 작동하는 하이브리드 저널 베어링에서 측정된 비선형적 거동을 분석하기 위하여 연속적으로 측정된 데이터를 조사하였다.

전성민 등⁽⁶¹⁾은 100톤급 다단 연소 엔진 터보펌프의 회전체동역학 해석을 수행하여 임계속도를 예측하고 안정적인 작동이 가능한지 여부를 검토하였다.

씰은 터보기계 고압부에서 저압부로의 작동유체 누설을 막기 위한 장치이다. 씰의 누설유량은 회전기계의 효율에 큰 영향을 미치는 기계이지만, 얘기치 않은 회전체진동문제를 일으키기도 한다. 씰 관련 연구는 누설량만을 다루는 연구와 누설량과 회전체동역학적 성능을 함께 다루는 연구로 나눌 수 있다. 본 연감에서는 회전체동역학적 특성과 관련된 씰 관련 연구만을 다루고자 한다.

문민주 등⁽⁶²⁾은 는 회전체 시스템의 안정성을 보장하는 최적의 TOS(tooth on stator) 래버린스 씰을 설계하기 위해 Bulk Flow Model(BFM)을 이용하여 래버린스 씰의 동특성 계수와 누설유량을 예측하였다. 이후 예측된 래버린스 씰 동특성 계수를 사용하여 회전체 시스템의 동적 안정성 예측에 사용하였다.

문민주 등⁽⁶³⁾은 1체적(one-control-volume) BFM을 사용하여 래버린스 씰의 누설량과 회전체 시스템의 동특성이 고려된 최적의 TOS(tooth on stator) 래버린스 씰을 설계하였다. 멀티그리드 방법을 사용하여 설계 가능한 모든 씰 모델에 대하여 누설유량 및 회전체동역학적 성능을 비교하여 최적의 씰 설계변수를 도출하였다.

김보람 등⁽⁶⁴⁾은 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX를 이용해 원심펌프 임펠러의 슈라우드 표면 유체력에 기인한 회전체 동역학적 성능을 예측하였다.

회전체동역학 관련 국내 학술대회 발표는 주로 유체기계학회와 트라이볼로지학회 학술대회를 통해 이루어지고 있다. 분야에 따라 다르지만 한국항공우주학회 및 기계학회 학술대회를 통한 발표도 이루어지고 있다.

앞에서 발표된 문헌들을 살펴본 바와 같이 회전체동역학이라는 학문은 회전체 구조물 자체의 구조적인 문제만을 다루기보다는 회전체를 지지하는 베어링과 작동유체에 의한 힘을 함께 이해하고자 하는 학문으로 볼 수 있다.