Intelligent Machine Dynamics Lab
모튼이펙트 원인 규명을 위한 다중물리 수치해석 모델 개발
한국연구재단, 2018.3~2021.2
1. 본 연구의 중요성
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본 연구에서는 학계 및 산업계에서 아직 명확하게 제시하지 못한 회전체-베어링의 열적 불안정 현상(thermal instability phenomenon) 중 하나인 모튼이펙트 (Morton effect) 의 원인 및 해결책을 회전체-베어링 다중물리 수치해석 모델(Integrated Multi-Physics Numerical Model of Rotor-Bearing System) 을 통하여 규명하고자 한다. 모튼 효과 (Morton effect, ME)로 불리는 이 현상은 유체저널베어링 윤활시스템의 점성전단(viscous shearing)열, 유막내 열전도/대류 및 구조물의 열변형/전달에 의해 유발되는 회전체-베어링 시스템의 불안정 현상이다.
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주로 돌출 질량(overhung mass)이 있는 터보기계(turbomachinery) 에서 주로 나타난다. 저널이 동기 휘돌림(synchronous whirling)을 일으키는 동안 저널이 국부 가열(hot spot) 되며 이로 인한 저널의 열굽힘 및 유막 내에서의 열전도/대류가 복합적으로 작용하여 동적 불안정 현상으로 나타난다.
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모튼 이펙트의 원인 규명을 위한 실험을 통한 연구가 수차례 있었지만 실험장비에서의 매개변수 불확실성으로 인하여 정확한 원인 규명을 하지 못하였다.
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모튼이펙트는 매우 작은 설계변수 또는 운전변수의 변화(1% 이내의 유막두께 변화 또는 1% 이내의 구조물 열팽창 계수 변화)에도 민감하게 변화하는 것으로 알려져 있다.
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아래 그림과 같이 매해 모튼이펙트 관련 논문 출판 수가 꾸준히 증가하고 있으며 이는 아직 산업계 및 학계에서 이러한 문제를 지속적으로 겪고 있다는 것을 의미한다.
2. 연구가설 및 가설도출근거: 기존 연구로부터의 열적 불안정 현상 영향인자 분석
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기존의 산업계 및 학계의 연구를 통해 예측 되는 열적 불안정 현상 해결 사례를 정리하면 Table 1과 같으며 각 해결방안 들을 분류하면 다음과 같이 크게 다섯 가지로 나누어진다.
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베어링 형상 변경: 베어링 유막간극, 피봇 오프셋(offset), L/D 비율 등. 때에 따라서는 베어링 종류 변경.
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윤활 특성 변경: 점도, 점성계수, 윤활 공급 온도
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회전체 형상/재질 변경: 재질(Young’s modulus, 열팽창계수 등), 돌출된 질량(overhung mass), 불균형질량 등
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저널주변 열입력 차단 시공: 열장벽 슬리브(heat barrier sleeve)
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베어링 하중조건 또는 편심률(eccentricity ratio): 하중조건 변경을 통한 편심률 변화.
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이를 통하여 본 연구에서 회전체-베어링-댐퍼 통합 다중물리모델이 고려해야 할 설계변수들을 예상 할 수 있다. 베어링 또는 회전체의 역학적 조건 이외에도, 주변의 열경계조건 및 윤활유의 물리적 특성 또한 고려해야 함을 알 수 있다. 저널이 동기 휘돌림(synchronous whirling) 하는 동안의 최소 유막두께와 관련이 있다고 알려진 ME문제의 해결을 위하여 스퀴즈 필름 댐퍼와 연성피봇 저널베어링이 통합 된 통합스퀴즈필름댐퍼(Integrated Squeeze Film Damper, ISFD)가 문제 해결에 미치는 영향에 대해 연구하고자 한다.
3. 연차별 연구 목표 및 내용
