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터보 컴프레셔용 복합재료 틸팅 패드 저널 베어링의 오일 공급 중단 상황에서의 내구성 연구
최강영 ( Kang-yeong Choe ),정민혜 ( Min-hye Jung ),유준일 ( Jun-il You ),송승아 ( Seung-a Song ),김성수 ( Seong-su Kim ) 한국복합재료학회 2016 Composites research Vol.29 No.3
터보/컴프레셔(Turbo compressor)용 틸팅 패드 저널 베어링(Tilting pad journal bearing)은 고속, 고하중의 주축(Rotor)을 지지하는 역할을 하며, 화이트 메탈(White metal)이 대표적인 소재로 널리 사용되어왔다. 그러나 예기치 않은 윤활유 공급 중단 상황(Oil cut situation) 또는 베어링과 주축 사이에 유막(Oil film)이 제대로 형성되지 않을 경우, 기존의 화이트 메탈 베어링은 융착(Seizure) 현상에 의해 바로 정지하게 되고 주축에 심각한 손상을 유발한다. 이러한 융착 문제를 해결하기 위해 기존의 화이트 메탈에 비해 높은 비강성, 비강도 그리고 뛰어난 마찰 특성(Tribological characteristic)을 가지는 탄소섬유 강화 복합재료(Carbon fiber reinforced composite)가 틸팅 패드 저널 베어링에 사용될 수 있다. 본 연구에서는 고 내열성 탄소섬유/에폭시 복합재료 틸팅 패드 저널 베어링의 오일공급 중단 상황에서의 내구성에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위해 상온 및 오일공급 중단상황의 고온에서 인장, 압축, 전단 등의 기초적인 복합재료 물성 실험을 진행하였고, 복합재료 틸팅 패드 저널 베어링에 있어 가장 중요한 물성인 층간 계면 강도를 측정하기 위해 Short Beam Shear 실험을 진행 하였다. 오일 공급 중단 상황에서 복합재료 틸팅 패드 저널 베어링의 파손(Failure) 가능성을 알아보기 위해 유한 요소 해석(Finite element analysis)을 진행함으로써 베어링 표면에 가해지는 최대 응력을 도출하였고, 해석 결과와 물성 시험으로부터 측정된 강도 값을 이용하여 Tsai-Wu Failure index를 계산하였다. 해석 결과를 검증하기 위해 산업용 테스트 벤치를 이용하여 탄소섬유/에폭시 복합재료로 제조된 틸팅 패드 저널 베어링의 오일 공급 중단 실험을 진행하였다. The tilting pad journal bearing for the turbo compressor application has a role to support high speed and heavy loading rotor. White metal has been widely used for the bearing material but the conventional bearing is immediately suspended and induces serious serious damage to the rotor under the unexpected oil cut situation or the insufficient oil film formation. The carbon fiber reinforced composite having high specific stiffness, specific strength and excellent tribological characteristics can solve these seizure problems. In this work, the study on the durability of high thermal resistance carbon fiber/epoxy composite tilting pad journal bearing under oil cut situation was conducted. The material properties of the composite materials including tensile, compressive and interlaminar properties were measured at room and high temperature of oil cut situation. To investigate the possibility of failure of composite tilting pad journal bearing under oil cut situation, the stress distribution of the composite bearing was analyzed via finite element analysis and the Tsai-Wu Failure index was calculated. To verify the failure analysis results, the oil cut tests for the composite tilting pad journal bearing were conducted using industrial test bench.
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