Development of Analytical Model for Performance Evaluation of Self-Equalizing Tilting Pad Thrust Bearing

Abstract

스러스트 베어링에 있어서 스러스트 칼라(collar)와 베어링 면은 모든 패드가 동일한 하중을 공유 할 수 이도록 평행을 유지해야 한다. 그러나 종종 로터(rotor)가 오정렬되어 있는 경우 일부 패드가 다른 패드보다 더 많은 하중을 지지하게 되고 특정 패드에 설계 하중 보다 과도한 하중이 가해지면서 고온 또는 마찰로 인해 손상이 발생 할 수 있다. 제한적이지만 일정량의 정렬불량을 허용할 수 있는 베어링이 개발되었으며, 이러한 베어링을 자동 정렬 스러스트 베어링(self-equalizing thrust bearing)이라고 한다. 자동 정렬 스러스트 베어링은 각 패드는 이중 레벨링 블럭(leveling block)으로 지지되어 있으며 상단과 하단의 레벨링 블럭이 링크(link) 구조를 이루고 있다. 정렬불량이 발생하면 하중이 집중되는 패드의 지지 블럭이 아래로 밀리고 링크에 의해 반대쪽 패드가 밀어 올려지면서 전체적으로 스러스트 칼라 면과 베어링 면이 평행을 유지할 수 있도록 도와준다. 이러한 자동 정렬 스러스트 베어링은 필연적으로 정렬불량이 발생하는 터빈(turbine)과 같은 고성능 회전기기에 사용되고 있으나, 현재까지는 자동 정렬 특성을 고려한 정확한 성능 평가가 이루어지지 않았다. 정확한 성능 예측이 어려움에 따라 베어링의 크기를 충분히 크게 하여 설계 허용 하중에 여유를 갖고 설계되었다. 그러나 산업의 발달에 따라 베어링도 컴팩트한 설계 및 효율 증가가 요구되어 있어 자동 정렬 스러스트 베어링의 성능을 정확하게 평가하는 것이 필요하게 되었다. 자동 정렬 스러스트 베어링의 성능을 평가하기 위해 정렬불량이 발생하였을 때 각 패드에 작용하는 힘을 예측해야 한다. 특히 일반 베어링에 비해 자동 정렬 스러스트 베어링에 집중되는 하중이 더 적다고는 하나 정렬불량이 없을 때와 같이 전 패드에 동일한 하중이 작용 할 수는 없기 때문에 자동 정렬 스러스트 베어링에서 각 패드에 작용하는 하중을 평가하는 것이 중요하다. 스러스트 패드를 지지하는 이중 레벨링 블럭이 링크를 이루고 있는 정렬 시스템의 메카니즘(mechanishm)을 분석하고 이에 대한 동력학 모델(kinetics model)을 도출하여 자동 정렬 스러스트 베어링의 하중 지지 성능을 예측 할 수 있는 해석 모델(analytical model)을 개발하였다. 또한 이 해석 모델(analytical model)을 적용한 스러스트 베어링의 유막 및 패드에 대한 열-유체역학적 해석(thermal-hydrodynamic analysis)을 통해 베어링 운전 성능을 예측하고 이를 실험 데이터와 비교하여 그 신뢰성을 검증하였다. 본 연구를 통해 규명된 정렬 시스템의 메커니즘을 이용해 자동 정렬 틸팅 패드 스러스트 베어링의 성능을 보다 정확하게 예측하여 할 수 있으며, 이를 이용하여 더욱 효율적인 베어링 설계가 가능할 것으로 기대된다.