Air foil bearings are very attractive bearing system for turbomachinery because they have several advantages over conventional bearings in terms of oil-free environment, low power loss, long life and no maintenance. However, most of the developed machines using air foil bearings are limited to small and high speed rotors of 60,000 ~ 120,000 RPM, since the increase in power of turbomachinery requires lower rotor speed and greater loading in bearings, which makes it difficult to use air foil bearings for large machines. Nevertheless, the industrial sector gradually demands oil-free turbo machines to be applied in the new fields in relation to the advantages of energy saving, low vibration, low noise, and environment-friendly system. In this paper, the performance of an air-lubricated foil thrust bearing for application to a 75kW turbo machine has been investigated by an experimental approach. A simplified numerical elastohydrodynamic procedure is introduced and employed for optimal design of the bearing geometry under given design parameters. The effects of various operating conditions on bearing performance have been numerically predicted with the optimized geometry to assess the bearing’s behavior in the turbo machine. A rotor-bearing dynamic simulator was developed for the purpose of evaluating the performance of air foil thrust bearings under realistic dynamic environment. The test rig was equipped to provide a quantitative analysis of power loss by measuring temperatures and flow rate of cooling air. The objectives of the experimental study are to evaluate the performance of the bearing in terms of power loss, load capacity and axial movement by axial load. The results have been presented by applying uncertainty analysis with 95% confidence level considering uncertainties related to current experimental approach. According to the tests of the air foil thrust bearing designed by current method, the maximum load capacity is located between 800 N ~ 1000 N at 26,000 RPM. The power loss at the designed thrust load of 300 N was estimated to be 280 ~ 360 W at 26,000 RPM. Power losses with varying rotor speeds from 15,000 RPM to 28,000 RPM showed that the analysis model tends to underestimate the power loss at low speeds and overestimate at high speeds. The developed air foil thrust bearing was applied to a 75 kW turbo blower which is designed to be fully air-lubricated, air-cooled, and operating speed of 20,000 RPM ~ 26,000 RPM with maximum pressure ratio of 1.8. It was proved in the compressor performance test that the bearing offered excellent performance and reliability under a wide range of operating conditions including compressor surge. In addition, it is also shown that air foil bearings provide sufficient damping to pass critical speeds smoothly ensuring dynamically stable operation over the whole range. Conclusively, this work has demonstrated that air foil bearings have potentialities in the development of various competitive oil-free turbomachinery which has relatively low operating speed in industrial field.
공기 포일 베어링은 무급유 환경, 발열량, 수명, 유지보수성 등의 측면에서 기존 형식의 베어링에 비하여 많은 장점을 갖고 있기 때문에 터보기기의 베어링으로 사용하기에 매우 적합하다. 그러나, 공기 포일 베어링을 적용하여 개발된 대부분의 기계들은 회전속도가 60,000 ~ 120,000 RPM 범위의 작은 회전체를 가지는 소형기기로 제한되어 왔는데, 이는 회전속도의 감소와 더불어 베어링 하중이 증가하게 되는 대형기기에 하중 지지력이 약한 공기 포일 베어링을 적용하는 것이 어렵기 때문이다. 하지만, 산업현장에서는 에너지 효율성, 저진동, 저소음 및 환경친화성 등의 관점에서 유리한 무급유 터보기기에 대한 수요가 점진적으로 증가하는 추세이다. 본 논문에서는 75kW 터보기기에 응용하기 위한 공기 포일 추력 베어링의 성능에 대하여 실험적인 연구를 수행하였다. 먼저, 간단화된 수치 유체탄성역학 해석기법을 도입하여 주어진 해석 조건에서 베어링에 대한 형상 최적화를 수행한다. 그 다음에는 최적화된 베어링이 터보기기에 적용되었을 때의 거동을 고찰하기 위하여 다양한 작동조건이 베어링의 성능에 미치는 영향을 수치적으로 예측하였다. 그리고, 실제 기계에서의 유사한 작동환경에서 공기 포일 추력 베어링의 성능을 평가하기 위하여 로터-베어링 시험기가 개발되었는데, 이 시험기는 냉각 공기의 유량과 온도를 측정함으로써 베어링의 손실량을 정량적으로 분석할 수 있는 기능을 갖고 있다. 본 실험적 연구의 목적은 손실량, 하중지지력, 그리고 축하중에 따른 축방향 변위 관점에서 베어링의 성능을 평가하는 것이다. 실험결과는 실험기법에 내재해 있는 불활실성을 고려하기 위하여 95% 신뢰수준의 불확실성 분석을 수행하여 정리되었다. 실험결과에 의하면, 본 연구를 통하여 설계된 추력 베어링은 26,000 RPM에서 최대 하중 지지력은 800 N ~ 1000 N 범위에 있고, 설계 조건인 하중 300 N, 속도 26,000 RPM에서 베어링 손실량은 280 ~ 300 W로 평가되었다. 15,000 RPM ~ 28,000 RPM 사이에서 회전속도를 변화시키면서 평가한 베어링 손실량을 종합해보면, 해석 모델은 낮은 속도에서 과소평가하고 높은 속도에서는 과대평가하는 경향을 보임을 알 수 있었다. 개발된 공기 포일 추력 베어링은 75kW 터보 송풍기에 적용되었는데, 이 기계는 공기 베어링과 공기 냉각 방식을 적용하여 20, 000 RPM ~ 26,000 RPM에서 작동하며 최대 압축비는 1.8을 가진다. 압축기 성능시험을 통하여, 공기 포일 추력 베어링은 압축기 써지를 포함한 다양한 기계의 작동 범위에서 우수한 성능과 신뢰도를 가짐을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 공기 포일 베어링은 충분한 감쇄를 제공하여 송풍기가 전체 운전 구간에서 안정적인 진동 특성을 가지게 한다는 것을 알 수 있었다. 결론적으로, 본 연구를 통하여 공기 포일 베어링은 산업현장에서 요구하는 다양한 저속 친환경 터보기기를 개발하는 데 있어서 많은 가능성을 가지고 있음을 입증할 수 있다.
