Air foil bearings are self-acting bearings that use ambient air as the lubricating fluid. An air foil bearing consists of a smooth top foil and a series of bump foil strip supports, thus making the bearing surface compliant. Under the action of the hydrodynamic pressure, a relative motion between the bumps and their mating surfaces occurs. Therefore, the fluid film pressure must to be coupled to the deformation of the foil structure in order to ascertain the characteristics of the foil bearing performance. In addition, the friction between bumps and their mating surfaces exerts great influences on the static and dynamic characteristics of a foil bearing.
In this thesis, the foil structural model was proposed that takes into consideration the three-dimensional foil shape. In addition, the structural model in which effects of friction were considered was proposed. The foil structure was modeled using finite element method and the algorithm to take into account the friction was used. The results of analysis show that segments between bumps reduce the deflection variation along the bump longitudinal direction significantly compared to a separated bump. Therefore, the assumption of uniform foil structure deflection along the bearing width is proper to a certain extent. However, the three-dimensional shape of the foil structure should be considered for accurate predictions of the minimum film thickness or eccentricity ratio, particularly for heavy static loads. The predictions of the minimum film thickness for various top foil and bump foil thicknesses show that too small a top foil or bump foil stiffness may lead to a significant decrease in the load capacity due to excessive foil structure deflection and the foil stiffness variation does not increase the load capacity much under a simple foil structure. In addition, in the foil bearing multiple static equilibrium positions are presented for the one static load due to the friction. However, the effect of friction on the minimum film thickness which determines the load capacity of the bearing is negligible. Secondly, under the sinusoidal loading imposed by mass unbalance excitation, the hysteretic behavior of the bump foil is clearly observed. The shapes of hysteresis loops vary with bump position and friction coefficient. The results of unbalance response analysis show that the foil bearing is very effective on the restriction of vibration at the resonance frequency compared to the rigid surface bearings. For the case considered, the foil bearing presents about 30% less amplitude than the rigid surface bearing at the resonance frequency. This effectiveness depends on the design parameters and operating conditions. There exist optimum values of design parameters such as friction coefficient, bump foil stiffness and number of bump foil strips with regard to minimizing the amplitude at the resonance frequency. However, these optimum values are system dependent. Additionally, for decreasing amount of unbalance and number of bump foil strip or increasing friction coefficient, the resonance frequency increases due to the increase of structural stiffness of bump foil. The results also show that foil bearing is very effective on the restriction of sub-synchronous vibration compared to the rigid surface bearings. There also exist optimum values of friction coefficient and number of circumferential slit with regards to minimizing sub-synchronous vibration of foil bearing. Finally, the friction torque measured for various load shows good with predicted friction torques above rotating velocity of 30,000rpm.
공기 포일 베어링은 공기를 윤활제로 사용하는 베어링으로서 윤활면이 톱포일과 톱포일을 지지하는 범프포일로 구성되어 있다. 이러한 공기 포일 베어링의 윤활면은 공기막에서 발생된 압력에 의해 변형을 하는 특징을 가진다. 따라서, 공기 포일 베어링의 성능해석을 위해서는 공기막 압력과 포일 구조의 변형이 연성된 지배 방정식을 풀어야한다. 또한, 포일 구조 사이에 존재하는 마찰은 포일 베어링의 정, 동특성에 큰 영향을 미친다. 따라서 포일 베어링의 성능해석을 위해 본 연구에서는 포일 구조의 3차원 형상과 마찰이 고려된 성능해석 모델을 제안하였다. 이때, 포일 구조는 유한요소법을 사용하여 모델링을 하였고 마찰을 고려하기 위한 알고리즘을 범프 포일의 접촉점에 적용하였다. 해석 결과 범프와 범프를 연결하는 연결부의 강성이 포일 구조의 길이 방향으로의 변형을 균일하게 함을 보였으며, 따라서, 포일구조의 변형이 베어링 길이방향으로 일정하다는 가정은 타당한 것으로 판단된다. 그러나, 보다 정확한 성능해석과 특히, 포일 구조의 변형이 크게 발생하는 고하중 영역에서는 포일 구조의 3차원 형상에 대한 고려가 필요하다. 또한, 지나치게 작은 포일 구조의 강성은 포일 베어링의 정특성을 저하시킬 수 있음을 해석을 통해 보였다. 포일 구조 사이에 존재하는 마찰에 의해 포일 베어링에는 같은 하중에 대해 여러 개의 정적평형 위치가 존재할 수 있다. 그러나, 이러한 마찰이 포일 베어링의 하중지지능력을 결정하는 최소 공기막 두께에 미치는 영향은 작다.
회전 불균형 응답 해석을 통하여 포일 베어링은 강체 베어링에 비해 공진점에서 진동진폭을 30%정도 작아지게 할 수 있는 것으로 나타났으며, 공진점에서의 진폭을 최소화 할 수 있는 마찰계수, 범프의 강성, 범프포일 Strip의 개수등이 존재함을 보였다. 그러나, 이러한 최적의 설계변수는 시스템의 조건 및 운전조건마다 서로 다르게 나타났다. 또한, 마찰계수가 큰 경우, 회전불균형량이 작은 경우, 범프포일이 적은 수의 Strip으로 구성된 경우 범프포일의 강성이 증가하여 공진점이 되는 회전속도가 높아지는 결과를 보였다. 또한, 포일 베어링은 강체 베어링에 비해 Whirl 불 안정성에 의해 나타나는 Sub-synchronous 진동의 성장을 억제하는데 큰 효과가 있는 것을 해석을 통해 보였다. 이러한 포일 베어링의 Sub-synchronous 진동 억제 효과는 포일 구조의 강성이 작을수록 크며, 이러한 효과를 최대화 할 수 있는 최적의 마찰 계수와 범프포일 Strip의 개수가 존재하였다. 마지막으로 실제 제작된 포일 베어링에 대한 마찰 토크 실험을 통하여 30,000rpm 이상의 회전속도에서 실험을 통해 측정된 마찰 토크가 이론 해석결과와 잘 매칭이 됨을 확인하였다.
