About four decades ago, the invention of a squeeze film damper (SFD) has compromised with the dilemmatic characteristics of the conventional bearings, such as ball and journal bearings. Kinematically, the SFD is a kind of journal bearing in which the journal can only vibrate or whirl but not spin: the outer raceway of the rolling element bearing, or an attached sleeve, serves as the journal of the SFD. It is usually slotted or restrained loosely with a pin to prevent spin. The most important effect of non-rotating journal is that a rotor supported on SFDs does not execute oil whip, i.e., SFDs are rotordynamically stabilizing at all rotational speeds. Generally, the dynamic behavior of such a rotor system depends strongly upon the dynamic characteristics of the SFD in service and, therefore, it is important to know the characteristics of the SFD accurately.
Recently, the trends in turbomachinery seeking for a greater power output per unit of weight, and for higher speed and lighter weight power transmission shaft, demand a need for the development of flexible rotor and shaft technology. The implementation of a lightweight flexible shaft for power transmission brings the apparent advantages of having fewer parts, a less complex mechanism, and more efficiency. However, the flexibility of such a shaft makes it more sensitive to small unbalances and often results in an instability problem as disturbances, such as component shift, wear and corrosion, act on the shaft. Therefore, researches in the area of developing a controllable damper that works in active or semi-active way have been paid much attention by both researchers and engineers. Among the vigorous activities, semi-active SFDs using controllable fluids, such as electro-rheological (ER) and magneto-rheological (MR) fluids, instead of conventional lubricants are initiated recently. Especially, MR fluids are non-colloidal suspensions of polarizable particles having a size on the order of a few microns and respond to the applied magnetic field with a change in rheological behavior. Typically, this change can be characterized by the development of a yield stress that monotonically increases as the strength of an applied magnetic field increases.
The present work mainly discusses the modeling of an MR fluid based semi-active SFD (MR-SFD) and evaluation of its control performance against unbalance responses when applied to a rotor-bearing system. As the preliminary step, the conventional SFDs are theoretically analyzed and experimentally identified: sealing and central feeding groove effects are studied to improve the accuracy of a conventional dynamic model. As proceeding to the main subject, it is tried to identify an accurate dynamic model of the proposed MRSFD because a sophisticated modeling plays the most essential role in controlling the unbalance responses of a rotor. As well as the identification of the dynamic stiffness model, the empirical design principle is also proposed, which will be beneficial in designing MRSFDs more systematically and efficiently. The magnetic circuit analysis and identification of design parameters' influence on the dynamic performance of the MR-SFD are carried out. In order to validate the feasibility of the proposed design experimentally, a test rig using an Active Magnetic Bearing (AMB) system as an exciter is introduced and retrofitted. With the help of these preliminary analyses and experiments, the dynamic capability of the MR-SFD and its empirical formulations are obtained.
After identifying the dynamic stiffness model for the MR-SFD, a simple control algorithm is proposed to attenuate the excessive vibration of a rotor-bearing system, especially, unbalance response more effectively and optimally. The optimal damper location considering several flexible modes of a rotor is analytically investigated by means of the Structural Dynamics Modification (SDM) algorithm. A rotor-bearing system with the MRSFD, which is located at its optimal position, is also modeled according to the Finite Element (FE) model and its dynamic behaviors are studied theoretically and experimentally. While considering the control characteristics of semi-active devices, the input current levels are scheduled by means of the singular value analysis. By using the analytical works, numerical examples are attempted to evaluate the control performance of the proposed algorithms. Simulation works prove that the MR-SFD can improve the unbalance responses significantly and, moreover, extensive experiments confirm the efficacy of the proposed MR-SFD and control algorithms. Judging from the obtained outputs, it is clear and reasonable that the proposed MR-SFD can efficiently enhance the stability of a flexible rotor-bearing system.
스퀴즈 필름 댐퍼(Squeeze Film Damper)는 1960년대에 첫 선을 보인 이후 현재까지 볼 베어링이나 저어널 베어링의 단점을 보완하는 감쇠장치로 꾸준히 사용되고 있는 기계요소이다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 구조를 보면, 회전축은 댐퍼 내에 설치된 볼 베어링의 내륜에 의해 지지되어 회전하지만, 볼 베어링의 외륜을 감싸는 저어널은 회전하지 않고 선회운동 만을 나타내게 된다. 이와 같이 스퀴즈 필름 댐퍼는 비교적 간단한 구조임에도 우수한 감쇠성능을 나타내기 때문에 볼 베어링의 단점을 해결할 수 있으며, 저어널이 회전축과 함께 회전하지 않기 때문에 저어널 베어링의 단점인 오일 휩과 같은 불안정 효과를 제거할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 스퀴즈 필름 댐퍼는 감쇠성능과 안정성이 요구되는 항공기용 터빈 엔진에 주로 적용되고 있다. 그러나, 최근에 들어서 회전기계에 대한 고속화, 고용량화의 추구로 인하여 기존의 수동형 스퀴즈 필름 댐퍼의 한계가 나타나게 되었다. 특히, 고용량화를 위하여 연성 회전축을 사용하면서 질량 불균형이나 외란에 더욱 민감해지게 되어 자칫 불안정 효과가 발생할 수 있다는 위험도 커지게 되었고, 고속화에 따라 설계된 속도영역 내에서 여러 개의 위험속도 구간이 나타나게 되었기 때문이다. 이러한 기존 댐퍼의 단점을 극복하고자 최근 동특성에 대한 제어가 가능한 능동 혹은 수동형 댐퍼에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 최근에는 전기유변유체(Electro-rheological Fluid)나 자기유변유체(Magneto-rheological Fluid)와 같은 가제어성 유체를 작동유체로 사용하는 반능동형 댐퍼에 대한 연구가 주목을 받고 있다.
본 연구에서는 자기유변유체를 이용한 반능동형 스퀴즈 필름 댐퍼(이하 MR-SFD라 칭함)를 제안하였으며, 연구를 통해 MR-SFD에 대한 모형화와 MR-SFD를 회전체-베어링계에 적용하여 불균형 응답에 대한 제어성능을 고찰하고자 하였다. MR-SFD에 대한 연구를 위하여 먼저 기존의 수동형 스퀴즈 필름 댐퍼를 통해 그 작동원리를 이해하고 주요 설계변수의 영향을 고찰하였다. 또한, 기존의 모형이 지닌 단점을 개선하는 모형을 제안하고 이를 실험적으로 검증하였다. 특히, 실제 설계에서 반드시 사용되는 시일(seal)이나 중앙 이송홈(central feeding groove)의 영향을 고려함으로써 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 동특성 예측의 정확도를 높이게 되었다. 그리고, 제안된 모형에 대한 실험적인 검증을 수행하면서 능동 자기 베어링 시스템(Active Magnetic Bearing System)을 가진기로 적용한 실험장치를 제안하였으며, 측정된 실험결과를 체계적으로 해석하여 원하는 동적 거동을 계산해낼 수 있는 해석방법을 정리하였다. 이러한 기초적인 연구를 바탕으로 MR-SFD의 동특성을 모형화하는 연구를 수행하였으며, MR-SFD의 주요 설계변수에 의한 제어성능 변화를 실험적으로 고찰하여 설계에 반영하였다. 또한, 제안된 설계의 타당성을 자기특성에 대한 유한요소해석을 통해 검증하였다. 설계된 MR-SFD에 대한 동강성 모형을 얻기 위하여 능동 자기 베어링을 사용하여 다양한 가진실험을 수행하였으며, 측정된 결과를 해석하여 알맞은 모형을 제시하였다. MR-SFD에 대한 모형화와 함께 MR-SFD를 장착한 연성회전체계의 불균형 응답을 효과적으로 제어하는데 필요한 알고리즘을 연구하였다. 이를 위하여 구조변경법(Structural Dynamics Modification Method)을 이용하여 MR-SFD를 연성회전체계에 적용할 때 그 최적 설치위치를 결정하는 방법을 제안하였으며, MR-SFD가 장착된 연성회전체계의 유한요소모형을 세우고 특이값(singular value) 해석을 적용하여 회전체의 안정성을 향상시키는 제어입력을 설계하였다. 최종적으로 본 연구에서 제안된 설계 및 제어 알고리즘에 대한 타당성 및 제어성능을 수치적, 실험적인 방법을 통해 증명하였으며, 결과들을 종합해 볼 때 MR-SFD에 대한 적절한 제어가 연성회전체계의 불균형 응답을 효과적으로 감소시켜 안정성을 향상시키게 된다는 결론을 얻었다.
