한양대학교기계공학과...
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31소음·진동
March 2019
국내연구실 소개
1. 연구실개요
2013년 3월에 류근 교수가 한양대학교 기계공학과에 임용
되면서 문을 연 한양대학교 터보기계연구실은 우주발사체 액
체추진로켓에 적용되는 펌프 시스템에서부터 다양한 산업 현
장에 사용되고 있는 초고속 회전기계와 터보기계(가스터빈,터보차저, 터보압축기 등), 모터 및 각종 에너지장치 등의 회
전체동역학및저진동설계기술을비롯하여베어링, 실(seal),댐퍼 등주요기계요소부품의구조및윤활설계기술개발연
구를중점적으로수행하고있다. 특히, 윤활유공급이필요없
는 무급유 가스베어링(oil-free gas bearing)을 적용한 환경친
화적이며 고성능, 고효율 회전기계의 개발 기술은 세계 수준
의기술력을가지고있다. 이를바탕으로국내뿐아니라해외
기업과연구개발과제를활발하게진행해오고있다.
또한, 최신 회전기계 상태진단장비 및 진동분석장비, 회전
체-베어링 시스템 해석/설계 프로그램, 그리고 다수의 초고속
회전체실험장치들을보유하고있어국내및해외산업현장에
기술자문및산업체엔지니어링서비스를제공하고있다. 뿐만
아니라, 산업체의연구개발및현장엔지니어들을위한회전체
동역학이론, 유체베어링이론, 윤활이론, 회전기계상태진단및
진동분석에 관한 체계적인 교육을 제공하고 있다. 한편 2017
한양대학교 기계공학과
터보기계연구실
류 근(한양대학교 기계공학과)
* E-mail : [email protected]
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년부터 LG전자의 target lab으로선정되어 LG전자와 활발한 산학공동연구교류를 이어가고
있다. 보다자세한연구실소개및연구내용은
연구실 웹사이트(http://turbolab.hanyang.ac.kr)에서확인할수있다.
2. 구성원소개
2.1 연구책임자
류근 교수는 한양대학교 기계공학부에서 학
사학위를 취득한 후, ‘마이크로 터보 제너레이
터의 회전체 동역학적 특성에 관한 연구’라는
제목으로 한양대학교 정밀기계공학과에서 석
사학위를취득하였다. 2005년부터 2010년까지는 Texas A&M University의 turbomachinerylaboratory에서 Luis San Andres 교수의 지도
를 받아 Texas A&M TRC(turbomachineryresearch consortium), 미항공우주국(NASA)등이 후원하는 연구과제에 참여하였으며,
“Hybrid Gas Bearings with Controlled SupplyPressure to Eliminate Rotor Vibrations WhileCrossing System Critical Speeds”라는 주제로
석사학위를, 그리고“Effect of Cooling Flowon the Operation of a Hot Rotor-Gas FoilBearing System”이라는 주제로 박사학위를 취
득하였다.
2010년 12월부터 2013년 2월까지는 미국
North Carolina주의 Asheville에 위치한
BorgWarner Turbo Systems의 GlobalProduct Development Group에 소속되어
senior development engineer로 일하며 승
용 및 디젤 차량, 그리고 선박용 터보차저
제품의 연구개발을 담당하였다. 대표적 연구
과제로는 미국 Ford사의 터보엔진 개발, 영
국 Caterpi l lar사의 중장비 차량엔진용
electr ic turbocompound 개발 , 미국
EcoMotors International의 모터-발전기 일
체형 터보차저 개발, 그리고 차세대 터보엔
진 시스템에 적용하기 위한 무급유 터보차저
(oil-free turbochargers) 개발 등이 있었다.
현재 터보차저용 베어링 시스템에 대한 5개의 미국특허를 BorgWarner의 지원으로 등
록하였다.
한양대학교에 교수로 임용된 2013년부터는BorgWarner Turbo Systems(미국), 삼성전자,LG전자, 현대자동차, 현대모비스, 한온시스템 등 국내외 기업 및 과학기술정보통신부 등
정부연구사업의지원을받아단독연구책임자
로서 총 15개의 연구과제 협약을 맺고 총 14억원의 연구비를 수주하여 연구를 진행해 오
고있다.
류근 교수는 2016년부터 미국윤활학회
(STLE)에서 발간하고 SCI에 등재된 저명학
술지 Tribology Transactions의 associateeditor로 임명되어 활동하고 있다. 또한
ASME Gas Turbine Segment의 InternationalGas Turbine Institute(IGTI)에서 주최하는 세
계 최대규모의 터보기계 학술대회인 ASMETurbo Expo 학술대회에서 2017년부터
Microturbines, Turbochargers & SmallTurbomachines Committee의 Chair와 2015년부터 Structures & Dynamics Committee의vanguard chair를 맡고 있다. 또한 현재
ASME Gas Turbine Segment의 Advanced
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Manufacturing & Repair for Gas Turbines(AMRGT) Symposium의 organizing committeemember 및 European Micro Gas TurbineForum의 advisory committee member로 활
동하고있다.
류근교수가 ASME Turbo Expo 2012 학술
대회에서 발표한“Effect of Cooling Flow onthe Operation of a Hot Rotor-gas FoilBearing System”논문은 IGTI Structures &Dynamics Committee에서선정한 best paperaward를 수상하였으며, 또한 ASME TurboExpo 2016 학술대회에서 발표한“Oil-freeAutomotive Turbochargers: Drag Frictionand On-engine Performance Comparisons toOil-lubricated Commercial Turbochargers”논문은 IGTI Microturbines, Turbochargers& Small Turbomachines Committee에서 선
정한 best paper award를 수상하였다. 그리고
ASME Turbo Expo 2013 학술대회에서 발표
한“On the Failure of a Gas Foil Bearing:High Temperature Operation withoutCooling Flow”논문은 IGTI young engineerturbo expo travel award에선정되었다.
2.2 연구원
2019년 3월 현재 5명의 석박사통합과정 연
구원과 3명의석사과정연구원이류근교수의
지도를 받아 연구를 수행하고 있다(그림 1:2019년 3월 현재 연구실 단체). 석사학위를마친 졸업생을 총 5명 배출하였으며, 이들은
현재한국항공우주산업(KAI), LG전자, SK하이닉스등에서연구원으로근무하고있다.
3. 주요연구분야
3.1 우주발사체분야
Space X와 Blue Origin의 재사용 우주발사
체와 Rocket Lab의 전기펌프식 로켓엔진 시
스템을 탑재한 우주발사체의 개발 시험 성공
은 전세계 우주발사체 산업의 방향에 크게 영
향을 주고 있다. 그림 2는 우주발사체 액체추
진로켓엔진의 터보펌프와 전기펌프의 구동방
식을 비교한 것으로, 전기펌프는 터빈을 대신
하여 전기모터로 극저온 산화제 및 연료를 연
소실로공급하는역할을한다. 고압/고온의연
소가스를 사용하지 않는 전기펌프는 펌프의
온도구배가크지않아설계및개발이용이할
뿐 아니라 엔진시스템의 전체적인 구조를 간
소화할수있는장점을가지고있다.
우리연구실은과학기술정보통신부가주관하
는 2018년도 우주핵심기술개발사업의 우주기
그림 1 2019년 3월 한양대학교 터보기계연구실 단체사진. (왼쪽부터) 김규만(박사수료), 임호민(석박사통합과정), Daixu Song(석사과정), 류근(지도교수), 김진이(석사과정), 송영석(석사과정),이호원(박사수료), 이찬우(박사과정), 정현성(석박사통합과정)
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초분야과제에“상단액체로켓엔진용전기펌프
에 적용되는 모터-회전체-베어링-실 시스템의
설계, 성능 평가, 상태 감시 기술 개발”이라는
주제로 선정되어, 2021년까지 총 3억원을 지
원받고있다. 이연구는모터일체형극저온펌
프의회전체시스템설계기술을개발하고, 이
를 기반으로 제작한 실험장치를 활용하여 그
성능을 평가하여 우주발사체 액체로켓엔진용
전기펌프의독자적인기술을확보하는것을핵
심목표로하고있다. 더 나아가액체로켓엔진
용전기펌프의상태감시및결함진단을작동
중실시간으로할수있는기술또한개발하고
있다. 극한의 환경에서 작동하는 전기펌프 시
스템의 신뢰성 및 내구성을 비롯한 동적 특성
예측 기술 개발과 실험을 바탕으로 한 신뢰성
확보는 우리나라 우주개발 중장기계획에 실제
적으로적용될것으로기대하고있다.
또한, 작동유체를강제적으로베어링표면으
로 가압하여 사용하는 외부가압 유체 저널 및
스러스트베어링을적용한전기펌프의회전축
시스템도 설계 및 해석, 실험하여 그 특성을
평가하고 있다. 특히, 정확하고 신뢰성 있는
극저온 유체 베어링 설계 기술은 재사용 우주
발사체 개발을 위해서도 반드시 필요하다. 이
를 위해 외부가압 유체 베어링의 정하중 특성
(하중지지력, 동력손실, 마찰계수)을 비롯한
동하중 특성(강성/감쇠 및 관성 계수)을 측정
하는시험평가장비를구축하였다.
3.2 가스터빈및압축기분야
가스터빈과 터보차저 등 초고속으로 회전하
며 매우 고온의 온도에서 작동하는 회전체 시
스템의 동역학적 특성 및 유체베어링에 대한
실험및해석적연구를꾸준히진행해오고있
다. 특히 최근에서 발전용 연료전지 시스템의
마이크로가스터빈에 적용되는 회전체-가스베
어링시스템의성능을분석하고가스베어링의
특성을 예측 및 측정하였으며, 터보블로워 및
그림 2 우주발사체액체추진로켓의터보펌프구동방식(좌)과 (b) 전기펌프(우)의구동방식의비교
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터보압축기, 항공기 전장품(모터 및 발전기),고속스핀들에 적용하기 위한 가스포일베어링,
하이브리드틸팅패드베어링, 오일베어링 및 스
퀴즈필름댐퍼, 외부가압공기베어링에 대한 연
구를포괄적으로진행해오고있다.
3.3. 자동차분야
2013년부터 2016년까지 총 $270,000(USD)의 연구비를 지원받아, “Development of Oil-free Turbochargers: Focus on Rotordynamicsand Bearing System Development”라는과제명
으로 미국 BorgWarner Turbo Systems와 연구
협약을 맺고 무급유 터보차저 (oil-freeturbocharger)에대한연구를진행하였다. 이연
구를 통해, 유지보수가 필요없는 포일베어링을
적용한친환경, 저비용터보차저의상용화기술
을개발하였다. 류근교수가설계, 제작한터보
차저(그림 3)는미국현지의 NVH 및 gas stand실험실에서성공적으로시험, 평가를마쳤다.
또한, 연료전지차량에적용하기위한무급유
터보압축기의베어링및회전체시스템을개발
하기 위해 2013년부터 2016년까지 한온시스
템의지원을받아“공기압축기용에어베어링
개발”이라는 과제명으로 연구과제를 진행하였
다. 2015년에는 현대자동차의 지원을 받아 해
석및실험적연구을통한터보차저회전체-베
어링 시스템의 동역학적 특성을 기반으로
NVH 특성및설계인자를규명하였다. 그리고,
2017년에는내연기관의출력을향상시키고연
비를개선하기위한전동식슈퍼차지용고속모
터의회전체동역학해석및진동특성평가에
대한연구를현대모비스와진행하였다.
3.4 가전분야
최근가전제품에적용하기위해연구가활발
히진행되고있는초소형모터및고효율공기
베어링으로 지지되는 터보냉동기, 그리고 외
부가압가스베어링의성능및평가기술에대
한 연구도 활발하게 진행하고 있다. 특히, 가
스베어링의하중지지력, 강성및감쇠계수, 동
력손실등의주요성능지표를예측할뿐아니
라 실험적으로 측정하여 평가하는 연구를 중
그림 3 외부에서오일공급및냉각공기공급을전혀하지않는 100% 무급유터보차저단면도및디젤엔진시험평가
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점적으로수행하고있다.
4. 보유장비및연구시설
우리연구실은회전체-베어링시스템의정적
/동적 특성을 연구함과 동시에 각종 베어링의
특성을 규명하는 연구를 꾸준히 진행하면서,
최첨단 회전기계 상태진단장비 및 진동분석장
비, 회전체/베어링 해석프로그램, 그리고 다수
의고속회전체실험장치들을보유하고있다.
4.1 상태진단장비및진동분석장비, 회전체/
베어링해석프로그램
회전체동역학 해석프로그램으로 XLRotor(XLHydroDyn)와 DyRoBeS, 그 리고
multiphysics simulation 소프트웨어인
COMSOL을 주로 사용하고 있다. 회전기계
상태진단장비 및 진동분석장비로는 NILabView(NI9269, NI9220, NI9214)를 비롯
하여 IOTech Model 652U 장비와 함께 Ez-TOMAS, Ez-Analyst, 그리고 Agilent35670A Dynamic Signal Analyzer를 사용하
고 있다. 극한 환경에서 작동하는 터보기계의
회전체동역학 및 베어링의 특성을 측정 및 분
석하기 위해 다수의 3축 가속도센서, 로드셀,
변위센서, 가진기, 임팩트햄머를 비롯하여 고
성능 열화상카메라와 초소형/고정밀 압력센서
등을보유하고있다.
4.2 유체 (가스, 물, 극저온유체) 저널및
스러스트베어링성능평가실험장치
그림 4는 고속 터보기계에 적용되는 유체베
어링의 정하중 및 동하중 특성을 실험적으로
측정하고 그 성능을 검증할 수 있는 실험장치
이다. 특히, 스러스트 베어링에 정하중 및 동
하중을동시에적용하면서진동, 가속도, 회전
속도 및 온도를 측정하여 실시간으로 회전축-
베어링 시스템의 상태를 진단하는 시스템을
갖추고있다.
4.3 터보차저회전체동역학및NVH 실험장치
그림 5는 차량용 터보차저의 회전체동역학
및 NVH 특성, 그리고 베어링 동력손실 손실
을 측정하여 분석할 수 있는 실험장치이다.
터보차저에 공급되는 오일의 압력과 온도를
각각 최대 5 bar(g)와 섭씨 150 oC까지 변화
시키면서 최대 300 kr/min까지 실험이 가능
하다.
우리 연구실은 전동식 슈퍼차저의 진동 특
성을 실험적으로 규명할 수 있는 측정장비 및
센서, 냉각 장비도 갖추고 있다(그림 6). 슈퍼차저 하우징 및 회전축에서 발생하는 진동을
측정하기위하여 3축가속도센서 2개를하우
징에, 그리고 변위센서를 압축기 하우징 끝단
에부착하도록구성되어있다.
4.4 초고속회전체-베어링시스템시험평가
장치: 회전체동역학및진동특성측정
그림 7은 100,000 r/min까지회전하는 10 kW모터가적용된회전체-베어링시스템실험장치
로서, 고속모터에 플렉시블커플링으로 연결된
회전축을지지하는저널베어링의회전체동역학
및 진동 특성 평가에 사용된다. 현재 가스포일
베어링과 외부가압 다공성 공기베어링으로 지
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그림 4 스러스트베어링성능평가실험장치단면도(작동유체: 가스, 물, 극저온유체모두가능)
그림 5 터보차저회전체동역학및NVH 실험장치
그림 6 전동식슈퍼차저실험장치
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지되는회전축의시험평가를진행하고있다.
4.5 가스베어링시험평가장치: 하중
지지력, 부상속도및동력손실측정
가스베어링의 초기구동 및 정지 시 마찰 및
동력손실은터보기계회전체시스템의내구성
을 결정한다. 그림 8은 가스베어링의 반복적
인 시동-정지 작동 시험평가를 통해 베어링에
가해지는 정하중의 크기에 따른 베어링의 하
중지지력, 부상특성 및 동력손실, 마찰계수의
크기를 실험적으로 규명할 수 있는 실험장치
이다. 이 실험장치는가스포일베어링뿐아니
라 다양한 가스(동압 및 정압) 베어링의 성능
평가에도응용되도록제작되었다.
4.6 가스포일베어링정하중및동하중구조
강성및감쇠계수측정장치
그림 9는 가스포일베어링의 정하중 및 동하
중 구조강성 및 감쇠계수를 측정하는 실험장
치이다. 정하중 실험의 경우, 고정된 축 위에
그림 8 가스베어링부상특성및하중지지력시험평가장치(좌: 축직경: 60 mm, 최대회전속도: 35 kr/min. 우: 축직경: 7 mm, 최대회전속도: 150 kr/min)
그림 7 초고속회전체-베어링시스템시험평가장치
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삽입된 베어링에 정하중을 부가하면서 이에
따른 포일의 변형량을 측정한다. 베어링 하중
은 스트레인 게이지 타입의 로드셀을 사용하
며, 포일의변형량은와전류타입의변위센서
로측정한다. 동하중실험장치는, 실험베어링
에 동적 하중을 부여하기 위해 가진기를 수직
으로 고정한다. 가진기와 마주보는 반대면에
정하중을 부여할 수 있는 핸들이 위치하고 있
어, 이를 회전시킴으로서 베어링에 예하중을
부여할수있다. 이를통해가진주파수와베어
링의변형량, 그리고정하중및동하중의다양
한 조합 조건에서 가스포일베어링의 구조 강
성과감쇠계수를측정할수있다.
4.7 와이어메쉬댐퍼구조강성및감쇠계수
측정장치
와이어 메쉬 댐퍼(wire mesh damper)는 윤
활유의 공급여부 및 점성에 영향을 받지 않으
면서도 회전체-베어링 시스템의 안정성을 향
상시키고베어링의전달력을감소시키는장점
이 있다. 그림 10은 와이어 메쉬 댐퍼의 구조
강성과 감쇠를 측정하기 위해, 탄성체에 부가
되는하중과이에따른변형량을측정할수있
는 실험장치이다. 감쇠력을 나타내는 지표인
손실계수는하중과변위의이력곡선에서추정
할 수 있으며, 이를 바탕으로 감쇠비 또한 계
산할수있다.
그림 9 가스포일베어링정하중및동하중구조강성및감쇠계수측정장치
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4.8 스퀴즈필름댐퍼동하중계수
측정장치
항공기엔진, 터보차저, 터보압축기 등에 적
용되는 스퀴즈 필름 댐퍼는 회전축의 불균형
질량으로 인한 회전체 시스템의 응답의 크기
를감소시키고회전체동역학적불안정성을개
선하는장점을가지고있다. 그림 11은이러한
스퀴즈 필름 댐퍼의 동하중계수(강성, 감쇠,관성 계수)를 실험적으로 측정하는 실험장치
이다. 실험 장치는 크게 90°로 위치한 2개의가진기, 스퀴즈 필름 댐퍼 장치, 오일 순환 장
치로 구성되어 있다. 90°로 위치한 가진기를
통해원형궤도, 타원형궤도를구현할수있도
록하였다. 더불어받침대에고정된상단구조
물 위에는 90°로 위치한 가진기와 동일한 방
향을 따라 움직일 수 있는 구조물을 설계하여
편심에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적계수 변
화를측정할수있다.
그림 10 와이어메쉬댐퍼의구조강성및감쇠계수측정장치
그림 11 스퀴즈필름댐퍼(squeeze film damper) 동하중계수측정장치
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4.9 외부가압공기베어링으로지지되는고속
스핀들실험장치
그림 12는외부가압가스베어링으로지지되
는 고속 스핀들 실험장치로서, 저널 및 스러
스트 베어링의 위치 및 가압방법, 축과 베어
링 간의 간격, 급기구의 구조 및 크기에 따른
베어링 및 회전체 시스템의 성능을 시험평가
할 수 있는 실험장치이다. 특히 본 실험장치
는 저널 베어링의 동력손실을 측정하고, 공급
압력 및 유량에 따른 스러스트 베어링의 유막
두께를 측정할 수 있는 구조를 가지고 있다.
현재 10 bar(g)까지 가압공기를 공급할 수 있
는공기압축기및탱크, 밸브, 필터 설비를비
롯하여 정밀 디지털 압력계와 유량계를 갖추
고있다.
5. 맺음말
한양대학교터보기계연구실은친환경친화적이
며고성능, 고효율터보기계에적용하기위한베
어링, 실, 댐퍼및회전체시스템의동역학적특
성과설계에큰관심을가지고국내외산업체들
과연구개발을꾸준히진행해오고있다. 극한의
환경에서 작동하는 고성능 터보기계의 신뢰성
및내구성을비롯한동적특성예측기술개발과
실험을바탕으로한신뢰성확보, 그리고고속베
어링시스템에대한설계및성능측정에대한원
천기술은우리나라우주개발및에너지, 제조산
업발전에크게이바지할것으로기대된다. 앞으
로도 지속적으로 이와 관련된 연구개발을 이어
나가“세계적수준의연구”를뛰어넘어“세계를
주도하는연구”를진행할것이다.
그림 12 외부가압공기베어링으로지지되는고속스핀들실험장치
「기획 : 박준홍 편집이사 [email protected]」
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