블레이디드 디스크용 언더플랫폼 댐퍼의 진동 저감 성능에 대한 실험적 평가

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확장요약문

언더플랫폼 댐퍼(under-platform damper, UPD)는 마찰 접촉을 이용하여 터빈 블레이드의 공진 진동과 고주기 피로를 억제한다. 그러나 감쇠 성능은 접촉 수직하중, 접촉 형상 및 진동 진폭에 따라 달라지며, 기존 시험법은 단순 접촉 형상을 가정하거나 하중을 가진과 독립적으로 제어하기 어려워 비대칭·다중 접촉면을 갖는 UPD의 평가에 한계가 있다.

본 연구에서는 복잡한 접촉 형상의 UPD를 대상으로 수직하중과 진동 진폭을 제어할 수 있는 공압 초퍼 (pneumatic chopper) 기반 비접촉 가진 장치를 설계하였다. 52개 슬롯을 갖는 회전 디스크로 압축공기 제트를 주기적으로 차단하여 4,962 rpm에서 4.3 kHz의 가진을 형성하며, 최대 6,000 rpm까지 약 21%의 상향 주파수 스윕이 가능하도록 하였다. 또한 두 개의 Ti-6Al-4V 핀과 니들 롤러 선접촉을 이용한 가압부로 50~540 N의 접촉 수직하중을 인가하고, 버튼형 로드셀로 하중을 측정한다. 블레이드 응답은 레이저 도플러 진동계로 측정하고 주파수 응답으로부터 감쇠 특성을 식별하도록 구성하였다.

설계 타당성은 초퍼 운동학, Hertz 접촉 해석 및 동특성 분석을 통해 검토하였다. 이를 통해 운전 조건과 접촉 하중 한계를 설정하고, 핀 질량에 따른 동적 하중 변동과 목표 주파수 ±10% 밖의 스프링 서지 주파수를 고려하였다. 마찰 접촉 유한요소모델을 이용하여 하중과 진폭에 따른 감쇠비 및 공진 주파수를 예측하고, 향후 실험과 비교하기 위한 시험 조건과 판정 기준을 제시하였다. 본 장치는 복잡한 접촉 형상 UPD의 감쇠 성능 평가와 마찰 접촉 모델 검증에 활용될 수 있다.