외부가압 공기 저널 베어링의 정하중 특성 측정

Abstract

외부가압 베어링은 상대운동을 하는 베어링 표면 사이에 작동유체를 강제적으로 가압하여 공급하는 베어링으로, 수명이 길고 마찰손실이 매우 작을 뿐 아니라, 하중지지력이 크고, 베어링의 강성 및 감쇠 계수를 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 내구성 및 신뢰성 확보가 중요한 고성능 고속 터보기계 시스템에 적용하기에 적합하다. 본 연구는 재사용 우주발사체용 로켓엔진 터보펌프에 적용가능한 외부가압 저널 베어링의 정하중 특성을 평가할 수 있는 실험장치 제작하여 실험적 연구를 수행하였다. 베어링에 공급하는 작동유체인 공기의 압력과 유량을 측정을 통해, 실험에 사용된 베어링의 Orifice discharge coefficient가 약 0.6으로 일정한 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 또한, 베어링에 정하중을 부여하면서 공기 유막 두께의 변화를 측정하여 베어링 강성을 추정하였다. 실험 범위 내에서 공급압력이 일정할 때 베어링의 정하중 강성은 일정하였으며, 공급압력이 증가할수록 베어링 정하중 강성은 증가하였다. 한편, 베어링에 공급하는 공기의 압력을 증가시킬수록 Pneumatic hammer instability 현상이 뚜렷하게 나타났다. Pneumatic hammer instability가 발생하는 주파수 및 진동 크기는 베어링 공급압력이 증가할수록 현저히 증가하였으며, 수직 방향의 진동 크기가 수평 방향 및 축 방향의 진동 크기보다 큰 것을 알 수 있었다. 또한, Pneumatic hammer instability에 의해 가진되는 주파수는 저널과 베어링 시스템의 고유진동수와 일치함을 가진 실험을 통해 확인하였다. 향후 연구에서는 베어링의 작동유체로 물과 로켓엔진 터보펌프의 실매질을 사용하여 정적, 동적 특성을 측정할 예정이며, 이를 통해 축적된 실험결과를 해석적 연구 결과와 비교하는 연구를 진행할 예정이다.