하이브리드 유체 스러스트 베어링의 정하중 특성: 공기, 물, 그리고 액체질소를 이용한 실험

Abstract

하이브리드 스러스트 베어링은 우주발사체용 액체로켓 터보펌프, 가스 터빈, 압축기와 같은 터보기계시스템에서 축 방향 하중을 지지하고 샤프트 위치를 제어하기 위해 사용되는 주요한 터보기계요소부품이다. 하이브리드 스러스트 베어링은 정압과 동압을 동시에 사용하는 베어링으로 회전축–베어링 시스템 작동 초기 샤프트와 베어링 사이의 접촉이 없어 마찰과 마모가 적다. 이를 통해 하이브리드 스러스트 베어링은 우수한 내구성과 높은 하중지지력과 높은 감쇠 계수를 갖고 있을 뿐만 아니라 극저온 유체 같은 저점도 유체를 사용하더라고 공급 압력에 따라 안정적인 하중지지력과 강성을 제공할 수 있다. 하이브리드 스러스트 베어링의 특성은 작동 유체의 물리적 특성, 작동 압력에 따라 달라진다. 또한 축 방향 하중 예측을 위해서는 신뢰할 수 있는 실험 데이터가 필요하다. 이에 본 연구에서는 공기, 물, 그리고 액체질소를 사용하여 다양한 공급 압력조건에서 하이브리드 스러스트 베어링의 성능을 측정하기 위한 실험 장치를 구축했다. 정하중 실험에 앞서 각 실험 유체에 따른 Orifice discharge coefficient를 측정하였다. 압축성 유체인 공기를 사용한 정하중 실험은 하중이 증가함에 따라 Pneumatic hammer instability가 발생하였다. 비압축성 유체인 물과 액체질소 실험을 통해 하중이 증가할수록 강성이 선형적으로 증가하는 경향을 확인하였다. 또한 내경측 배출 유량 측정을 통해 특정 하중지점 이상에서 유막 강성이 가파르게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 액체질소 실험을 통해 하중이 증가함에 따라 유막 강성이 증가하다가 감소하는 경향을 확인하였다. 향후 연구에서는 실험 장치 개선을 통해 넓은 하중 범위에서의 하이브리드 스러스트 베어링의 정하중 특성 측정을 진행할 예정이다. 뿐만 아니라 동하중 실험을 통해 강성 및 감쇠계수를 규명할 예정이다.|Hybrid fluid film thrust bearings support axial loads and control shaft positions of turbomachinery rotor systems. Hybrid fluid film thrust bearings combined hydrostatic and hydrodynamic has offer durability, accuracy of positioning, and large direct stiffness, and damping force coefficients, also when using a low viscosity fluid such as a cryogenic fluid. Hybrid fluid film thrust bearings characteristics depends on the properties of the working fluid and the supply pressure. So reliable experimental data are required to identify the hybrid fluid film thrust bearings characteristics. Presently, the test rig measures the performance of a hybrid fluid film thrust bearing with various supply pressure conditions using air, water, and liquid nitrogen. Before the static load test, the orifice discharge coefficient for each test fluid is measured. In the static load experiment using air, pneumatic hammer instability occurs as the load increases. In the experiment with water, the fluid film stiffness increases sharply at the specific load where the inner radius exhaust flow rate is measured zero. Through the liquid nitrogen experiment in low pressure, test result shows that the fluid film stiffness increases and then decreases as the load increases. Both experiments with water and liquid nitrogen show that the stiffness increases linearly as the load increased. The work provides empirically derived guidance for successful integration of rotor-hybrid bearings systems. The future work plans to measure the static load characteristics of hybrid thrust bearings in a wide load range by improving the experimental equipment. In addition, the stiffness and damping coefficient will be investigated through dynamic load tests.