하이브리드 베어링으로 지지되는 재사용 우주발사체 액체로켓엔진용 전기펌프의 회전체동역학: 실험과 예측

Abstract

하이브리드 베어링은 회전축과 베어링 사이의 마찰과 마모를 최소화시켜 회전기기의 수명을 증가시킬 수 있으며, 유체의 점성이 매우 작은 극저온 유체를 작동 유체로 사용하여도 높은 하중지지력과 강성을 제공하는 특징을 갖고있다. 본 연구에서는 이러한 하이브리드 베어링을 최근 개발된 액체로켓엔진용 전기펌프에 적용하기 위하여 하이브리드 베어링으로 지지되는 전기펌프 회전체 시스템의 회전체동역학적 특성을 실험과 예측을 통해 규명하였다. 전기펌프 회전축과 하이브리드 베어링은 회전체동역학 설계과정에 따라 설계를 진행하였으며, 선형 해석을 통해 작동유체 공급 압력에 따른 회전체 시스템의 임계속도와 불균형 질량의 크기와 위상에 따른 특성을 예측하였다. 하이브리드 베어링과 전기펌프 회전축-베어링 시스템은 자체 제작한 모사 실험장치를 사용하여 성능을 평가하였다. 실험을 통한 하이브리드 베어링 및 회전축-베어링 시스템의 성능 평가는 비회전 실험과 회전실험으로 진행하였으며, 작동유체로 25ºC의 공기, 6ºC, 25ºC, 48ºC, 70ºC의 물, 그리고 -197ºC의 액체 질소를 사용하였다. 작동유체 공급 조건에 따른 비회전 및 회전 실험 결과는 작동유체의 압력, 그리고 종류에 따라 베어링 특성과 회전체 동역학적 특성의 차이가 있음을 보였다. 비회전에서는 작동 유체의 공급 조건에 따른 유량, 회전축의 변위, 그리고 토크를 측정하였고, 가진 실험을 통해 베어링의 강성을 추정하였다. 비회전 실험 결과, 회전축은 1 bar(g)의 공급 압력 조건에서 완전히 부상하였으며, 공기를 작동유체로 사용한 경우에는 1 bar(g)의 공급 압력 조건부터 뉴매틱 햄머 진동이 발생하였다. 회전축이 삽입되지 않은 상태에서 측정한 유량은 공기를 작동유체로 사용한 경우가 물 혹은 액체 질소를 작동유체로 사용한 경우보다 크게 나타났으며, 회전축이 삽입된 상태에서 측정한 유량은 물의 온도가 증가할수록 더 큰 유량을 나타냈다. 비회전 상태에서 측정한 강성은 공기를 작동유체로 하였을 때, 가진실험과 뉴매틱 햄머 진동으로 측정한 강성이 일직선 상에 위치하였으며, 물을 작동유체로 사용하였을 때 강성은 작동유체의 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 회전 실험은 회전축을 구동시킨 후 전원을 차단하여 자유감속 시키면서 베어링 위치에서의 가속도 신호와 회전축의 변위를 측정하였다. 회전실험은 물을 작동유체로 하였을 때, 물의 온도가 높을수록 더 큰 동기주파수 진동 크기를 나타냈으며, 회전축이 자유정지하는데 걸리는 시간은 더 길게 나타났다. 또한, 액체질소를 사용하였을 때 동기주파수 진동 크기는 회전축의 회전속도가 증가할수록 물을 작동유체로 사용하였을 때보다 작게 나타났으며, 자유정지하는데 걸리는 시간 또한 물을 작동유체로 사용한 경우보다 더 길게 나타났다. 본 연구는 회전체동역학 관점에서 극저온 유체를 작동유체로 사용하는 하이브리드 베어링으로 지지되는 전기펌프 시스템의 활용 가능성을 제시하였으며, 다양한 작동유체 공급 조건에서 실험과 예측을 통해 하이브리드 베어링의 특성과 회전축-베어링 시스템의 특성을 규명하였다. 특히, 극저온 유체를 사용하였을 때 회전체동역학 실험 데이터 확보와 하이브리드 베어링 및 회전체 시스템 예측 모델 검증은 향후 하이브리드 베어링으로 지지되는 다양한 시스템의 연구에 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다.