재사용 우주발사체 액체로켓엔진용 터보펌프에 적용하기 위한 하이브리드 스러스트 베어링의 정하중 특성 측정

Abstract

하이브리드 스러스트 베어링은 유체 정압과 유체 동압을 동시에 사용하여 축방향 하중을 지지하는 베어링이다. 외부에서 가압되는 유체를 통해 회전축의 디스크와 베어링을 분리시키고 회전축의 위치를 조절하여 운전 영역에서 안정적으로 시스템이 구동되게 한다. 하이브리드 스러스트 베어링은 작동 유체로 인해 디스크와 베어링 사이의 마찰이 매우 적고 강성, 감쇠 및 내구성이 높아 마모가 거의 일어나지 않는다는 장점을 가지고 있다. 하이브리드 스러스트 베어링의 성능은 리세스 위치, 리세스 개수, 공급 방식, 유체 공급 압력, 베어링 간극, 유체 특성, 회전속도에 따라 달라지며, 성능을 예측하기 위해서는 신뢰성 있는 실험적 연구 결과가 필요하다. 본 연구에서는 재사용 우주발사체 액체로켓엔진용 터보펌프에 적용 가능한 하이브리드 스러스트 베어링의 정하중 특성을 평가할 수 있는 실험장치를 제작하여 실험적 연구를 수행하였다. 실험장치에 공기, 물, 액체 질소를 공급하여 오리피스 계수를 추정하였다. 비회전 정하중 실험을 진행한 결과, 하중에 따라 유막두께는 감소하였다. 그리고 하중이 증가할수록, 유막 두께가 감소할수록 축방향 강성은 증가하였다. 공기 회전 실험은 모터를 15 krpm 까지 구동하여 실험을 진행하였으며, 비회전 실험 결과와 큰 차이를 보이지 않았다. 향후 연구에서는 베어링의 작동 유체로 물과 액체질소를 사용한 회전 실험을 통해 베어링의 정적, 동적 특성을 측정할 예정이다. 또한 실험장치를 개선하여 동하중 실험이 가능하게 할 것이며, 이를 바탕으로 하이브리드 유체 스러스트 베어링의 강성 및 감쇠 계수를 실험적으로 확인할 예정이다.|Hybrid (hydrostatic plus hydrodynamic) thrust bearings support axial loads using both hydrostatic and hydrodynamic pressures. These bearings separate the bearing and thrust disk surfaces from the rotor via an externally pressurized fluid, enabling stable operation and precise rotor position adjustment. Hybrid thrust bearings offer minimal friction between the thrust disk and the bearing surface due to the lubricating fluid, thereby reducing notable wear. Their performance largely relies on recess configurations, fluid feeding conditions, bearing clearance, fluid properties, and rotor speed. Reliable experimental data are essential for accurate performance prediction. In this study, experiments were conducted using a test rig to measure the static load characteristics of hybrid thrust bearings. Orifice discharge coefficients were estimated using air, water, and liquid nitrogen in the test rig. The non-rotating static load experiments showed a decrease in film thickness with increasing axial load, and a corresponding increase in axial stiffness. Rotational experiments with air up to 15 krpm demonstrated test results consistent with the non-rotating tests. Future research will explore static and dynamic characteristics under rotational conditions with water and liquid nitrogen as test fluids. Enhancements to the test rig will facilitate dynamic load experiments, enabling empirical validation of the stiffness and damping coefficients of the hybrid thrust bearing.