[논문]터보펌프 볼 베어링의 마찰 토크 평가

전성민; 곽현덕; 김진한

doi:10.9725/kstle.2011.27.1.025

터보펌프 볼 베어링의 마찰 토크 평가
Evaluation of Friction Torque for a Turbopump Ball Bearing 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.27 no.1, 2011년, pp.25 - 33

전성민 (한국항공우주연구원 터보펌프팀) , 곽현덕 (한국항공우주연구원 터보펌프팀) , 김진한 (한국항공우주연구원 터보펌프팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Rolling contact ball bearings are utilized almost exclusively for liquid propellant rocket engine turbopump. Turbopump ball bearings are required to endure high speed and high load for a poor lubricated condition in cryogenic environment. To evaluate bearing heat generation performance, friction torque is investigated as a function of rotation speed, bearing load and cooling flow rate through an experimental study using water coolants. Radial and axial loads are simultaneously applied to the test bearing by gas pressurized cylinder rod. Endurance performance of bearing has been also verified under the bearing required load for operating condition during total accumulated test time 2,100 sec.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고추력급 터보펌프용 볼 베어링의 마찰 토크 성능 평가 및 내구 성능을 검증하기 위한 시험이 수류 환경에서 수행되었다. 베어링의 회전 속도, 반경방향 및 축방향 하중과 냉각 유량을 시험 파라미터로 설정하여 시험 항목별로 마찰 토크를 평가하였으며, 터보펌프 작동 조건을 모사하여 요구되는 정격 수명에 대한 내구 성능을 검증하였다.
국내에서도 저추력급 터보펌프용 볼 베어링에 대하여 액체 산소 환경에서 하중 지지 능력 검증에 목적을 둔 연구가 수행된 바 있다[4]. 본 논문에서는 현재 개발 초기 단계에 있는 고추력급 터보펌프에 장착될 직경이 큰 볼 베어링의 하중 지지 능력 검증 외에 회전속도, 베어링 하중과 냉각 유량에 따른 마찰 토크 측정에 추가로 관심을 두어 수류 환경에서 연구를 진행하였다.

가설 설정

5에 시험 결과를 점으로 나타내었고, 회전 속도별 근사식도 같이 나타내었다. 근사식은 아래와 같이 냉각 유량의 지수 함수로 가정하였다.
7에 시험 결과를 점으로 나타내었고, 회전 속도별 근사식도 같이 나타내었다. 근사식은 아래와 같이 베어링 반경방향 하중의 지수 함수로 가정하였다.
9에 시험 결과를 점으로 나타내었고, 회전 속도 별 근사식도 같이 나타내었다. 근사식은 아래와 같이 베어링 축방향 하중의 지수 함수로 가정하였다.
5 l/s에 대하여 회전 속도에 따른 베어링 마찰 토크를 7,000 rpm, 9,000 rpm, 11,000 rpm에서 점으로 나타내고 근사식도 같이 나타내었다. 근사식은 아래와 같이 회전 속도의 지수 함수로 가정하였다.

제안 방법

베어링 마찰 토크 성능 평가 시험은 시험 항목을 5개로 분류하여, 회전 속도의 영향, 반경방향 하중 및 축방향 하중의 영향과 냉각 유량의 영향을 세부적으로 고찰하였다. 각각의 시험 파라미터별로 지수 함수를 가정하여 베어링 마찰 토크에 대한 근사식을 도출하였다.
베어링 내구 성능 검증 시험은 터보펌프 작동 조건을 모사하고, 축방향 하중에 3배의 하중 여유를 추가로 부과한 후 반복 시험을 통하여 이루어졌다. 누적 시간으로 총 2,100초에 대하여 내구 성능 검증 시험이 수행되었고, 베어링의 파손 없이 요구되는 정격 수명 내에서 만족할 만한 내구 성능을 보여주고 있음을 확인하였다.
베어링 마찰 토크 성능 평가 시험은 시험 항목을 5개로 분류하여, 회전 속도의 영향, 반경방향 하중 및 축방향 하중의 영향과 냉각 유량의 영향을 세부적으로 고찰하였다. 각각의 시험 파라미터별로 지수 함수를 가정하여 베어링 마찰 토크에 대한 근사식을 도출하였다.
베어링에 냉각 유량이 공급되지 않은 무유량 조건에서 베어링 반경방향 하중에 따른 베어링 마찰 토크를 측정한 시험이다. 시험 회전 속도는 세 단계로 7,000 rpm, 9,000 rpm, 11,000 rpm 각각에서 베어링 반경방향 하중을 5 kN, 10 kN, 15 kN, 20 kN으로 점진적으로 증가시켜가며 베어링 마찰 토크를 관찰하였다.
베어링에 냉각 유량이 공급되지 않은 무유량 조건에서 베어링 축방향 하중에 따른 베어링 마찰 토크를 측정한 시험이다. 시험 회전 속도는 세 단계로 7,000 rpm, 9,000 rpm, 11,000 rpm 각각에서 베어링 축방향 하중을 5 kN, 10 kN, 15 kN, 20 kN으로 점진적으로 증가시켜가며 베어링 마찰 토크를 관찰하였다.
고추력급 터보펌프용 볼 베어링의 마찰 토크 성능 평가 및 내구 성능을 검증하기 위한 시험이 수류 환경에서 수행되었다. 베어링의 회전 속도, 반경방향 및 축방향 하중과 냉각 유량을 시험 파라미터로 설정하여 시험 항목별로 마찰 토크를 평가하였으며, 터보펌프 작동 조건을 모사하여 요구되는 정격 수명에 대한 내구 성능을 검증하였다.
수류 시험 환경에서의 시험 파라미터로서 회전 속도, 냉각 유량과 베어링 반경방향 및 축방향 하중을 설정하여 각각의 시험 조건에 따라 파라미터를 변화시키면서 시험을 수행하였다. 각 시험 파라미터의 설정 범위를 Table 2에 나타내었다.
이는 터보펌프 지상 실매질 시험에서 터보펌프 1기에 대하여 요구되는 시험 시간이다. 시험 베어링의 상태를 수시로 점검하기 위하여 1회의 시험 시간을 60초로 짧게 설정하였고, 2,100초의 누적 시험 시간을 만족하기 위하여 총 35회의 시험을 수행하였다.
베어링에 냉각 유량이 공급되지 않은 무유량 조건에서 베어링 반경방향 하중에 따른 베어링 마찰 토크를 측정한 시험이다. 시험 회전 속도는 세 단계로 7,000 rpm, 9,000 rpm, 11,000 rpm 각각에서 베어링 반경방향 하중을 5 kN, 10 kN, 15 kN, 20 kN으로 점진적으로 증가시켜가며 베어링 마찰 토크를 관찰하였다. Fig.
베어링에 하중을 부과하지 않은 무부하 조건에서 냉각 유량에 따른 베어링 마찰 토크를 측정한 시험이다. 시험 회전 속도는 세 단계로 7,000 rpm, 9,000 rpm, 11,000 rpm 각각에서 베어링 시험 냉각 유량을 0~3.5 liter/sec로 변화시켜가며 베어링 마찰 토크를 관찰하였다.
베어링에 냉각 유량이 공급되지 않은 무유량 조건에서 베어링 축방향 하중에 따른 베어링 마찰 토크를 측정한 시험이다. 시험 회전 속도는 세 단계로 7,000 rpm, 9,000 rpm, 11,000 rpm 각각에서 베어링 축방향 하중을 5 kN, 10 kN, 15 kN, 20 kN으로 점진적으로 증가시켜가며 베어링 마찰 토크를 관찰하였다.

대상 데이터

1. 214 bearing (photo was taken after test).
따라서 극저온 베어링의 경우 케이지 재질로 강화된 불소 수지 계열의 소재를 사용함으로써 고체 윤활 효과와 함께 폭발의 위험을 방지하게 된다. 본 시험에 사용된 214 베어링의 경우 케이지 재질로 강화 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)를 사용하였으며 자세한 규격은 Table 1에 정리하였고, Fig. 1에 시험에 사용된 베어링을 베어링 허브와 같이 나타내었다.
시험기 내부의 유체 압력은 시험 중에 공급되는 고압 기체 질소의 제어에 의하여 일정하게 유지되고, 베어링 냉각 유량은 출구 배관에 설치된 유량 조절 밸브에 의하여 제어된다. 시험기의 구동은 Fig. 3에 나타난 바와 같이 100 kW급 영구 자석 동기 모터로 이루어졌고, 토크미터, 압력 및 온도 센서, 타코미터 등 각종 센서류가 계측을 위하여 사용되었다.

성능/효과

내구 성능 시험 동안 베어링 마찰 토크의 평균 수치는 6.94 N·m로 나타났고, 측정된 토크의 급격한 변화가 없어 베어링 파손 없이 시험을 종료한 것으로 판단된다.
베어링 내구 성능 검증 시험은 터보펌프 작동 조건을 모사하고, 축방향 하중에 3배의 하중 여유를 추가로 부과한 후 반복 시험을 통하여 이루어졌다. 누적 시간으로 총 2,100초에 대하여 내구 성능 검증 시험이 수행되었고, 베어링의 파손 없이 요구되는 정격 수명 내에서 만족할 만한 내구 성능을 보여주고 있음을 확인하였다.
각각의 하중 별로 냉각 유량이 증가할수록 베어링 마찰 토크는 증가하게 된다. 반경방향 하중이 10 kN일 경우 무부하 조건과 비교하여 베어링 마찰 토크의 증가량이 미비하게 나타났고, 반경방향 하중이 20 kN으로 증가할 경우 베어링 마찰토크는 가시적으로 증가함을 확인 할 수 있다.
시험 범위 내에서 베어링 반경방향 하중의 경우에 비하여 축방향 하중을 부과하였을 경우 베어링 마찰 토크는 전반적으로 크게 나타났다. 이는 축방향 하중에 의하여 유발되는 베어링 볼과 내, 외륜의 접촉 각도가 마찰 토크를 증가시키는 것으로 판단된다.
94 N·m는 회전속도 11,000 rpm에서 약 8 kW의 발열량을 유발한다. 시험 종료 후 베어링의 육안 검사를 통해서도 결함이 없음을 확인하였다.
8에 시험 결과를 나타내었다. 앞에서 살펴보았듯이 본 연구에서 가정된 반경방향 하중의 지수 함수와 냉각 유량의 지수 함수는 회전 속도에 따라 지수가 변화함을 알 수 있다. 회전 속도에 관계없이 각 함수의 지수가 일정한 상수값으로 나타나지 않아, 베어링 반경방향 하중과 냉각 유량의 영향이 동시에 나타날때 마찰 토크를 예측할 수 있는 근사식을 가정하기가 어려웠다.

후속연구

향후 진행되는 연구에서는 극저온 액체 질소와 액체산소를 시험 매질로 하여 베어링의 내구 성능을 순차적으로 검증할 예정이다.
산화제펌프의 작동 유체인 액체 산소에서 사용할 목적으로 입수된 베어링이지만, 시험 파라미터 변화에 따른 마찰 토크 특성을 용이하게 살펴보기 위하여 수류 환경에서 시험이 이루어 졌다. 회전 속도, 베어링 하중 등 베어링 작동 조건에서 요구되는 수명 시간 동안의 내구 성능 검증 또한 본 연구에서는 수류 환경에서 이루어졌으며, 향후 진행되는 연구에서 극저온 액체 질소와 액체 산소 시험 매질에서 베어링의 내구 성능 검증이 순차적으로 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보펌프는 어떤 역할을 하는가?	높은 무게 대 추력비를 요구하는 우주발사체는 고효율의 터보펌프 가압 방식 액체로켓엔진을 사용하게 된다. 터보펌프는 엔진에 산화제와 연료를 공급하는 역할을 담당하는데, 지금까지 국내에서는 30톤급 저추력 액체로켓엔진에 적용가능한 실험용 터보펌프를 개발하여 국외 실매질 시험을 진행해 오고 있다[1,2]. 저추력급 엔진용 터보펌프는 회전체동역학[3], 베어링[4], 실[5,6] 등 국산화 개발을 위한 심층적인 연구들이 수행되어 왔다.
	고추력급 터보펌프는 무엇으로 이루어져 있는가?	고추력급 터보펌프는 산화제펌프, 연료펌프와 펌프를 구동하는 터빈으로 이루어져 있으며 작동 유체를 고압으로 공급하기 위하여 고속에서 운전된다. 터보펌프 회전체를 지지하기 위하여 볼 베어링이 사용되는데 베어링은 별도의 윤활 시스템 없이 자기윤활 방식으로 운전이 이루어진다.
	고추력급 터보펌프 회전체를 지지하기 위하여 무엇이 사용되는가?	고추력급 터보펌프는 산화제펌프, 연료펌프와 펌프를 구동하는 터빈으로 이루어져 있으며 작동 유체를 고압으로 공급하기 위하여 고속에서 운전된다. 터보펌프 회전체를 지지하기 위하여 볼 베어링이 사용되는데 베어링은 별도의 윤활 시스템 없이 자기윤활 방식으로 운전이 이루어진다. 볼 베어링의 자기윤활은 불소수지 계열의 소재로 제작된 케이지(cage)를 사용하고, 내륜과 외륜에 고체 윤활 코팅을 적용함으로써 이루어진다[11].

참고문헌 (15)

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Kim, J., Hong, S. S., Jeong, E. H., Choi, C. H., and Jeon, S. M., "Development of a Turbopump for a 30 Ton Class Engine," AIAA Paper 2007-5516, 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Cincinnati, OH, July 2007.
Jeon, S. M., Kwak, H. D., Yoon, S. H., and Kim, J., "Rotordynamic Analysis of a Turbopump with the Casing Structural Flexibility," Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, No. 3, pp. 433-436, 2008.

상세보기
곽현덕, 전성민, 김진한, 조광래, 김선용, 우관제, "터보펌프용 극저온 볼 베어링의 성능검증," 한국윤활학회지, 제20권, 제4호, pp. 177-182, 2004.

원문보기 상세보기
Kwak, H. D., Jeon, S. M., and Kim, J., "Development of Inter-propellant Seal for the Turbopump," 3th Asia International Conference on Tribology, Kanazawa, Japan, October 2006.
곽현덕, 전성민, 김진한, "터보펌프용 미케니컬 페이스 실의 수락시험," 유체기계저널, 제10권, 제1호, pp. 20-25, 2007.

원문보기 상세보기
Jeon, S. M., Kwak, H. D., Yoon, S. H., and Kim, J., "Turbopump Rotordynamic Analysis for a 75 ton Class Liquid Rocket Engine," IAC-09-C2.1.1, 60th International Astronautical Congress 2009, Daejeon, Republic of Korea, October 2009.
곽현덕, 전성민, 김진한, "고추력 터보펌프용 추진제 혼합 방지 실 개발," 한국윤활학회지, 제24권, 제6호, pp. 349-354, 2008.

원문보기 상세보기
전성민, 곽현덕, 박민주, 김진한, "75톤급 터보펌프 기계평면 실의 작동 성능 시험," 한국윤활학회지, 제25권, 제3호, pp. 187-191, 2009.

원문보기 상세보기
곽현덕, 전성민, 김진한, "터보펌프용 극저온 베어링/실 성능시험설비," 2005년도 유체기계 연구개발 발표회, pp. 341-347, 2005.
National Aeronautics and Space Administration, "Liquid Rocket Engine Turbopump Bearings," NASA SP-8048, 1971.
Dolan, F. J. and Cody, J. C., "MSFC Cryogenic Turbopump Bearing Tester Results and Analysis," AIAA-86-1481, 22nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Huntsville, AL, June 1986.
Keba, J. E. and Beatty, R. F., "Rocketdyne LOX Bearing Tester Program," NASA Marshall Space Flight Center Advanced Earth-to-orbit Propulsion Technology, Vol. 1, pp. 213-229, 1988.
Hine, M. J., "Absolute Ball Bearing Wear Measurements from SSME Turbopump Dynamic Signals," Journal of Sound and Vibration, Vol. 128, No. 2, pp. 321-331, 1989.

상세보기
Dempsey, P. J., Certo, J. M., Handschuh, R. F., and Dimofte, F., "Hybrid Bearing Prognostic Test Rig," NASA TM-2005-213597, 2005.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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