극한 작동환경에서 운용되는 무급유 베어링의 성능 및 시험 평가 기술

Abstract

본 연구는 초저온 환경에서 운용되는 터보 컴팬더의 핵심 부품인 포일 베어링의 성능 특성을 분석하고 예측하는 것을 목표로 한다. 초저온 유체를 사용하는 터보 컴팬더는 우주 발사체 로켓엔진 펌프, 액화 천연가스 운반선, 극저온 냉동 시스템 등 다양한 분야에 응용될 수 있어 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 특히 마찰 감소, 무급유, 넓은 작동 온도 범위 등의 장점을 가진 포일 베어링은 차세대 고속 회전기기의 핵심 부품으로 주목받고 있다. 이러한 배경에서 본 연구의 당해년도 목표는 초저온 환경에서의 포일 베어링 기초 연구를 수행하고, 이를 토대로 포일 베어링의 성능 및 특성을 예측하는 것이다. 초저온 환경이 포일 베어링 지지 회전체의 동적 거동에 미치는 영향을 분석하고, 차년도 연구를 위한 초저온 환경 실험 장치 설계를 진행했다. 당해연도 연구에서는 초저온 터보 컴팬더, 초저온 펌프, 우주 발사체 등 다양한 분야에서의 포일 베어링 적용 사례를 조사하고 기존 연구 논문 및 기술 보고서를 분석하여 초저온 환경에서의 포일 베어링 설계 및 운용 기술 동향을 파악했다. 터보 컴팬더의 작동 조건(회전 속도, 부하, 온도, 압력 등)을 고려하여 초저온 환경에서 포일 베어링의 주요 운용 조건을 정의하고, 베어링 성능에 영향을 미치는 주요 인자를 분석했다. 극저온 환경에서의 재료 특성 변화, 열 변형, 윤활 특성 등을 고려하여 포일 베어링의 설계 변수를 도출했다. 또한, 저널 베어링과 스러스트 베어링의 정하중 특성 평가를 위한 실험 장치를 설계했다. 극저온 환경 구현을 위한 냉각 시스템, 온도 제어 시스템, 진공 시스템, 데이터 측정 시스템 등을 포함하는 실험 장치 설계도면 및 사양을 작성했다. 차년도 연구에서는 극저온 환경에서 포일 베어링의 강성, 감쇠, 마찰 계수 등 주요 동특성 계수를 측정하기 위한 실험 방법 및 절차를 개발하고, 측정 데이터의 신뢰성 확보를 위한 오차 분석 및 보정 방법을 연구할 계획이다. 당해년도에서 수행한 포일 베어링 성능 예측 결과를 검증하기 위한 실험 계획을 수립하고, 실험 조건, 측정 변수, 데이터 분석 방법 등을 구체적으로 설계하여 실험 결과를 토대로 포일 베어링 설계 및 해석 모델을 개선할 것이다. 본 연구는 초저온 환경에서의 포일 베어링 적용 가능성을 확인했으며, 차년도에는 실험 장치 구축 및 성능 평가를 통해 초저온 환경에서의 포일 베어링 성능에 대한 정량적인 데이터를 확보하고 해석 모델의 정확성을 검증할 계획이다. 궁극적으로 극저온 환경에서 운용되는 터보 컴팬더의 성능 향상 및 신뢰성 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.