액체로켓엔진 터보펌프용 하이브리드 스러스트 베어링에 관하여: 2017년부터 한양대학교에서 수행된 연구를 중심으로

Abstract

액체로켓엔진 극저온 터보펌프의 회전체를 지지하는 유체 베어링에 대한 관심은 꾸준히 증가해 오고 있다. 고속 회전기계인 터보펌프는 액체로켓엔진이 충분한 추력을 만들어내기 위한 핵심 부품 중 하나이다. 극저온 터보펌프는 극한 환경에서 운용되며, 임펠러를 통과하며 증가된 유체의 압력으로 인한 높은 압력 구배 및 반경방향 하중을 지지하기 위한 유체 베어링을 필요로 한다. 하이브리드 유체 베어링을 적용한 터보펌프는 낮은 마찰 및 마모를 통해 향상된 내구성을 가질 수 있으로 기대된다. 하이브리드 스러스트 베어링은 가압된 유체를 통해 높은 하중지지력, 강성 및 감쇠를 제공하며 극저온 터보펌프에서 발생하는 축방향 하중을 효과적으로 지지하는 것이 가능하다. 지금까지 진행된 스러스트 베어링 연구들에서는 베어링 표면의 형상, 운전 조건 및 유체 관성력 등이 하중 지지력, 강성 및 감쇠에 미치는 영향들을 제시하였다. 그리고 2000년도부터 진행된 하이브리드 스러스트 베어링 연구들에서는 유체 관성력, 난류 및 유체 압축성 등을 고려한 부피 유동 모델을 제안하였으며, 불정렬이 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 하이브리드 스러스트 베어링의 극저온 환경을 고려한 해석적 연구들이 진행된 바 있으나, 극저온 환경에서의 실험적 성능을 규명하는 연구들은 많지 않았다. 한양대학교 터보기계연구실에서는 2017년에 구축한 실험장치를 시작으로 극한 상황에서 운용되는 유체 스러스트 베어링에 대한 연구를 진행해 왔다. 극저온 환경에서 작동하는 하이브리드 스러스트 베어링의 특성을 규명하기 위한 실험장치를 구축하고, 이를 검증하기 위한 예측 모델의 제작 및 검증을 진행하였다. 또한, 제작 공정이 간단하고 설계 자유도가 높은 적층 제조 기술을 적용한 하이브리드 스러스트 베어링을 설계 및 제작하여 이를 절삭 가공 베어링과 비교하였다. 본 연구에서는 이러한 지금까지의 연구 과정과 그 결과를 정리하여 고찰하고, 향후 연구 방향을 제시해 보고자 한다.