Study on Fuel Lubrication Performance of a High Speed Rolling Element Bearing

소형 고속 구름베어링의 연료윤활 특성 연구

A parametric study was carried out to find the fuel lubrication performance of high speed small rolling element bearings. Both MIL-PRF-7808 turbine oil and JP-8 aircraft fuel were used as the lubricant to compare the operational characteristics. 17 mm inner diameter deep groove ball bearing and 20 mm cylindrical roller bearing were used. A high speed bearing test rig was developed and the testing was done with varying applied load, cooling air temperature, lubricant flow rate, and speed. Fuel caused more cage wear than oil for ball bearing with increasing axial load and rotational speed. The bearing temperature using fuel was lower than that using oil, and this seems to be the result of the high cooling capacity of fuel. According to various tests, the fuel lubrication is applicable for the lubrication on the main shaft bearings of expendable small gas turbines.

초소형 가스터빈에 사용되는 소형 고속 구름베어링의 연료윤활 특성을 실험적으로 조사하였다. 윤활유로는 항공용 가스터빈에서 사용되는 MIL-PRF-7808 터빈오일과 항공용 가스터빈의 추진연료로 사용되는 JP-8 연료를 사용하여 운용특성을 비교하였고, 시험용 베어링으로는 내경 17 mm의 깊은 홈(deep groove) ball bearing과 내경 20 mm의 원통형(cylindrical) roller bearing을 사용하였다. 베어링의 연료윤활에 따른 특성을 비교하기 위하여 오일 및 연료를 공급하며 고속베어링 시험을 수행할 수 있는 시험 장치를 개발하여 하중, 냉각공기 온도, 윤활유량 및 회전속도를 변화시키면서 시험을 수행하였다. 30,000 rpm에서 70,000 rpm까지 회전속도를 변화시키면서 시험한 결과 깊은 홈 볼베어링은 축하중과 회전속도가 증가하는 경우 베어링 케이지에 마모가 발생하였으며 마모상태는 오일윤활보다 연료윤활시 마모가 더 많이 발생하였고 본 베어링의 속도한계인 59,000 rpm까지는 연료 윤활로 운용이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 연료윤활의 경우가 오일윤활의 경우보다 베어링 온도가 더 낮은 것을 알 수 있었는데 이는 베어링의 냉각특성이 연료윤활인 경우가 오일윤활의 경우보다 더 좋기 때문이라 판단된다. 본 실험을 통하여 소형 항공용 가스터빈의 주축 베어링 윤활방식으로 연료윤활 방식이 적용 가능함을 확인할 수 있었다.