ロケットターボポンプ用静圧・動圧ハイブリッド軸受の研究

2003 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 13555266
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 展開研究
• 研究分野: 航空宇宙工学
• 研究機関: 石巻専修大学 (2002-2003); 東北大学 (2001)
• 研究代表者: 尾池 守 石巻専修大学, 理工学部, 教授 (70292282)
• 研究分担者: 吉田 誠 宇宙航空研究開発機構, 総合技術研究本部, 主任研究員 ; 山田 仁 宇宙航空研究開発機構, 総合技術研究本部, 主任研究員 ; 上條 謙二郎 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90282003)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2003
• キーワード: ハイブリッド軸受 / 静圧軸受 / 極低温流体 / ロケットターボポンプ

研究概要

本研究は、再使用型ロケットの実現に向けてロケット用高速ターボポンプの長寿命化を図るために、現在寿命制限要素となっている自己潤滑玉軸受に替わり得る静圧・動圧ハイブリッド流体潤滑軸受を試作し、その静的・動的特性を実験的、理論的に解明することで、実用化に際して生じる課題の抽出とその克服を目指す。
従来の解析・設計手法に基づいて回転数120,000rpmまでの稼働が可能な極低温流体の静圧と動圧を利用したリセス付きオリフィス絞りを有する供試軸受を設計・試作した。宇宙航空研究開発機構が整備・改造を進めてきた流体潤滑軸受試験機を用いて、液体窒素を作動流体とした供試軸受の回転試験を行いその動特性を調べた。その結果、オリフィス径が小さくリセス圧力比が低いと、キャビテーションの発生に伴うニューマティックハンマー不安定性が誘発され、振幅が回転同期成分の数倍以上にも達する自励振動の発生することが確認された。このためオリフィス径を拡大し、リセス圧力比を0.2以上に設定することにより自励振動が抑制され、dn値300万(=60mm×50,000rpm)までの回転試験を行うことができた。
また、実験結果と試験条件に基づいて算出した数値解析結果とを比較し、軸受動特性に及ぼす回転数の影響を調べた。その結果、非圧縮性を仮定した数値解析コードでも実験結果と定量的に比較的よく一致する結果が得られ、その妥当性が確認されるとともに、本供試軸受には高速回転下の振れ回り安定性に問題があることが判明した。そのため、この解析手法を用いてリセス形状を設計変数としたパラメータ計算を行い、クリテカル・マスを評価値としたリセス形状の最適化を図った。その結果を踏まえて現状供試軸受の改善策を提案し、高速安定性に優れた静圧・動圧ハイブリッド軸受を製作した。