Self-lubricating performance of cryogenic hybrid ceramic ball bearings for rocket turbopumps

The hybrid ceramic ball bearings which consists of hard, lightweight ceramic balls and steel rings, generate a lower centrifugal force on the ceramic balls. Good tribological combinations of the ceramic balls against the steel rings result in a decrease in bearing wears. The tribological characteristics of self-lubricated hybrid ceramic bearings in a cryogenic pump flow have not been clarified. The objective of this study was to evaluate the self-lubricating performance by the tests of a modified 25 mm bore hybrid ceramic bearings with Si3N4 balls and SUS440C steel rings, in comparison with all steel bearings, made of SUS440C steel under LN2, LO2 and LH2 flow conditions. As a result, the hybrid bearings were sufficiently able to operate at a thrust load of 2,840 N and at a speed of 50,000 rpm and showed an excellent self-lubricating performance in the LH2 flow and a higher durability in the LO2 flow.
混成セラミックボールベアリングは、硬い軽量セラミックボールとスチールリングから構成されている。このため、セラミックボールに発生する遠心力も小さい。また材質的にボールとリング間の摩擦適合性も良好で、ベアリングの摩擦も低下する。このような、自己潤滑性の混成セラミックボールベアリングの、ロケット低温ポンプ流中の摩擦特性について、ここでは、孔径25mmの混成セラミックボールベアリングの自己潤滑性能を試験によって評価した。ボールの材質はSi3N4、リングはスチールSUS440Cを使用した。また、比較のために、全スチール製SUS440Cのボールベアリング試験も同時に実施した。使用した低温流は、LN2、LO2およびLH2で、推力2,840Nおよび回転速度50,000rpmの試験条件下で試験を実施した。結果は、LH2流中では良好な自己潤滑性能を示した。また、LO2流中では高い耐久性を示した。