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문제 정의
- 본 논문에서는 액체산소와 케로신을 이용한 30톤급 개방형 액체로켓 엔진에 적용 가능한 터보 펌프의 터빈 시험 결과에 대하여 다루었다. 이 터빈 역시 일반적인 개방형 엔진 터보펌프 터빈과 같이 초음속 충동형으로 설계되었으며 적은 작동 유량하에서 공력성능을 높이기 위해 부분 분사(partial admission) 형태를 적용하였다.
제안 방법
- 30톤급 개방형 액체로켓 엔진 터보 펌프 터빈에 대한 공기 상사시험을 수행하였다. 터빈의 속도 삼각형과 마하수를 맞추되 주어진 노즐 면적 비를 고려하지 않은 1 완전팽창이 가능한 압력비하에서 설계속도 삼각형으로부터 터빈 시험회전수를 결전한 "상사조건 2"에서터빈의 성능을 확인한 결과 각각 51.
- 수력동력계는 독립적인 제어장치 (Texcel V100)로 조절되는데 정속, 정토오크등의 모드로 운용 가능하다. 데이터 획득 장치(Data acquisition system, DAS) 는 CS(control system) 과 MS(measurement system)으로 구성되는데 CS에서는 고압공기 배관 상의 각종 제어 밸브 및 레귤레이터를 제어하며 시험 전/시험 중의 상태를 모니터링한다. MS는 측정 센서들의 특성값 설정, 시험중 데이터 저장, 그리고 시험 데이터 후처리 등의 기능을 수행한다.
- 이 터빈 역시 일반적인 개방형 엔진 터보펌프 터빈과 같이 초음속 충동형으로 설계되었으며 적은 작동 유량하에서 공력성능을 높이기 위해 부분 분사(partial admission) 형태를 적용하였다. 시험 결과는 터빈의 설계점 성능, 터빈노즐 성능, 그리고 터빈노즐-로터 간극 변화에 따른 터빈 성능변화로 구분하여 분석하였다. 개발 터빈의 号징에 대하여 II 절에 간략히 언급하였고 시험 설비와 시험조건 및 절차에 대하여 Ⅲ절에 기술하였다.
- 실험은 네 가지 노즐-로터 간극에 대하여 설정 압력비와 회전수를 바꾸어가며 수행하였다. 축 간극의 조절은 축 추력 베어링 내륜과 터빈 로터 사이의 조절링 (adjusting ring)을 이용하였다.
- 이 터빈 역시 일반적인 개방형 엔진 터보펌프 터빈과 같이 초음속 충동형으로 설계되었으며 적은 작동 유량하에서 공력성능을 높이기 위해 부분 분사(partial admission) 형태를 적용하였다. 시험 결과는 터빈의 설계점 성능, 터빈노즐 성능, 그리고 터빈노즐-로터 간극 변화에 따른 터빈 성능변화로 구분하여 분석하였다.
- 축 간극의 조절은 축 추력 베어링 내륜과 터빈 로터 사이의 조절링 (adjusting ring)을 이용하였다. 조절링에 따른 축 간극 값을 Table 4에 정리하였다.
- 터빈 시험은 상사시험 압력비 및 회전수를 포함하는 보다 넓은 영역에서 시험을 수행하였다. 시험영역은 터빈의 예측 성능선도와 수력동력계의 가용 운용영역을 고려하여 터빈 압력비 9-22, 회전수 3000-11000 rpm 으로 정하였다.
- 터빈의 공력성능 확인을 위해 온도 및 압력 센서들을 터빈 입구 배관, 터빈 노즐츨구, 로터출구, 정익 출구, 그리고 출구 배 관으로 구분하여 장착하였는데 장착 센서 위치를 Fig. 4에 정리하였다. 온도센서는 t-형 열전대를 사용하였으며 압력 센서는 스트레인게이지를 기본으로 한 다이아프레임 (diaphragm) 타입의 고정 밀도 시험용 센서 (TJE model, Sensotec) 를 사용하였다.
대상 데이터
- 터빈노즐은 12개의 원형 수축확산 노즐 형태로 설계되었다. 터빈로터는 두 개의 원호로 구성된 대칭 익형의 동익을 갖고 있으며 효율을 높이기 위해 슈라우드를 적용하였다.
이론/모형
- 4에 정리하였다. 온도센서는 t-형 열전대를 사용하였으며 압력 센서는 스트레인게이지를 기본으로 한 다이아프레임 (diaphragm) 타입의 고정 밀도 시험용 센서 (TJE model, Sensotec) 를 사용하였다.
- 터빈로터는 두 개의 원호로 구성된 대칭 익형의 동익을 갖고 있으며 효율을 높이기 위해 슈라우드를 적용하였다. 터빈 로터는 참고문헌 [4] 에 사용된 로터 (블리스크-슈라우드 용접) 와 는 달리 EDM (electrical discharge machining) 을 적용하여 블리스크-슈라우드 .일체형으로 제작되었다.
성능/효과
- 터빈운용조건 변화에 따른 터빈노즐 성능의 변화를 관찰한 결과 압력비에 따른 터빈 효율의 변화는 대부분 초음속노즐의 후방 배압의 변화에 의한 노즐효율 변화에서 기 인하며 효율 변화에 영향을 주는 전압력 손실은 대부분 노즐-로터간극사이에서 일어나는 것으로 나타났다. 초음속 터빈에서의 노즐-로터 간 축간 극 변화에 따른 터빈 효율 변화는 특정 구간에서 급격한 변화가 관찰되었는데 "상사조건 1"에서 축간극이 2.7mm에서 1.9mm 감소함에 따라 효율은 3.5% 증가됨을 확인하였다.
- 공기 상사시험을 수행하였다. 터빈의 속도 삼각형과 마하수를 맞추되 주어진 노즐 면적 비를 고려하지 않은 1 완전팽창이 가능한 압력비하에서 설계속도 삼각형으로부터 터빈 시험회전수를 결전한 "상사조건 2"에서터빈의 성능을 확인한 결과 각각 51.1과 55.5%로 설계 51%를 상회하였다. 터빈운용조건 변화에 따른 터빈노즐 성능의 변화를 관찰한 결과 압력비에 따른 터빈 효율의 변화는 대부분 초음속노즐의 후방 배압의 변화에 의한 노즐효율 변화에서 기 인하며 효율 변화에 영향을 주는 전압력 손실은 대부분 노즐-로터간극사이에서 일어나는 것으로 나타났다.
- 참고로, 공력적인 면에서 축 간극은 작을수록 좋지만 터빈 운용의 안정성도 아울러 고려되어야 한다. 개발 터빈에 대한 구조해석 결과 터보펌프의 초기시동 시 터빈로터 팁 부위가 노즐방향으로 약 lmm 정도의 변형이 되었다가 복원되는 것으로 나타났는데 이는 실제 운용 시 터보펌프의 안전한 작동을 위해 축 간극이 충분히 확보되어야 함을의 미 한다.
- 결과 터빈입구온도와 .유량계의 영향이 큰 것으로 나타났으며 측정 효율값을 기준으로 한 불확실도는 1.8% 이내인 것으로 확인되었다.
- 5%로 설계 51%를 상회하였다. 터빈운용조건 변화에 따른 터빈노즐 성능의 변화를 관찰한 결과 압력비에 따른 터빈 효율의 변화는 대부분 초음속노즐의 후방 배압의 변화에 의한 노즐효율 변화에서 기 인하며 효율 변화에 영향을 주는 전압력 손실은 대부분 노즐-로터간극사이에서 일어나는 것으로 나타났다. 초음속 터빈에서의 노즐-로터 간 축간 극 변화에 따른 터빈 효율 변화는 특정 구간에서 급격한 변화가 관찰되었는데 "상사조건 1"에서 축간극이 2.
후속연구
- 시험을 통해 확인된 터빈 효율은 설계값 51%를 상회하는 것으로 나타났는데(51.1~55.5%) 실제 효율 및 3절에 기술된 공기 상사 시험조건 설정 방법에 대한 검증은 추후 진행될 실매질 실험을 통해 확인될 수 있을 것으로 보인다.
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