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문제 정의
- 보정 데이터로 사용하였다. 규모가 큰 시험 설비에서는 열량의 출입관계를 계산에 정확하게 반영하기 어려우므로, 시험 데이터를 이용하여 계산 프로그램을 보정하고자 하였다. 본 논문에서는 계산 프로그램의 작성 과정을 언급하고 기준 조건으로 삼은 시험데이터와 계산결과를 비교하였다.
- 나타났다[4]. 본 연구에서는 추진기관 공급계 시험 설비를 통하여 실유체인 액체산소를 작동유체로 하여 재순환 배관의 주요성능인 터보펌프 입구에서의 액체산소 온도 상승폭 및 적절한 헬륨 분사량을 살펴보았다. 실제로 공급배관과 재순환배관 내의추진제 밀도차로 인한 자연적인 재순환 발생과 헬륨 분사량에 따른 액체산소의 순환량 및 배관 내부의 온도분포를 측정하였다.
- 실제로 공급배관과 재순환배관 내의추진제 밀도차로 인한 자연적인 재순환 발생과 헬륨 분사량에 따른 액체산소의 순환량 및 배관 내부의 온도분포를 측정하였다. 재순환배관의 경로가 터보펌프 후단, 즉 종단밸브의 전단에 위치할 경우 엔진부 공급계의 냉각(chill-down)에 관한 시험을 수행할 수 있으나, 본 연구에서는 재순환 배관의 경로를 터보펌프가 장착되리라 예상되는 지점의 전단에 위치시킴으로써 터보 펌프로 유입되는 액체산소의 온도를 관찰하는데 초점을 두었다.
가설 설정
- 탱크 내부 추진제의 밀도는 배관시스템의 입구와 출구 사이의 높이차에 의한 수두압을 가하기 위해 사용되는데, 성충화에 의한 온도 차이를 무시하고 탱크 내부가 완전 혼합된다고 가정하여 액체산소의 대표온도를 측정하여 밀도 값을 고정하였다.
제안 방법
- 다음으로 값을 알지 못하는 배관시스템의 구성품에 대한 압력손실계수를 조절하여 액체산소 재순환 유량이 시험데이터와 다시 일치하도록 하였다. 이렇게 찾아진 디자인 변수값들을 고정값으로 입력하고 다른 시험 조건에도 적용하여 적절한 결과를 출력하는지 확인하였다.
- 먼저 프로그램에서 액체산소의 재순환유량을 시험데이터의 값으로 강제로 고정하였다. 다음으로 온도와 관련된 디자인변수인 단열재 전도열전달계수와 구성품의 국지적 열침투량을 조절하면서 배관 내부의 액체산소 온도분포를 시험데이터와 일치시켰다. 이 때 찾아진 변수값들을 고정값으로 입력한 후 액체산소의 재순환유량에 대한 고정을 해제하였다.
- 발사체 의 대 기과정 과 선가압과정에서 의 재순환 성능을 보기 위하여 산화제 탱크 얼리지를 대기압 상태로 유지한 경우와 선가압 압력인 약 4 barg로 가압한 경우로 나누어 시험을 수행하였다. 대기압 시험의 경우 액체산소를 충진하고 탱크 상부의 벤트밸브를 개방하여 얼리지가대기압으로 안정화된 후 시험을 수행하였다. 배관 내에 상당량의 기포가 존재하지 않는 한 탱크와 배관 내 액체산소의 초기온도는 재순환 성능에 영향을 미치지 않으므로 액체산소의 초기온도 조건과 관계없이 시험을 수행하였다[4].
- 재순환배관에는 재순환 밸브와 액체산소의 순환량을 측정하기 위한 유량계가 장착되어 있고 공급배관과 재순환배관의 주요 지점에는 온도센서와 압력센서를 설치하여 배관 내 길이 방향의 온도 분포를 파악할 수 있도록 있도록 하였다. 또한 탱크 내 하부에 온도 센서를 장착하고 얼리지에 온도 및 압력 센서를 장착하여 시험 조건을 알 수 있도록 하였다. 센서가 장착된 위치는 Fig.
- 먼저 하나의 시험 조건에 대하여 시험데이터 보정 방법을 이용하여 시험설비의 열침투 및 압력강하 특성을 반영하도록 프로그램을 작성하고이것이 다른 시험 조건에서도 잘 맞는지 확인하였다. 프로그램 작성을 위한 시험 조건으로는 가압 상태의 자연재순환인 경우의 데이터를 사용하였다.
- 헬륨은 재순환배관의 하부에서 윗 방향으로 분사되도록 하였는데 이는 분사된 헬륨의 gas-lift 작용에 의해 액체산소의 순환이 활발하도록 하기 위함이다. 미터링 밸브를 이용하여 분사되는 헬륨량을 조절하였고 유량계를 장착하여 분사량을 측정하였다.
- 발사체 의 대 기과정 과 선가압과정에서 의 재순환 성능을 보기 위하여 산화제 탱크 얼리지를 대기압 상태로 유지한 경우와 선가압 압력인 약 4 barg로 가압한 경우로 나누어 시험을 수행하였다. 대기압 시험의 경우 액체산소를 충진하고 탱크 상부의 벤트밸브를 개방하여 얼리지가대기압으로 안정화된 후 시험을 수행하였다.
- 대기압 시험의 경우 액체산소를 충진하고 탱크 상부의 벤트밸브를 개방하여 얼리지가대기압으로 안정화된 후 시험을 수행하였다. 배관 내에 상당량의 기포가 존재하지 않는 한 탱크와 배관 내 액체산소의 초기온도는 재순환 성능에 영향을 미치지 않으므로 액체산소의 초기온도 조건과 관계없이 시험을 수행하였다[4]. 가압 시험의 경우에는 탱크 내부 추진제가 대기압 상태에서 안정화된 후 시험설비의 가압제어시스템을 통해 솔레노이드 밸브 개폐 방식으로 압력을 유지하였다[5].
- 배관 내부 액체산소의 초기온도는 탱크 내 온도와 동일하게 주었다. 밸브 등의 구성품은 상세히 모델링하지 않고 구성품의 압력손실계수가 적용된 배관으로 처리한 후 시험데이터를 이용하여 구성품이 위치한 지점에 열량을 강제로 부여하도록 하였다.
- 규모가 큰 시험 설비에서는 열량의 출입관계를 계산에 정확하게 반영하기 어려우므로, 시험 데이터를 이용하여 계산 프로그램을 보정하고자 하였다. 본 논문에서는 계산 프로그램의 작성 과정을 언급하고 기준 조건으로 삼은 시험데이터와 계산결과를 비교하였다. 추후 시험설비에서 액체산소가 흡수하는 열량에 대하여 계산 프로그램의 지속적인 개선을 수행할 예정이며 이를 통하여 규모가 큰 시험 설비에서 많은 시험을 수행하지 않고도 재순환 배관의 성능을 예측할 수 있을 것으로 기대한다.
- 25인치 배관을 통해 공급된다. 분사라인을 제외한 모든 배관은 폴리우레탄 폼을 이용해 단열하였다.
- 선가압 조건에서의 재순환 성능을 살펴보기 위하여 얼리지를 약 4 barg로 가압한 상태에서 시험을 수행하였다.
- 시험 데이터를 사용하여 프로그램을 보정하기 위해서는 주된 디자인 변수를 선정해야 하므로 계산에 사용되는 변수들 각각에 대하여 그 값을 임의로 변화시키면서 결과의 민감도를 살펴보고 결과에 미치는 영향이 큰 변수만 디자인 변수로 선정하였다. 민감도가 작은 변수 및 시험 조건 데이터에 의해 고정할 수 있는 변수를 제외하고 선정된 디자인 변수는 단열재의 전도열전달 계수, 배관시스템의 압력손실계수, 구성품에서의 국지적 열침투량이다.
- 것이다. 시험을 수행하면서 탱크 내 액체산소의 온도가 변할 수 있으므로 재순환배관에 의한 온도상승 억제 정도를 알기 위해 탱크 내 액체산소 온도에 대한 배관 내 액체산소의 상대적인 온도상승폭을 비교하였다. 분사량이 커질 수록 터보 펌프 입구 지점의 액체산소 온도가 감소하였으나 일정량 이상을 분사하는 경우에는 액체산소의 순환량 감소에 의해 배관 내 액체산소의 온도가 다시 증가하였다.
- 본 연구에서는 추진기관 공급계 시험 설비를 통하여 실유체인 액체산소를 작동유체로 하여 재순환 배관의 주요성능인 터보펌프 입구에서의 액체산소 온도 상승폭 및 적절한 헬륨 분사량을 살펴보았다. 실제로 공급배관과 재순환배관 내의추진제 밀도차로 인한 자연적인 재순환 발생과 헬륨 분사량에 따른 액체산소의 순환량 및 배관 내부의 온도분포를 측정하였다. 재순환배관의 경로가 터보펌프 후단, 즉 종단밸브의 전단에 위치할 경우 엔진부 공급계의 냉각(chill-down)에 관한 시험을 수행할 수 있으나, 본 연구에서는 재순환 배관의 경로를 터보펌프가 장착되리라 예상되는 지점의 전단에 위치시킴으로써 터보 펌프로 유입되는 액체산소의 온도를 관찰하는데 초점을 두었다.
- 유량값을 일치시킬 경우에는 목표값에 시험데이터의 유량값을 직접 대입하였고, 온도분포와 압력분포를 일치시킬 경우에는 최소자승법을 이용하여 목표값을 다음과 같이 지정하고 이 값이 최소가 되는 디자인 변수를 찾도록 하였다. Eq.
- 다음으로 온도와 관련된 디자인변수인 단열재 전도열전달계수와 구성품의 국지적 열침투량을 조절하면서 배관 내부의 액체산소 온도분포를 시험데이터와 일치시켰다. 이 때 찾아진 변수값들을 고정값으로 입력한 후 액체산소의 재순환유량에 대한 고정을 해제하였다.
- 이렇게 찾아진 디자인 변수값들을 고정값으로 입력하고 다른 시험 조건에도 적용하여 적절한 결과를 출력하는지 확인하였다.
- 추진기관 공급계 시험설비에 공급배관 및 재순환 배관을 설치하여 터보펌프 전단의 배관 내부 액체산소 온도 저감을 위한 재순환배관 성능시험을 수행하였다. 설치된 배관 규격에 대하여는 대기압 상태에서 약 0.
- 계산은 열유체 해석용 상용프로그램인 SINDA/FLUINT 를사용하였다. 탱크 내부 액체산소에 대한 계산은 포함되어 있지 않고, 대신 탱크 내 액체산소의 온도 및 얼리지 압력에 대한 시험결과를 이용하여 해당 조건에서의 밀도와 배관시스템 입출구의 높이차를 조건으로 주었다. 이를 통해 공급 배관 입구와 재순환배관 출구 사이에는 수두에 의한 압력차 조건이 주어지게 된다.
대상 데이터
- 시험을 통해 얻은 액체산소의 순환량과 배관 내부의 온도 분포는 재순환배관의 성능 계산을 위한 보정 데이터로 사용하였다. 규모가 큰 시험 설비에서는 열량의 출입관계를 계산에 정확하게 반영하기 어려우므로, 시험 데이터를 이용하여 계산 프로그램을 보정하고자 하였다.
- 작동유체는 극저온 추진제로 액체산소를 사용하였고, 재순환 촉진용 분사가스로 헬륨을 사용하였다. 발사체 의 대 기과정 과 선가압과정에서 의 재순환 성능을 보기 위하여 산화제 탱크 얼리지를 대기압 상태로 유지한 경우와 선가압 압력인 약 4 barg로 가압한 경우로 나누어 시험을 수행하였다.
- 추진기관 공급계 시험설비에 장착된 재순환 배관 시험라인은 발사체 상단용에 해당하는 규격으로서 산화제 탱크, 직경 2.5인치의 공급배관, 직경 1인치의 재순환배관으로 구성되어 있다. 재순환 배관의 직경은 기존 연구를 통하여 공급 배관과 적절한 직경비를 가지도록 선정하였다[4].
- 프로그램 작성을 위한 시험 조건으로는 가압 상태의 자연재순환인 경우의 데이터를 사용하였다.
데이터처리
- 배관시스템의 모델을 나타낸다. 계산은 열유체 해석용 상용프로그램인 SINDA/FLUINT 를사용하였다. 탱크 내부 액체산소에 대한 계산은 포함되어 있지 않고, 대신 탱크 내 액체산소의 온도 및 얼리지 압력에 대한 시험결과를 이용하여 해당 조건에서의 밀도와 배관시스템 입출구의 높이차를 조건으로 주었다.
- 시험데이터를 이용하여 재순환배관의 성능계산을 위한 프로그램을 작성하고 시험결과와 비교하였다. 주요 디자인 변수를 변화시키면서 재순환량 및 온도분포를 시험데이터와 일치시켰으나 구성품에 대한 열량 투입방식의 오류로 인하여 프로그램 작성에 기준으로 삼은 조건을 제외하고는 시험결과와 잘 맞지 않았다.
성능/효과
- 11에서는 시험과 계산이 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 그러나 다른 시험 조건에 적용하였을 경우 공급배관 내부의 액체산소 온도분포는 잘 일치하였으나 헬륨분사량이 증가할수록 재순환배관 내부의 온도분포는 시험과 계산의 차이가 커지는 결과를 보여주었다. 그림에서 TT6801 온도센서가 위치한 지점은 밸브, 유량계, 배관 서포트와 같은 구성품들이 밀집된 지역으로서 계산 프로그램이 각 시험조건에서 상기 구성품들에 의한 열침투량을 적절히 반영흐卜 지 못하고 있음을 나타낸다.
- 6℃ 정도로 유지할 수 있었다. 대기압 시험의 경우 적절한 헬륨분사량 이상에서는 순환되는 액체산소의 유량이 오히려 감소하였으며, 가압 시험의 경우 동일한 헬륨 분사량에 대해 대기압 시험의 경우보다 gas-lift 효과가 줄어들었다. 대기압 조건에서는 재순환 배관 내의 액체산소가 포화상태에 도달하여 탱크로 다시 유입되는 온도가 낮아졌으나, 가압 조건에서는 과냉각 상태를 유지함으로 인해 액체산소의 온도가 지속적으로 상승하면서 탱크로 다시 유입되었다.
- 수행하였다. 설치된 배관 규격에 대하여는 대기압 상태에서 약 0.09 g/sec, 가압 상태에서 약 0.17 g/sec 정도의 헬륨분사량이 적절한 것으로 파악되었으며 두 경우 모두 탱크 내부액체산소 온도에 대한 터보펌프 전단지점의 온도 상승폭을 약 0.6℃ 정도로 유지할 수 있었다. 대기압 시험의 경우 적절한 헬륨분사량 이상에서는 순환되는 액체산소의 유량이 오히려 감소하였으며, 가압 시험의 경우 동일한 헬륨 분사량에 대해 대기압 시험의 경우보다 gas-lift 효과가 줄어들었다.
- 보여준다. 헬륨분사량이 증가할수록 재순환되는 유량이 증가하였으나 대기압 시험의 경우보다 gas-lift 효과가 더 작았다. 이는 동일한 질 유량의 헬륨을 분사할 경우 가압된 상태에서는 대기압 상태인 경우보다 헬륨의 부피가 줄어들게 되므로 더 적은 부피의 헬륨이 상승하게 되어 액체산소를 끌어올리는 힘이 감소한 것으로 판단된다.
후속연구
- 이는 동일한 질 유량의 헬륨을 분사할 경우 가압된 상태에서는 대기압 상태인 경우보다 헬륨의 부피가 줄어들게 되므로 더 적은 부피의 헬륨이 상승하게 되어 액체산소를 끌어올리는 힘이 감소한 것으로 판단된다. 즉, 재순환배관 내에 부피유량이 동일하도록 헬륨을 분사해 주어야 같은 크기의 gas-lift 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 구성품에 열량을 투입함에 있어 액체산소의 순환량 및 유속증가에 따른 대류열전달계수의 변화를 고려하지 않고 모든 시험 조건에 대하여 일정한 열량을 강제로 투입하였기 때문이다. 추후 각 구성품으로부터 액체산소가 흡수하는 열량을 계산함에 있어 유속에 따른 대류열전달계수의 변화를 고려하고 배관 내 액체산소의 상태에 대한 보다 상세한 계산을 수행할 예정이다.
- 본 논문에서는 계산 프로그램의 작성 과정을 언급하고 기준 조건으로 삼은 시험데이터와 계산결과를 비교하였다. 추후 시험설비에서 액체산소가 흡수하는 열량에 대하여 계산 프로그램의 지속적인 개선을 수행할 예정이며 이를 통하여 규모가 큰 시험 설비에서 많은 시험을 수행하지 않고도 재순환 배관의 성능을 예측할 수 있을 것으로 기대한다.
- 주요 디자인 변수를 변화시키면서 재순환량 및 온도분포를 시험데이터와 일치시켰으나 구성품에 대한 열량 투입방식의 오류로 인하여 프로그램 작성에 기준으로 삼은 조건을 제외하고는 시험결과와 잘 맞지 않았다. 추후 이에 대한 수정을 통하여 보다 상세한 프로그램을 작성할 예정이다.
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