[논문]국내 터보펌프 개발 현황

김진한

국내 터보펌프 개발 현황
Status of the Development of Turbopumps in Korea 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.12 no.5 = no.48, 2008년, pp.73 - 78

초록
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국내에서는 1999년부터 터보펌프의 개발을 실질적으로 시작하였다. 최근 국내에서 독자적으로 개발한 30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프는, 엔진에서 요구하는 모든 작동영역에서의 실매질성능시험을 성공적으로 통과하였다. 이는 터보펌프가 우리나라의 액체로켓엔진의 독자개발에 있어 큰 기술적 장벽으로 여겨져 왔다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 본 논문에서는 그간 국내에서 수행되어온 터보펌프관련 개발 현황과 향후 나아가야 할 방향에 대하여 제언하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The development of turbopump in Korea has been practically started from 1999. Recently, the turbopump for a LRE with 30-ton level thrust has been successfully developed, which is able to work for all the required LRE regimes. This success is considered as a breakthrough in development of LRE because the turbopump, a core component of LREs, has been considered as a critical barrier in domestic technology point of view. In this paper, status of the turbopump development in Korea is provided and some suggestions are made for the prospective future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

결국 핵심기술들과 관련한 심도 있는 연구와 설계기술 개발이 미흡하였으며 특히, 기술도 입의 상대인 러시아 기관은 비행용엔진을 개발 하는 기관이 아닌 선행개발을 수행하는 기관으로 실제 비행용과는 다소 거리가 있는 기술을 이전 받게 되었다. 따라서, 항우연에서는 발사체에 필요한 터보펌프관련 애로기술을 재분류하고 그 중 가장 시급하고 핵심이 되는 펌프의 흡입성능 향상에 관한 연구를 수행하게 되었다. 펌프의 흡입 성능은 발사체무게의 상당부분을 차지하는 탱크의 무게와 직결되어 있고 이는 발사체의 성능과 직결되는 중요한 변수이지만 당시 러시아에서 도입해온 인듀서의 설계기술은 낙후된 것이었다.
국내에서는 이러한 터보펌프의 개발이 1999년부터 본격적으로 시작되었고 2008년 현재에는 실매질상태에서 설계점/탈설계점 모두 성능이 검증되어 실용화의 단계에 이르렀다. 지난 논문[1]에서 30톤급 터보 펌프개발과 함께 국내의 터보펌프개발에 대한 내용을 개괄적으로 소개한 바 있으나 본 논문에서는 그간 국내에서 수행되어 온 터보펌프관련 연혁과 향후 국내에서 액체로켓엔진의 개발을 위한 우리의 나아가야할 방향에 대해 제언하고자 한다.

제안 방법

인듀서의 흡입성능 측면에서 볼 때, 초기 설계대비 무려 40% 향상된 성능을 갖게 되었다.(Fig. 3 참조) 이러한 개발 과정에서 물을 작동유체로 하는 인듀서의 가시화를 위한 성능시험 설비(Fig. 4)를 구축하였으며 또한, 안정된 작동유체로 액체산소의 환경을 예측하기위하여 액체질소를 이용한 극저온 환경에서의 인듀서 및 펌프의 성능시험이 가능한 시험설비(Fig. 5)를 구축하였다. 이러한 시험 설비는 실제 펌프와 인듀서가 액체산소환경에서 열구조적으로 어떤 특성을 가질 것인지를 알 수 있게 하였으며 변형된 이후의 성능을 도출할 수 있게 되었다.
예를 들어, IPS (Inter-propellant Seal)와 MFS (Mechanical Face Seal)의 경우 누설을 최소화하기 위한 구조로 설계개념을 바꾸었고 성능시험을 통한 최적 카본재질을 선정하였다. 국내에서 터보펌프의 설계를 마치고 1차 시제의 제작이 이루어지는 동안 실제 비행용 터보펌프로의 미흡한 부분이 없는지 검증하기 위하여 해외에 터보펌프의 설계요구조건만을 주고 설계용역을 의뢰 하였으며 용역 결과를 토대로 국내 설계의 장단점을 비교/검토하였다. 국내 터보펌 프의 경우 공력/수력 설계측면에서는 오히려 해외기관의 설계결과 보다 우수하였으며 구조적인 측면에서는 동등한 것으로 나타났다.
이에 따라 성능시험 개념과 시험장치를 항우연에서 자체 개발하여 시험을 수행하였다. 이 외에도 상온/극저온환경에서의 베어링/ 실의 시험이 가능한 시험 설비를 구축/운용하였다. 항우연에서 개발한 30톤급 엔진용 터보펌프는 국내 수급 가능소재로 국내독자설계 및 국내 제작이 이루어진 순 국산화제품이며 해외에서 수입한 부품은 베어링만이 유일하다.
7)이 가능하다. 이러한 제반 시험을 모두 마친후 액체산소-케로신-고온가스(산화제펌프-연료펌프-터빈)의 작동유체로 실매질 성능시험을 수행하기 위하여 러시아의 시험 전문기관에서 시험을 수행하였다. 이 시험의 운용조건은 30톤급 액체로켓엔진의 요구조건으로서 설계점은 물론 탈설계점을 갖는 전 작동영역에서 성공적으로 수행되었다.
이에 따라 통상적인 제작 방법(5축기 계가공 혹은 주조)으로는 제작 자체가 어려웠으며, 민군겸용과제를 통하여 러시아로부터 도입된 방법인 방전가공으로 블레이드 하나씩을 가공하기에는 제작시간이 엄청나게 소요되어 실제 엔진개발시에는 개발일정상 문제가 될 것이어서 채택할 수 없었다. 이에 따라 5축 방전으로 한꺼번에 블레이드를 가공하는 기술을 국내제작업체 에서 개발하였다. 이 외에도 러시아의 설계기술중 많은 곳에서 새로운 개념의 설계가 이루어 졌다.
왜냐하면 축추력에 의해 베어 링이 파손되고 결국 회전체가 파손될 수 있기 때문이다. 이에 따라 성능시험 개념과 시험장치를 항우연에서 자체 개발하여 시험을 수행하였다. 이 외에도 상온/극저온환경에서의 베어링/ 실의 시험이 가능한 시험 설비를 구축/운용하였다.
터빈 동익 제작의 경우 터빈의 성능을 높이기 위하여 동익의 현절비(solidity)를 크게 하고 로터가 슈라우드를 갖도록(shrouded rotor) 하였다. 제작은 fir-tree 방식으로 할지 블리스크형으로 할 것인지를 검토한 결과 fir-tree의 구조적 결함 가능성을 고려하여 블리스크형으로 결정하였다. 이에 따라 통상적인 제작 방법(5축기 계가공 혹은 주조)으로는 제작 자체가 어려웠으며, 민군겸용과제를 통하여 러시아로부터 도입된 방법인 방전가공으로 블레이드 하나씩을 가공하기에는 제작시간이 엄청나게 소요되어 실제 엔진개발시에는 개발일정상 문제가 될 것이어서 채택할 수 없었다.
선행개발로 수행된 것 중 또 하나의 중요한 것으로 터보펌프의 시험설비 수정/구축을 들 수있다. 즉, 기존 민군겸용과제로 구축된 10톤급 시험설비의 수정 및 추가구축이 이루어졌다. 러시아의 시험설비를 운용한 결과 부대설비는 그운용/안정성 측면에서 매우 우수하다고 판단되 었다.
항우연에서 수행된 “극저온 펌프 캐비테이션 성능예측 및 시험/평가 기술개발”과제는 흡입성능향상관련 기술구축에 역점을 두어 인듀서의 설계기술을 선진국 수준으로 끌어 올리는데 성공하였으며 30톤급 액체로켓엔진에 사용가능한 인듀서를 설계 및 실험을 통하여 개발하였고 극저온 상태에서의 산화제펌프 성능특성을 도출하였다.

대상 데이터

민군겸용개발사업으로 수행된 ‘고압터보펌프개발’과제에서는 (주)로템이 주관기관이 되어 러시아로부터 기술을 도입하여 개발하는 형식으로 수행되었다[2]. 공동연구기관으로 항우연이 산화제펌프와 10톤급 터보펌프용 시험설비구축 및성능시험을, KIST가 회전체진동 및 플로팅링실을, 한국기계연구원이 연료펌프를 개발 내용으로 맡아 역할을 담당하였고 비츠로테크 등과 같은 여러 업체들이 제작업체로 참여하여 10톤급 메탄엔진용 터보펌프개발을 지난 1999년부터 2004 년까지 5년간 수행하였다. Fig.

성능/효과

항우연에서 수행된 “극저온 펌프 캐비테이션 성능예측 및 시험/평가 기술개발”과제는 흡입성능향상관련 기술구축에 역점을 두어 인듀서의 설계기술을 선진국 수준으로 끌어 올리는데 성공하였으며 30톤급 액체로켓엔진에 사용가능한 인듀서를 설계 및 실험을 통하여 개발하였고 극저온 상태에서의 산화제펌프 성능특성을 도출하였다. 인듀서의 흡입성능 측면에서 볼 때, 초기 설계대비 무려 40% 향상된 성능을 갖게 되었다.(Fig.

후속연구

곧 발사될 KSLV-Ⅰ발사체는 잘 알려진 바와 같이 1단은 러시아의 액체엔진을 사용하며 2단은 국내에서 개발한 고체모터를 사용한다. KSLV-Ⅰ개발사업 까지는 발사체 시스템기술의 국내구축에 역점을 두어 개발하여 왔다면 향후 후속으로 진행될 KSLV-Ⅱ(발사체명 미정)는 발사체 추진기관기술의 국내구축에 역점을 두어 1단의 액체로켓엔진을 국내에서 개발 할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보펌프는 어떠한 회전체를 갖고 있는가?	터보펌프는 그 중요성과 함께 고압으로 연료와 산화제를 공급해주는 그 기능상 ‘발사체의 심장‘이라 불린다. 터보펌프는 저온의 산화제와 고온의 터빈구동가스가 공존하며, 엔진에서 가장 높은 압력으로 작동되는 반면 고속으로 회전하는 회전체를 갖고 있다. 즉, 열구조적 측면, 기밀 /누설의 측면, 회전체진동 안정성 측면, 추진제 탱크의 압력을 최소화하기 위한 펌프캐비테이션 측면에서 다른 어떠한 발사체 부품들 보다 기술적으로 극복하기 어려운 요소를 갖고 있음을 의미하며 결과적으로 오작동이 일어나기 쉬운 부품으로 세심한 관심이 필요하다.
	발사체개발 사업의 개발을 위한 공감대의 형성이 매우 중요한 이유는 무엇인가?	발사체개발 사업은 그 국가적 중요성은 물론 매우 많은 참여자들이 함께 마치 톱니바퀴와 같이 수행해야하는 시스템사업으로 개발을 위한 공감대의 형성은 매우 중요하다고 본다. 국내의 발사체개발에 참여하는 산학연 모든 분들과 관심을 가지고 후원해 주시는 모든 분들이 함께 ‘인공위성 자력발사’라는 국가적인 공동의 목표를 가지고 앞으로 나아가기를 간절히 소망하며 이를 위하여 우리 모두 하나가 되어 두려움 없이 도전해야 할 것이다.
	국내 터보펌프 개발의 개발 성격을 규정하면 어떠한 것이라 할 수 있는가?	그동안의 국내 터보펌프 개발은 교육과학기술부((구)과기부) 주관 하에 수행된 민군겸용개발사업, 한국항공우주연구원(이하 항우연)의 기관고유사업 및 교육과학기술부 주관 KSLV-Ⅰ사업의 일환으로 수행된 ‘액체엔진 선행연구’가 전부라고 할 수 있다. 이들 세 가지 사업의 개발 성격을 규정한다면 민군겸용개발사업은 ‘러시아기술의 도입을 통한 국내 기술 구축’으로, 기관고유 사업은 ‘터보펌프관련 핵심애로기술의 국내 독자적 구축’으로, KSLV-Ⅰ사업의 일환으로 수행된 ‘액체엔진 선행연구’의 경우 ‘실용화를 위한 개발 기술 구축’이라고 할 수 있다.

참고문헌 (8)

김진한, 홍순삼, 정은환, 최창호, 전성민, '30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발현황' 제25회 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2005, pp.375-383
이경훈, 김경호, 우유철, '액체추진로켓엔진용 고압 터보펌프 개발,' 유체기계저널 제7권 제3호, 2004, pp.51-56
김진한, 홍순삼, 최창호, 김진선, '극저온 펌프 캐비테이션 성능 예측 및 시험/평가 기술 개발,' 한국항공우주연구원 보고서 FR06520, 2007
Hong, S. S., Kim, J. S., Choi, C. H., and Kim, J., 'Effect of Tip Clearance on the Cavitation Performance of a Turbopump Inducer,' Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 1, 2006, pp.174-179

상세보기
홍순삼, 김대진, 김진선, 최창호, 김진한, '터보펌프의 수력 성능시험,' 한국추진공학회 2005년도 춘계학술대회 논문집, 2005. pp. 243-247
김진선, 홍순삼, 김대진, 최창호, 김진한, '액체질소를 이용한 산화제펌프의 극저온 성능시험,' 대한기계학회 2006년도 춘계학술대회논문집, 2006, pp.806-811
J. Kim, S. S. Hong, E. H. Jeong, C. H. Choi, S. M. Jeon, 'Development of a Turbopump for a 30 Ton Class Engine,' Proceedings of the 43rd AIAA/ASME/ SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Cincinnati, OH., 2007
최창호, 김진한, '축추력 제어부재가 설치된 원심형 터보기계,' 특허등록번호 10-0616153, 2006

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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