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문제 정의
- 또한 터보펌프 내부 점검이 필요할 때에는 터보펌프를 스탠드에서 탈착하여 시험기 분해 후 부품에 대한 면밀한 검사를 하고 재조립하여 다시 실매질 시험을 수행한다. 따라서 실 시험기를 분해하지 않고 해동과 냉각을 반복하며 기밀 유지 여부를 살펴보았고 실 시험기 분해 후 소성 변형된 실을 재사용하였을 때에도 기밀 유지가 가능한지 알아보았다.
- 이번에는 시험기 분해 후, 재조립시 이미 사용하여 소성 변형된 PTFE 스태틱 실을 장착하여 PTFE 스태틱 실을 재사용하여도 기밀 성능을 유지하는지 알아보았다. 시험결과 상온 환경에서는 기밀이 유지되었으나 극저온 환경에서는 기밀 유지에 실패하였다.
제안 방법
- C 스태틱 실의 적용 및 재사용시 기밀 유지 여부를 확인하고자 앞의 PTFE 스태틱 실 적용 시험과 동일한 시험 조건 및 방법으로 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 시험기에 대해 기밀시험을 수행하였다. 시험기 분해없이 C 스태틱 실 장착 상태를 유지하며 해동 2회를 포함한 총 3회의 상온 및 극저온 기밀시험을 수행한 결과 기밀 유지에 성공하였고, 시험기의 완전 분해 후 소성 변형된 C 스태틱 실을 재사용한 상온 및 극저온 기밀시험도 성공하였다.
- 터보펌프 본품과 동일한 소재, 형상 치수로실 부위를 모사하여 2종의 실 시험기를 제작하여 기밀시험을 수행하였다. Conical 스태틱 실 기밀시험 후 PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실을 적용하여 다시 상온 및 극저온 기밀시험을 수행하였다. PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실이 장착되는 틈새는 Conical 스태틱 실의 틈새 형상과 다르므로 시험기의 실 부위를 위 2종의 실에 맞게 설계 변경하고 수정가공을 하였다.
- Conical 스태틱 실 기밀시험 후 PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실을 적용하여 다시 상온 및 극저온 기밀시험을 수행하였다. PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실이 장착되는 틈새는 Conical 스태틱 실의 틈새 형상과 다르므로 시험기의 실 부위를 위 2종의 실에 맞게 설계 변경하고 수정가공을 하였다. Conical 스태틱 실 적용 실 부위 형상 및 설계 변경된 실 부위에 대한 볼트 체결 전/후의 형상은 그림 7, 8, 9와 같다.
- 실의 종류로는 피스톤과 같이 두 실 면 사이에 상대적인 운동이 있는 부품에 적용되는 다이나믹 실과 상대 운동이 없는 부품에 적용되는 스태틱 실로 나뉘는데 터보펌프의 케이징간 플랜지 조립부에는 상대 운동이 없으므로 스태틱 실이 적용된다.[3] 일반 산업용 스태틱 실로 주로 사용되는 고무 O-ring 대신 고압, 극저온 산화제 환경에 적용 가능한 메탈 실을 사용하였다.
- 극저온 기밀시험 방법은 위의 상온 기밀시험 방법과 동일하나 실제 산화제펌프의 작동 환경인 극저온 환경을 모사하기 위하여 실 시험기를 극저온 액체 질소(LN2) 수조에 잠기게 하여 외부 냉각을 하였다. 액체 질소가 안정화되면 실 시험기 내부에 기체 질소(GN2)로 가압을 하는데, 기체 질소가 시험기 내부에서 극저온 환경으로 인하여 액화되어 시험기 내부를 채울 때까지 압력이 계속 감소하므로 안정화되어 압력이 더 이상 떨어지지 않을 때까지 기다린 후 시험을 진행하였다.
- 극저온 환경에서의 기밀시험을 수행하기에 앞서 상온에서의 기밀 유지 여부를 확인하였다.
- 이종 소재간 케이징의 저온 수축에 따른 실 틈새 증가가 Conical 스태틱 실의 탄성 복원력보다 커 기밀 유지가 되지 않는 것으로 판단된다. 따라서 실의 높이를 증가시켜 실의 탄성 복원력을 증가시키고자 Conical 스태틱 실의 각도를 57도와 51도로 변경하여 2차, 3차 상온 및 극저온 기밀시험을 수행하였다. 스테인레스 강 케이징-스테인레스 강 케이징 시험기에서는 실의 각도에 상관없이 상온 및 극저온 환경에서 기밀이 잘 유지되었다.
- 실 시험기를 상온에서 물로 채운 수조에 넣고 실 시험기 내부에 기체 질소(GN2)로 20 bar, 10분간 가압하여 수면 위로 올라오는 기체 방울의 유무로 기밀 유지 여부를 파악하였다. 또한 실 시험기 내부 압력을 측정하는 압력 센서의 수치가 떨어지지 않고 그대로 유지되는 것을 확인함으로써 기밀 유지 여부를 판단하였다. 실 시험기 조립시 볼트의 최종 설계 토크 수치에 이르기까지 토크 렌치를 이용하여 순차적인 조임 토크값을 적용하고 원주 방향으로 플랜지 간극을 확인하였다.
- 현재 개발중인 75톤급 터보펌프는 30톤급 터보펌프에 비해 케이징 형상 치수 증가에 따른 실의 내, 외경 크기 증가 및 케이징 이종 소재간 열수축률 차이로 인하여 작동 유체의 누설 여부에 대한 검증이 필요하다. 본 눈문에서는 75톤급 산화제펌프의 실 부위를 모사한 실 시험기를 제작, 극저온 환경에서의 기밀시험을 수행하여 실부위 설계의 타당성을 검증하였다.
- 산화제펌프의 실 부위 누설 여부 검증을 위하여 직경이 가장 큰 스태틱 실 장착 부위인 입구 케이징(스테인레스 강)과 볼류트 케이징(스테인레스 강) 사이 플랜지 부위 그리고 산화제펌프 볼류트 케이징(스테인레스 강)과 연료펌프 입구 케이징(알루미늄) 사이 플랜지 부위를 모사하여 2종의 실 시험기를 제작하였다. 산화제펌프, 연료 펌프와 동일한 형상 치수 및 소재를 이용하여 설계에 맞추어 제작된 2종의 실 시험기를 사용하여 상온 및 산화제펌프의 작동 온도 조건을 모사한 극저온 액체 질소 환경에서 기밀시험을 실시하였다.
- 산화제펌프의 실 부위 누설 여부 검증을 위하여 직경이 가장 큰 스태틱 실 장착 부위인 입구 케이징(스테인레스 강)과 볼류트 케이징(스테인레스 강) 사이 플랜지 부위 그리고 산화제펌프 볼류트 케이징(스테인레스 강)과 연료펌프 입구 케이징(알루미늄) 사이 플랜지 부위를 모사하여 2종의 실 시험기를 제작하였다. 산화제펌프, 연료 펌프와 동일한 형상 치수 및 소재를 이용하여 설계에 맞추어 제작된 2종의 실 시험기를 사용하여 상온 및 산화제펌프의 작동 온도 조건을 모사한 극저온 액체 질소 환경에서 기밀시험을 실시하였다.
- 스테인레스 강 케이징-스테인레스 강 케이징(산화제펌프 입구 케이징-볼류트 케이징)과 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징(산화제펌프 볼류트 케이징-연료펌프 입구 케이징) 시험기에 대해 각각 기밀시험을 실시하였다. 상온 및 극저온 기밀시험 방법에 따라 실 시험기에 실 각도 60도인 스태틱 실을 각각 장착하고 토크렌치를 사용하여 설계된 최종 체결 토크까지 순차적으로 조립, 플랜지 사이 밀착을 확인한 후 시험기 내부를 가압하였다. 시험결과 상온 환경에서는 모두 이상이 없었으나 극저온 환경에서 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 사이 실 부위에서 누설이 있음을 확인하였다.
- 상온 및 극저온 기밀시험에 사용한 실은 Conical 스태틱 실, PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실로써 3종의 실에 대해 각각 기밀 유지 여부, 실의 재사용 가능 여부 등을 파악하였다. 3종의 스태틱 실에 대한 비교는 다음과 같다.
- 스테인레스 강 케이징-스테인레스 강 케이징(산화제펌프 입구 케이징-볼류트 케이징)과 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징(산화제펌프 볼류트 케이징-연료펌프 입구 케이징) 시험기에 대해 각각 기밀시험을 실시하였다. 상온 및 극저온 기밀시험 방법에 따라 실 시험기에 실 각도 60도인 스태틱 실을 각각 장착하고 토크렌치를 사용하여 설계된 최종 체결 토크까지 순차적으로 조립, 플랜지 사이 밀착을 확인한 후 시험기 내부를 가압하였다.
- 시험 전, 후 측정한 스태틱 실 장착 부위 플랜지의 치수를 비교하여 케이징의 변형 여부도 확인하였다.
- 시험기를 분해하지 않고 PTFE 스태틱 실이 장착된 상태 그대로 해동 및 재냉각 후 실을 재사용할 때에도 기밀이 유지되는지를 알아보았다. 이를 위해 1차 시험 후 냉각된 시험기를 해동한 후 시험기를 분해하지 않고 충분히 건조시켰다.
- 또한 실 시험기 내부 압력을 측정하는 압력 센서의 수치가 떨어지지 않고 그대로 유지되는 것을 확인함으로써 기밀 유지 여부를 판단하였다. 실 시험기 조립시 볼트의 최종 설계 토크 수치에 이르기까지 토크 렌치를 이용하여 순차적인 조임 토크값을 적용하고 원주 방향으로 플랜지 간극을 확인하였다. 이는 실 면을 원주 방향으로 균일하게 눌러주지 않을 경우에 국부적으로 실 면이 떠서 누설이 발생할 가능성이 있기 때문이다.
- 실 시험기를 상온에서 물로 채운 수조에 넣고 실 시험기 내부에 기체 질소(GN2)로 20 bar, 10분간 가압하여 수면 위로 올라오는 기체 방울의 유무로 기밀 유지 여부를 파악하였다. 또한 실 시험기 내부 압력을 측정하는 압력 센서의 수치가 떨어지지 않고 그대로 유지되는 것을 확인함으로써 기밀 유지 여부를 판단하였다.
- 알루미늄 Conical 스태틱 실 장착시 극저온 환경에서 산화제펌프와 연료펌프사이 실 부위에 누설이 있었으므로 서방에서 주로 사용하는 PTFE 스태틱 실을 적용하여 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 시험기에 대해 상온 및 극저온 기밀시험을 수행하였다. PTFE 스태틱 실을 장착한 후 Conical 스태틱 실 시험과 동일한 방법으로 1차 기밀시험을 진행한 결과 상온 및 극저온에서 기밀이 유지됨을 확인할 수 있었다.
- 극저온 기밀시험 방법은 위의 상온 기밀시험 방법과 동일하나 실제 산화제펌프의 작동 환경인 극저온 환경을 모사하기 위하여 실 시험기를 극저온 액체 질소(LN2) 수조에 잠기게 하여 외부 냉각을 하였다. 액체 질소가 안정화되면 실 시험기 내부에 기체 질소(GN2)로 가압을 하는데, 기체 질소가 시험기 내부에서 극저온 환경으로 인하여 액화되어 시험기 내부를 채울 때까지 압력이 계속 감소하므로 안정화되어 압력이 더 이상 떨어지지 않을 때까지 기다린 후 시험을 진행하였다. 20 bar 부근에서 시험기 내부 압력이 유지되기 시작하면 5분간 내부 압력의 유지를 확인함으로써 누설이 없음을 판단하였다.
- 이상에서 75톤급 터보펌프용 케이징 실 부위 모사 시험기에 대해 3가지 종류의 스태틱 실(Conical 스태틱 실, PTFE 스태틱 실, C 스태틱실)을 적용하여 극저온 환경에서의 기밀 유지 여부 시험을 수행하였다.
- 초기 설계안인 Conical 스태틱 실 각도 60°에 대한 기밀시험 후 실의 탄성 복원력을 증가시키고자 실 각도를 57°, 51°로 설계변경, 제작하여 각각 기밀시험을 수행하였다.
- [5] 또한 산화제펌프 케이징 사이에 장착되는 실의 재질은 기존 30톤급 터보 펌프에서 적용했던 연질의 오스테나이트계 스테인레스 강이고 산화제펌프와 연료펌프 케이징 사이인 후방에 장착되는 실은 연료펌프 입구 케이징 소재보다 강도가 낮은 연질의 알루미늄 합금 소재를 사용하여, 스태틱 실 장착 후 플랜지간 볼트 체결시 알루미늄 케이징에 손상이 가지 않도록 하였다. 케이징간 볼트, 너트 체결시 토크 렌치를 이용하여 설계 조임 토크까지 순차적으로 증가시키며 조립하였다.
- 케이징에 Conical 스태틱 실을 장착한 후 설계 토크로 볼트를 체결하여 플랜지를 밀착시켰을 때 스태틱 실 주변에 생기는 응력과 변형을 알아보고자 ‘ABAQUS' 프로그램을 이용하여 2차원 축대칭 유한요소 구조해석을 실시하였다.
- 터보펌프 본품과 동일한 소재, 형상 치수로실 부위를 모사하여 2종의 실 시험기를 제작하여 기밀시험을 수행하였다. Conical 스태틱 실 기밀시험 후 PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실을 적용하여 다시 상온 및 극저온 기밀시험을 수행하였다.
- 표 3에 3가지 종류의 스태틱 실(Conical 스태틱 실, PTFE 스태틱 실, C 스태틱)의 기밀시험 결과를 비교 및 정리하였다. Conical 스태틱 실은 극저온 기밀시험시 누설이 발생하였으므로 재사용시의 누설 여부에 대한 시험은 수행하지 않아 결과를 나타내지 않았다.
대상 데이터
- 특히 산화제펌프의 경우 극저온 환경에서 작동이 이루어져야 하므로 상온에서와는 달리 케이징류, 볼트류 및 스태틱 실에 저온 수축이 발생한다. 따라서 산화제펌프 저온 수축에 따른 형상 변형에 대해 설계시 고려되어 각각의 소재가 선정되었다. 또한 터보펌프 경량화를 위해 연료펌프 입구 케이징의 소재를 알루미늄으로 선정한 바 스테인레스 강 소재인 산화제펌프와 체결되는 플랜지 실 부위에 대한 저온 수축에 따른 작동 유체의 누설 여부에 대한 검증이 반드시 필요하다.
성능/효과
- PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실의 경우 상온 및 극저온 기밀시험에서 누설이 없음을 확인하였고 시험기 분해없이 수회의 해동 및 재냉각 과정을 통하여 기밀이 유지됨을 확인하였다. 기밀 면이 반경방향이어서 케이징 구조상 실 틈새 보정을 못하는 Conical 스태틱 실과 달리 PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실은 축방향으로 기밀 면이 형성되므로 내부 스프링의 탄성 복원력 및 스터드 볼트의 축방향 수축이 케이징의 축방향 수축을 보상한다.
- 알루미늄 Conical 스태틱 실 장착시 극저온 환경에서 산화제펌프와 연료펌프사이 실 부위에 누설이 있었으므로 서방에서 주로 사용하는 PTFE 스태틱 실을 적용하여 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 시험기에 대해 상온 및 극저온 기밀시험을 수행하였다. PTFE 스태틱 실을 장착한 후 Conical 스태틱 실 시험과 동일한 방법으로 1차 기밀시험을 진행한 결과 상온 및 극저온에서 기밀이 유지됨을 확인할 수 있었다.
- 그러나 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 시험기에서는 알루미늄 소재 스태틱 실의 각도를 57도, 51도로 변경하였을 때 상온에서는 기밀이 유지되었지만 극저온 환경에서는 여전히 기밀 유지가 되지 않음을 확인하였다.
- 그동안 30톤급 터보펌프에 적용되어 사용되었던 Conical 스태틱 실의 적용시 실 및 케이징의 소재에 따라 서로 다른 극저온 기밀시험 결과를 보여준다. 동일한 스테인레스 강 소재가 적용된 산화제펌프 입구 케이징과 볼류트 케이징은 저온 수축량이 같으므로 상온 뿐만 아니라 극저온 환경에서도 기밀이 유지되는 결과를 볼 수 있었다. 그러나 이종 소재가 적용된 산화제펌프와 연료펌프 사이 실 부위는 극저온 환경에서 실의 탄성력을 증가시키기 위한 Conical 스태틱 실 각도의 변경에도 관계없이 항상 누설이 발생하였다.
- C 스태틱 실도 PTFE 스태틱 실과 같이 케이징과의 축방향 접촉면이 기밀 면이어서 케이징의 축방향 수축을 실 내부의 energized 스프링이 보상해준다. 동일한 크기의 실 틈새 형상에서 실을 재사용한 경우 C 스태틱 실 사용시에만 극저온 기밀이 유지되는 것으로 보아 실의 탄성 복원력은 C 스태틱 실이 PTFE 스테틱 실보다 더 우수한 것으로 판단된다.
- 상온 및 극저온 기밀시험 방법에 따라 실 시험기에 실 각도 60도인 스태틱 실을 각각 장착하고 토크렌치를 사용하여 설계된 최종 체결 토크까지 순차적으로 조립, 플랜지 사이 밀착을 확인한 후 시험기 내부를 가압하였다. 시험결과 상온 환경에서는 모두 이상이 없었으나 극저온 환경에서 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 사이 실 부위에서 누설이 있음을 확인하였다. 이종 소재간 케이징의 저온 수축에 따른 실 틈새 증가가 Conical 스태틱 실의 탄성 복원력보다 커 기밀 유지가 되지 않는 것으로 판단된다.
- 시험기 분해 후 소성 변형된 실을 재사용한 기밀시험에서는 C 스태틱 실이 PTFE 스태틱 실에 비해 극저온에서 기밀이 유지되는 우수한 특성을 보였다.
- C 스태틱 실의 적용 및 재사용시 기밀 유지 여부를 확인하고자 앞의 PTFE 스태틱 실 적용 시험과 동일한 시험 조건 및 방법으로 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 시험기에 대해 기밀시험을 수행하였다. 시험기 분해없이 C 스태틱 실 장착 상태를 유지하며 해동 2회를 포함한 총 3회의 상온 및 극저온 기밀시험을 수행한 결과 기밀 유지에 성공하였고, 시험기의 완전 분해 후 소성 변형된 C 스태틱 실을 재사용한 상온 및 극저온 기밀시험도 성공하였다.
- Conical 스태틱 실은 극저온 기밀시험시 누설이 발생하였으므로 재사용시의 누설 여부에 대한 시험은 수행하지 않아 결과를 나타내지 않았다. 앞에서 기술한 바와 같이 스태틱 실 장착 후 상온 및 극저온 환경 기밀시험, 스태틱 실 재사용시의 상온 및 극저온 환경 기밀시험 등 여러가지 기밀시험을 수행한 결과 C 스태틱 실과 PTFE 스태틱 실은 산화제 펌프의 스태틱 실로 적용이 가능하다는 결과를 얻을 수 있었다.
- 이를 위해 1차 시험 후 냉각된 시험기를 해동한 후 시험기를 분해하지 않고 충분히 건조시켰다. 완전 건조시킨 실 시험기의 2차 기밀시험 결과 상온 및 극저온에서 기밀이 유지되었고 동일한 방법으로 수행한 3차, 4차 시험에서도 상온 및 극저온 기밀유지에 성공하였다.
후속연구
- 따라서 산화제펌프 저온 수축에 따른 형상 변형에 대해 설계시 고려되어 각각의 소재가 선정되었다. 또한 터보펌프 경량화를 위해 연료펌프 입구 케이징의 소재를 알루미늄으로 선정한 바 스테인레스 강 소재인 산화제펌프와 체결되는 플랜지 실 부위에 대한 저온 수축에 따른 작동 유체의 누설 여부에 대한 검증이 반드시 필요하다. 만약 케이징 사이의 실부위가 제 기능을 다하지 못해 액체산소가 누설될 경우 예기치 않은 발화로 액체로켓 엔진시스템 전체의 실패로 직결될 수 있으므로 실 부위의 설계는 매우 중요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.