30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프에 대하여 실매질을 사용하여 성능시험이 이루어졌다. 산화제펌프와 연료펌프에는 각각 액체산소, 케로신의 실매질을 사용하고 터빈에는 고압의 상온 수소가스가 사용되었다. 터보펌프는 설계점과 탈설계점의 전 영역에서 안정적으로 작동하였고 요구되는 성능 조건을 만족 시켰으며 이로써 엔진 서브시스템 수준의 터보펌프 개발이 성능 측면에서 검증되었다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 단일 운전으로 세 운용점에서 총 75초간 작동된 경우의 시험결과를 소개하였다. 펌프와 터빈의 성능 특성 관점에서 터보펌프 조립체의 실매질 성능시험 결과와 터보펌프 구성품의 상사 성능시험 결과가 양호하게 일치하였다.
30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프에 대하여 실매질을 사용하여 성능시험이 이루어졌다. 산화제펌프와 연료펌프에는 각각 액체산소, 케로신의 실매질을 사용하고 터빈에는 고압의 상온 수소가스가 사용되었다. 터보펌프는 설계점과 탈설계점의 전 영역에서 안정적으로 작동하였고 요구되는 성능 조건을 만족 시켰으며 이로써 엔진 서브시스템 수준의 터보펌프 개발이 성능 측면에서 검증되었다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 단일 운전으로 세 운용점에서 총 75초간 작동된 경우의 시험결과를 소개하였다. 펌프와 터빈의 성능 특성 관점에서 터보펌프 조립체의 실매질 성능시험 결과와 터보펌프 구성품의 상사 성능시험 결과가 양호하게 일치하였다.
Turbopump test for a 30-ton-thrust liquid rocket engine was carried out using real-propellant. Liquid oxygen, kerosene, cold hydrogen gas were used for the oxidizer pump, the fuel pump, and the turbine, respectively. The turbopump was reliably operated at the design and off-design conditions and the...
Turbopump test for a 30-ton-thrust liquid rocket engine was carried out using real-propellant. Liquid oxygen, kerosene, cold hydrogen gas were used for the oxidizer pump, the fuel pump, and the turbine, respectively. The turbopump was reliably operated at the design and off-design conditions and the performance requirements were satisfied, which implies that the turbopump development at the engine subsystem level is successfully accomplished in the point of performance validation. This paper presents the results of a test where the turbopump was run for 75 seconds at three operating modes. In terms of performance characteristics of pumps and turbine, the results of turbopump assembly test using real-propellant showed a good agreement with those of the turbopump component tests using simulant working fluid.
Turbopump test for a 30-ton-thrust liquid rocket engine was carried out using real-propellant. Liquid oxygen, kerosene, cold hydrogen gas were used for the oxidizer pump, the fuel pump, and the turbine, respectively. The turbopump was reliably operated at the design and off-design conditions and the performance requirements were satisfied, which implies that the turbopump development at the engine subsystem level is successfully accomplished in the point of performance validation. This paper presents the results of a test where the turbopump was run for 75 seconds at three operating modes. In terms of performance characteristics of pumps and turbine, the results of turbopump assembly test using real-propellant showed a good agreement with those of the turbopump component tests using simulant working fluid.
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문제 정의
본 시험에 사용된 터보펌프의 경우 먼저 상기의 단품 및 조립체 상사시험이 이루어졌고 이후 실매질을 사용하여 국외에서 성능시험이 이루어졌다. 본 논문은 이 실매질 성능시험에 대하여 기술한다. 실매질 시험의 목적은 펌프에 실매질을 사용할 때 터보펌프의 수력 및 공력 성능 점검뿐 아니라 펌프 운전의 안정성 점검, 펌프-터빈 동력균형 점검, 터보펌프 진동 점검, 터보펌프 실(seal) 점검 등을 하는 것이다.
본 논문은 이 실매질 성능시험에 대하여 기술한다. 실매질 시험의 목적은 펌프에 실매질을 사용할 때 터보펌프의 수력 및 공력 성능 점검뿐 아니라 펌프 운전의 안정성 점검, 펌프-터빈 동력균형 점검, 터보펌프 진동 점검, 터보펌프 실(seal) 점검 등을 하는 것이다. 그리고 본 시험에 이어서 터보펌프-가스발생기 폐회로 연계 시험(터보펌프로부터 공급받은 추진제를 가스발생기에서 연소시키고 이 연소가스로 터보펌프를 구동하는 형식)이 성공적으로 이루어졌다[8].
제안 방법
개발 중인 터보펌프 조립체에 대하여 산화제 펌프에는 액체산소, 연료펌프에는 케로신을 사용한 실매질 시험이 이루어졌다.
산화제펌프, 연료펌프, 터빈의 입구와 출구에서 온도 및 압력을 측정한다. 그리고 산화제펌프, 연료펌프, 터빈의 상류에는 유량계를 설치하여 체적유량을 측정하며 유량계 직후에서 유체의 온도와 압력을 측정하여 질량 유량을 계산한다. 안정적인 유량 측정을 위하여 산화제펌프와 연료펌프에는 터빈 유량계 3개를 직렬로 설치하였고 터빈 상류에는 터빈 유량계 2개를 직렬로 설치하였다.
터보펌프는 설계점과 탈설계점의 전 영역에서 안정적으로 작동하였고 요구되는 성능 조건을 만족시켰다. 본 논문에 소개된 시험에서는 1회의 운전에서 운용점을 3가지로 변경하며 터보펌프가 75초간 운전되었다. 터보펌프 조립체의 실매질 시험 결과와 기존에 상사매질에서 수행되었던 펌프와 터빈의 단품성능시험 결과를 비교할 때, 펌프의 경우 양정계수가 1 3%의 차이가 있었고 터빈 효율의 경우 상대적으로 약 2%의 차이가 있었으며 이 결과는 상사매질 시험 결과와 실매질 시험 결과가 성능특성 관점에서 잘 일치한다고 할 수 있다.
본 시험에 사용된 터보펌프의 경우 먼저 상기의 단품 및 조립체 상사시험이 이루어졌고 이후 실매질을 사용하여 국외에서 성능시험이 이루어졌다. 본 논문은 이 실매질 성능시험에 대하여 기술한다.
산화제펌프 출구에는 오리피스 3개와 각각의 개폐밸브를 두어 3단계로 유량이 조절되도록 하였다. 연료펌프 출구에는 스로틀 밸브를 두어 유량이 연속적으로 조절되도록 하였다.
산화제펌프, 연료펌프, 터빈의 입구와 출구에서 온도 및 압력을 측정한다. 그리고 산화제펌프, 연료펌프, 터빈의 상류에는 유량계를 설치하여 체적유량을 측정하며 유량계 직후에서 유체의 온도와 압력을 측정하여 질량 유량을 계산한다.
1에 제시되어 있으며 이 사진에는 좌측에서 우측으로 산화제펌프, 연료펌프, 터빈이 배치되어 있다. 산화제펌프와 연료펌프 사이에 IPS(Inter-propellant seal)를 두고 퍼지를 함으로써 산화제와 연료의 접촉이 이루어지지 않도록 하였다.
세 운용점에서 운전되었으며 각 운용점에서 약 25초씩 운전되어 총 75초간 운전되었다. 시간에 따른 터보펌프 회전수, 산화제펌프 유량, 연료펌프 유량을 Fig.
그리고 산화제펌프, 연료펌프, 터빈의 상류에는 유량계를 설치하여 체적유량을 측정하며 유량계 직후에서 유체의 온도와 압력을 측정하여 질량 유량을 계산한다. 안정적인 유량 측정을 위하여 산화제펌프와 연료펌프에는 터빈 유량계 3개를 직렬로 설치하였고 터빈 상류에는 터빈 유량계 2개를 직렬로 설치하였다.
처음에는 산화제펌프가 극저온 환경에서 정상적으로 작동하는 것을 확인하기 위하여 액체산소 대신에 액체질소를 매질로 하여 정격 회전수에서 시험하였다. 이후 산화제펌프에 액체산소, 연료펌프에 케로신, 터빈에 상온 수소가스를 매질로 하여 터보펌프를 5회 시험하였으며 본 논문에서는 그 중에서 단일 시험 중 운용점 3개에 대하여 총 75초간 운전된 경우에 대하여 기술한다(Table 3의 Test No. 4). 참고로 Test No.
Table 3에 터보펌프 실매질시험 내역을 제시하였다. 처음에는 산화제펌프가 극저온 환경에서 정상적으로 작동하는 것을 확인하기 위하여 액체산소 대신에 액체질소를 매질로 하여 정격 회전수에서 시험하였다. 이후 산화제펌프에 액체산소, 연료펌프에 케로신, 터빈에 상온 수소가스를 매질로 하여 터보펌프를 5회 시험하였으며 본 논문에서는 그 중에서 단일 시험 중 운용점 3개에 대하여 총 75초간 운전된 경우에 대하여 기술한다(Table 3의 Test No.
대상 데이터
터보펌프는 설계점(NC) 및 4개 탈설계점(OD1, OD2, OD3, OD4)에서 안정적으로 작동하는 것이 검증되어야 한다. 따라서 터보펌프 실매질시험에서는 모두 5개 운용점(NC,OD1, OD2, OD3, OD4)에서 운전되었다.
터보펌프에서 연소실로 공급되는 추진제의 일부가 가스발생기로 공급되며 여기에서 연소되어 생성된 고온/고압 가스가 터보펌프의 터빈에 공급되어 터보펌프가 작동된다. 본 시험에 사용된 터보펌프가 Fig. 1에 제시되어 있으며 이 사진에는 좌측에서 우측으로 산화제펌프, 연료펌프, 터빈이 배치되어 있다. 산화제펌프와 연료펌프 사이에 IPS(Inter-propellant seal)를 두고 퍼지를 함으로써 산화제와 연료의 접촉이 이루어지지 않도록 하였다.
2에 제시하였다. 펌프 매질로는 실매질, 즉 산화제펌프에는 액체산소를 사용하고 연료펌프에는 케로신을 사용하였고 터빈 매질로는 상온 수소가스를 사용하였다. 질소나 공기를 사용하지 않고 수소로 터빈을 구동한 이유는 수소의 가스상수가 질소나 공기보다 훨씬 커서 설계압력을 넘지 않는 터빈 입구압력에서도(또는 적은 질량유량으로도) 산화제펌프와 연료펌프를 정격 회전수로구동할 수 있기 때문이다.
성능/효과
모든 운용점에서 터보펌프가 안정적으로 작동되었으며 특히 터보펌프 안정성에서 중요한 터보펌프 진동 및 기밀작용이 매우 양호한 특성을 보였다.
본 시험을 통하여 우리나라의 액체로켓엔진 개발에 있어 큰 장벽을 넘는 결과를 얻었다고 판단된다.
본 조립체 시험 결과와 펌프 및 터빈의 단품 성능시험 결과를 비교할 때 펌프의 경우 양정계수 차이가 1 3%, 터빈의 경우 터빈 효율 차이가 상대적으로 약 2%로 나타났으며 이로부터 두 시험결과가 성능특성 관점에서 잘 일치한다고 할 수 있을 것이다.
본 논문에 소개된 시험에서는 1회의 운전에서 운용점을 3가지로 변경하며 터보펌프가 75초간 운전되었다. 터보펌프 조립체의 실매질 시험 결과와 기존에 상사매질에서 수행되었던 펌프와 터빈의 단품성능시험 결과를 비교할 때, 펌프의 경우 양정계수가 1 3%의 차이가 있었고 터빈 효율의 경우 상대적으로 약 2%의 차이가 있었으며 이 결과는 상사매질 시험 결과와 실매질 시험 결과가 성능특성 관점에서 잘 일치한다고 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액체산소와 케로신을 추진제로 하는 가스발생기 사이클의 30톤급 액체로켓엔진에 적용 가능한 터보펌프의 구성과 형식은?
현재 한국항공우주연구원(이하 항우연)에서는 액체산소와 케로신을 추진제로 하는 가스발생기 사이클의 30톤급 액체로켓엔진에 적용 가능한 터보펌프를 개발하고 있다[1, 2]. 이 터보펌프는 단단 원심형의 산화제펌프와 연료펌프, 그리고 단단 충동형의 터빈으로 구성되어 있으며 한 개의 터빈이동일 축에 있는 두 개의 터보펌프를 구동하는 형식이다. 터보펌프에서 연소실로 공급되는 추진제의 일부가 가스발생기로 공급되며 여기에서 연소되어 생성된 고온/고압 가스가 터보펌프의 터빈에 공급되어 터보펌프가 작동된다.
터보펌프의 역할은?
터보펌프는 액체로켓엔진에서 추진제를 가압하여 연소실로 공급하는 역할을 한다. 현재 한국항공우주연구원(이하 항우연)에서는 액체산소와 케로신을 추진제로 하는 가스발생기 사이클의 30톤급 액체로켓엔진에 적용 가능한 터보펌프를 개발하고 있다[1, 2].
상사매질을 이용한 터보펌프 시험에는 무엇이 있는가?
제작된 터보펌프에 대한 성능시험은 먼저 상사매질을 이용하여 단품시험 및 조립체시험이 이루어진 후 실매질을 이용하여 조립체시험이 이루어진다. 상사매질을 이용한 시험에는 펌프 단품 성능시험, 터빈 단품 성능시험, 조립체 성능시험 등이 있으며 이 시험들은 항우연내의 시험설비를 이용하여 수행된다[1, 2]. 펌프 단품 상사 성능시험에서는 상온의 물을 매질로 하고 전기모터로 펌프를 구동하며 이 시험을 통하여 펌프의 양정-유량 특성, 효율-유량 특성, 캐비테이션 특성, 그리고 축추력특성이 얻어진다[3, 4].
Kim, J., Hong, S. S., Jeong, E. H., Choi, C. H., Jeon, S. M., '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, AIAA 2007-5516
Takida, J., Yoshikawa, K., Ogawara, A., Atsumi, M., Miyagawa, K., Kobayashi, K., Miyawaki, T., 'Development of High Performance Oxidizer Turbo-pump,' Proceedings of the 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Cincinnati, OH., 2007, AIAA 2007-5509
Kinefuchi, K., Uchiumi, M., Inoue, M., Hirata, K., 'LE-7A FTP Full Load Cold Run,' Proceedings of Asian Joint Conference on Propulsion and Power, Kitakyushu, Japan, 2005, AJCPP2005-22033
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