[논문]액체로켓엔진용 산화제펌프에 대한 액체산소 성능시험

홍순삼; 김대진; 김진선; 김진한

doi:10.5139/jksas.2009.37.8.805

액체로켓엔진용 산화제펌프에 대한 액체산소 성능시험
Liquid Oxygen Test of Oxidizer Pump of a Liquid Rocket Engine 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.37 no.8, 2009년, pp.805 - 811

홍순삼 (한국항공우주연구원) , 김대진 (한국항공우주연구원) , 김진선 (한국항공우주연구원) , 김진한 (한국항공우주연구원)

초록
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가스발생기 사이클의 추력 30톤급 엔진에 적용 가능한 터보펌프의 구성품인 산화제펌프에 대하여 실제 작동 유체인 액체산소를 이용한 시험이 이루어졌다. 본 시험에서 터빈은 상온 수소 가스로 구동되었다. 산화제펌프는 설계점 및 탈설계점에서 안정적으로 작동되었고 성능 요구조건을 만족시켰다. 액체산소를 매질로 하는 경우의 산화제펌프 양정계수는 물을 매질로 하는 경우에 비하여 약 2~3% 더 낮은 값을 보였다. 산화제펌프 구동에 필요한 동력과 터빈에서 생성되는 동력이 서로 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An oxidizer pump of a turbopump for a 30-ton class gas generator cycle engine was tested in the medium of liquid oxygen. The turbine was driven by cold hydrogen gas in the test. The oxidizer pump was operated stably at both design and off-design conditions, satisfying the performance requirements. The pump head coefficient from the liquid oxygen test was 2~3% lower than that from the water test. The power required to run the oxidizer pump was well balanced with the power produced by the turbine.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 개발 중인 추력 30톤용 터보펌프 구성품 중에서 산화제펌프(Table 1의 규격 참조)에 대한 실매질시험, 즉 액체산소를 이용한 시험에 대하여 기술한다. 본 시험의 목적은 실매질에서 산화제펌프가 안정적으로 작동하는지를 확인하는 것이다.
본 연구에서는 개발 중인 추력 30톤용 터보펌프 구성품 중에서 산화제펌프(Table 1의 규격 참조)에 대한 실매질시험, 즉 액체산소를 이용한 시험에 대하여 기술한다. 본 시험의 목적은 실매질에서 산화제펌프가 안정적으로 작동하는지를 확인하는 것이다.

제안 방법

개발 중인 터보펌프의 산화제펌프에 대하여 실매질인 액체산소를 사용하여 성능시험이 이루어졌으며 그 주요 시험 결과를 요약하면 다음과 같다.
산화제펌프, 연료펌프, 터빈의 입구와 출구에서 온도 및 압력을 측정한다. 그리고 산화제펌프 상류, 연료펌프 바이패스관 후방, 터빈의 상류에는 터빈식 유량계를 설치하여 체적유량을 측정하며 유량계 직후에서 유체의 온도와 압력을 측정하여 질량 유량을 계산한다. 유량의 경우 안정적인 측정을 위하여 터빈식 유량계 2～3개를 직렬로 설치하여 사용하였다.
산화제펌프의 경우, 전기모터로 구동되고 물을 매질로 하여 설계 회전수의 약 50% 조건에서 수력 성능시험[4] 및 축추력 측정 시험[5]이 수행되었다. 또한 연료펌프의 인듀서와 임펠러를 제거한 채로 터보펌프 조립체를 구성하여 산화제펌프에는 극저온 유체인 액체질소를, 연료펌프 케이싱에는 물을, 터빈에서 상온의 공기를 공급하여 정격회전수에서 성능시험이 이루어졌다. 이 터보펌프 조립체 시험실에서는 산화제펌프에 물 또는 액체질소를, 연료펌프에는 물을, 터빈에는 상온 공기 또는 고온 공기를 공급하여 터보펌프 조립체 시험을 할 수 있다[6-8].
산화제펌프 출구에는 오리피스 3개와 각각의 개폐밸브를 두어 3단계로 유량이 조절되도록 하였다. 오리피스 2개를 열면 설계 유량계수가 얻어지고 여기서 1개를 닫거나 1개를 추가로 열면 저유량 혹은 고유량 조건이 얻어진다.
터보펌프 성능 관련 측정량으로는 온도, 압력, 유량, 회전수 등이 있다. 산화제펌프, 연료펌프, 터빈의 입구와 출구에서 온도 및 압력을 측정한다. 그리고 산화제펌프 상류, 연료펌프 바이패스관 후방, 터빈의 상류에는 터빈식 유량계를 설치하여 체적유량을 측정하며 유량계 직후에서 유체의 온도와 압력을 측정하여 질량 유량을 계산한다.
시험에 사용된 터보펌프의 모든 구성품에 대하여 먼저 항우연에서 상사매질을 사용하여 성능시험이 이루어졌다. 산화제펌프의 경우, 전기모터로 구동되고 물을 매질로 하여 설계 회전수의 약 50% 조건에서 수력 성능시험[4] 및 축추력 측정 시험[5]이 수행되었다.
30톤급 엔진의 개발 및 인증에 필요한 엔진 운용 조건에 맞추어 터보펌프 운용 조건이 결정되며 이렇게 도출된 운전조건이 정격 운전조건(NC) 및 탈설계 운전조건(OD)이다. 안정적인 시험을 위하여, 산화제펌프를 액체산소에서 운전하기 전에 액체질소를 매질로 하여 먼저 예비 시험을 하였다(Test No. 1, 2, 4). 액체질소는 액체산소와 같은 극저온 유체이고 물성도 서로 유사하지만 액체산소와 달리 금속 마찰로 인한 폭발의 위험성이 없기 때문에 액체산소 펌프의 상사시험 매질로 많이 활용된다.
본 산화제펌프 경우 임펠러와 케이싱간의 실(seal)로서 플로팅링(floating ring)실이 사용된다. 액체산소에서 운전할 때는 상온 조립상태에 비하여 플로팅링과 임펠러 간극이 감소하며, 물에서 시험할 경우에는 이 감소량을 감안하여 실을 제작함으로써 물에서 운전될 때에도 액체산소에서 운전될 경우와 유사한 실간극이 되도록 하였다.
하지만 본 시험에 사용된 연료펌프의 경우 임펠러가 없기 때문에 연료펌프의 후방 베어링의 냉각을 위한 매질의 흐름이 없게 된다. 이 베어링 냉각 문제를 해결하기 위하여 연료펌프의 바이패스관 후단을 연료펌프 입구에 연결하지 않고 별도의 배관을 통하여 연료 회수탱크로 연결하였다. 그래서 연료 공급탱크를 가압하면 연료가 연료펌프 케이싱 및 후방베어링을 통하여 회수탱크로 배출되도록 하였다.
시험 중 운용점이 변경되면 터빈 구동용 수소압력, 산화제펌프 출구의 개방 오리피스가 변경된다. 터빈 구동용 수소 압력은 3단계로 변화시켰으며 시험 후반으로 가면서 그 값이 증가되도록 하였다. 시험구간이 6(1)에서 6(2)로 변경될 경우에는 산화제펌프 출구 오리피스 2개가 동시에 닫히게 되는데, 펌프에 미치는 충격을 완화시키기 위하여 Time= 15sec에 먼저 오리피스 1개를 닫고 1초 후인 Time= 16sec에 나머지 1개를 닫았다.
이 터보펌프 조립체 시험실에서는 산화제펌프에 물 또는 액체질소를, 연료펌프에는 물을, 터빈에는 상온 공기 또는 고온 공기를 공급하여 터보펌프 조립체 시험을 할 수 있다[6-8]. 한편, 본 시험에 사용된 터빈도 항우연에서 상사매질인 상온의 공기를 사용하여 성능시험이 이루어졌다[9].

대상 데이터

본 시험에 사용된 터보펌프에는 산화제펌프와 터빈은 정상적으로 조립된 반면에 연료펌프는 인듀서와 임펠러를 제거한 상태로 조립되었다. 연료펌프의 인듀서와 임펠러를 제거한 채로 시험한이유는 첫째, 연료펌프 구동에 소요되는 동력이 없게 되므로 적은 동력으로도 산화제펌프 운전이 가능하며, 실제로 항우연에서 본 연구의 시험에 사용된 터보펌프에 대해 상온 공기를 터빈에 공급하여 산화제펌프를 액체질소를 매질로 해서 설계회전수에서 시험을 수행할 수 있었다.
본 시험의 관심 대상은 산화제펌프이다. 따라서 연료펌프에는 인듀서와 임펠러를 조립하지 않았으며 연료펌프 후방 베어링 냉각을 위하여 연료를 바이패스관을 통하여 터보펌프 외부로 배출시켰다.
펌프 매질로는 실매질, 즉 산화제펌프에는 액체산소를 사용하고 연료펌프 케이싱에는 케로신을 공급하였다. 터빈 매질로는 상온의 수소가스를 사용하였다. 질소나 공기를 사용하지 않고 수소가스를 사용하여 터빈을 구동한 것은 수소의 가스상수가 질소나 공기에 비하여 훨씬 크기 때문에 고온이 아닌 상온 가스 상태로도 설계 터빈 입구 압력 이하에서 터보펌프를 설계 회전수로 구동할 수 있기 때문이다.
2에 제시하였다. 펌프 매질로는 실매질, 즉 산화제펌프에는 액체산소를 사용하고 연료펌프 케이싱에는 케로신을 공급하였다. 터빈 매질로는 상온의 수소가스를 사용하였다.

성능/효과

둘째, 액체산소에서 측정된 산화제펌프 양정계 수는 물에서 측정된 경우에 비하여 2～3% 더 작 았으며 그 이유는 액체산소의 경우 동점성계수가 작아서 펌프의 체적효율이 낮아지기 때문인 것으로 판단된다.
연료펌프의 인듀서와 임펠러를 제거한 채로 시험한이유는 첫째, 연료펌프 구동에 소요되는 동력이 없게 되므로 적은 동력으로도 산화제펌프 운전이 가능하며, 실제로 항우연에서 본 연구의 시험에 사용된 터보펌프에 대해 상온 공기를 터빈에 공급하여 산화제펌프를 액체질소를 매질로 해서 설계회전수에서 시험을 수행할 수 있었다. 둘째, 연료펌프의 오작동으로 인한 사고 위험을 감소시킬 수 있다는 것이다.
셋째, 산화제펌프-터빈의 조립체 형태에서 측정된 터빈 효율과 터빈 단품 성능시험에서 측정된 터빈 효율의 차이는 1% 내외로서 두 효율 값이 잘 일치하였다. 이로부터 터빈 및 펌프 단품 성능시험과 산화제펌프-터빈 조립체 시험이 성능 시험 측면에서 신뢰성 있게 수행된 것을 간접적 으로 알 수 있다.
시험 결과 모든 운용점에서 산화제펌프가 안정적으로 작동하였으며 특히 산화제펌프 안정성에서 중요한 실(seal) 및 베어링의 작동이 양호한 특성을 보였다.
본 시험에 사용된 터보펌프에는 산화제펌프와 터빈은 정상적으로 조립된 반면에 연료펌프는 인듀서와 임펠러를 제거한 상태로 조립되었다. 연료펌프의 인듀서와 임펠러를 제거한 채로 시험한이유는 첫째, 연료펌프 구동에 소요되는 동력이 없게 되므로 적은 동력으로도 산화제펌프 운전이 가능하며, 실제로 항우연에서 본 연구의 시험에 사용된 터보펌프에 대해 상온 공기를 터빈에 공급하여 산화제펌프를 액체질소를 매질로 해서 설계회전수에서 시험을 수행할 수 있었다. 둘째, 연료펌프의 오작동으로 인한 사고 위험을 감소시킬 수 있다는 것이다.
시험 결과를 비교하면 터빈의 조립체 시험 효율과 단품 시험 효율의 차이는 1% 이내이다. 즉 두 시험 결과가 매우 양호하게 일치하고 있으며 이로부터 산화제펌프-터빈의 조립체 성능시험뿐만 아니라 펌프 단품 성능시험, 터빈 단품 성능시험이 성능측정 관점에서 신뢰성 있게 수행된 것을 간접적으로 알 수 있다.
첫째, 산화제펌프는 액체산소를 매질로 하여 설계 및 탈설계 운용점에서 안정적으로 작동하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보펌프의 역할은 무엇인가?	터보펌프는 액체로켓엔진에서 추진제를 가압 하여 연소실로 공급하는 역할을 한다. 현재 한국항공우주연구원 (이하 항우연)에서는 액체산소와 케로신을 추진제로 하는 가스 발생기 사이클의 30톤급 액체로켓엔진에 적용 가능한 터보펌프를 개발하고 있다[1-3].
	한국항공우주연구원에서 개발한 터보펌프는 어떠한 구성을 하고 있는가?	현재 한국항공우주연구원 (이하 항우연)에서는 액체산소와 케로신을 추진제로 하는 가스 발생기 사이클의 30톤급 액체로켓엔진에 적용 가능한 터보펌프를 개발하고 있다[1-3]. 이 터보펌프는 단단 원심형의 산화제펌프와 연료펌프, 그리고 단단 충동형의 터빈으로 구성되어 있으며 한 개의 터빈이 동일 축 선상에 있는 두 개의 펌프를 구동하는 형식이다(Fig. 1 참조).

참고문헌 (13)

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김대진, 홍순삼, 최창호, 김진한, “로켓엔진용 산화제펌프의 수류시험”, 제4회 한국유체공학학술대회 논문집, 2006, pp. 523-526.
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홍순삼, 김대진, 김진선, 김진한, “액체로켓용 터보펌프의 고온 성능시험”, 제8회 우주발사체기술 심포지움, 2007, pp. 56-60.
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정은환, 김진한, “충동형 터빈에 대한 시험적 고찰”, 유체기계저널, 제8권 제6호, 2005, pp.26-32.

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홍순삼, 김대진, 김진선, 김진한, “30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 실매질시험”, 제31회 한국추진공학회 추계학술대회, 2008, pp. 359-365.
김승한, 남창호, 김철웅, 문윤완, 설우석,“터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험”, 제31회한국추진공학회 추계학술발표대회 논문집, 2008,pp. 129-132.
Takida, J., Yoshikawa, K., Ogawara, A.,Atsumi, M., Miyagawa, K., Kobayashi, K.,Miyawaki, T., “Development of HighPerformance Oxidizer Turbo-pump”, AIAA2007-5509, 2007.
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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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