산화제 개폐밸브는 일반적으로 공압으로 포핏을 열고 닫음으로써 로켓엔진에 액체산화제유량을 제어한다. 상용되는 산업용 밸브와는 달리 현재 개발 중인 산화제 개폐밸브는 밸브는 효과적인 기밀을 위해 피스톤과 포핏이 접촉되어 있을 뿐, 분리되어 설계되어졌다. 밸브가 닫히는 동안 피스톤과 포핏이 떨어져서 움직이는 것을 피하고, 밸브의 전반적인 작동 성능을 파악하기 위해서 힘평형 해석이 수행되었다. 또한 더욱 정확한 해석을 위해, 마찰력과 포핏에 작용하는 힘을 각각 시험과 CFD 해석을 통해 구해내었다. 해석 결과를 통해 힘평형 해석에서 스프링, 마찰력과 공압부의 오리피스 크기와 같은 중요한 설계인자들의 영향을 알아보았으며, 현재 개발 설계중인 산화제 개폐밸브의 작동성능을 확인하였다.
산화제 개폐밸브는 일반적으로 공압으로 포핏을 열고 닫음으로써 로켓엔진에 액체산화제유량을 제어한다. 상용되는 산업용 밸브와는 달리 현재 개발 중인 산화제 개폐밸브는 밸브는 효과적인 기밀을 위해 피스톤과 포핏이 접촉되어 있을 뿐, 분리되어 설계되어졌다. 밸브가 닫히는 동안 피스톤과 포핏이 떨어져서 움직이는 것을 피하고, 밸브의 전반적인 작동 성능을 파악하기 위해서 힘평형 해석이 수행되었다. 또한 더욱 정확한 해석을 위해, 마찰력과 포핏에 작용하는 힘을 각각 시험과 CFD 해석을 통해 구해내었다. 해석 결과를 통해 힘평형 해석에서 스프링, 마찰력과 공압부의 오리피스 크기와 같은 중요한 설계인자들의 영향을 알아보았으며, 현재 개발 설계중인 산화제 개폐밸브의 작동성능을 확인하였다.
A MOV(Main Oxidizer shutoff Valve) controls the flow rate of liquid oxygen into the rocket combustor by opening and shutting operations piloted by a pneumatic force. In order to improve the effective design for sealing parts of poppet and piston assemblies, the poppet assembly has been designed to b...
A MOV(Main Oxidizer shutoff Valve) controls the flow rate of liquid oxygen into the rocket combustor by opening and shutting operations piloted by a pneumatic force. In order to improve the effective design for sealing parts of poppet and piston assemblies, the poppet assembly has been designed to be just contacted with the piston assembly. However, to avoid a gap at the poppet/piston contact surface and to evaluate the MOV operating performance, an analyze on the force balance during the closing motion have been performed. For the accuracy of the analysis, the friction forces and the hydraulic forces have been respectively obtained by experiments and CFD analysis. Through the analysis, some important design parameters such as the spring constant, poppet friction and orifice size in the force balance have been introduced and the required operation performance of the MOV has been proved feasible.
A MOV(Main Oxidizer shutoff Valve) controls the flow rate of liquid oxygen into the rocket combustor by opening and shutting operations piloted by a pneumatic force. In order to improve the effective design for sealing parts of poppet and piston assemblies, the poppet assembly has been designed to be just contacted with the piston assembly. However, to avoid a gap at the poppet/piston contact surface and to evaluate the MOV operating performance, an analyze on the force balance during the closing motion have been performed. For the accuracy of the analysis, the friction forces and the hydraulic forces have been respectively obtained by experiments and CFD analysis. Through the analysis, some important design parameters such as the spring constant, poppet friction and orifice size in the force balance have been introduced and the required operation performance of the MOV has been proved feasible.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 MOV 개발에 필수적인 힘평형 해석을 수행하였다. 먼저 예비해석으로 MOV 설계요소인 스프링,마찰력, 공압부의 오리피스 크기에 따른 밸브의 작동 성능을 살펴보았으며, 스프링 힘이 MOV 힘평형 설계를 제어하는 주요 설계 요소임을 알 수 있었다.
가설 설정
# 는 다른 값에 비해 매우 작을 것이므로 여기서는 무시한다. 그리고 pfAp는 포핏 위치에 대한 2차함수로 가정하고 마찰력은 상수로 두고 계산을 하여, 설계인자에 따른 영향을 알아보았다[3]. 식 (2)에서의 양변을 각각
마찰력 시험에서의 밸브작동은 공압, 스프링 힘과 피스톤 마찰력에 의해서만 이루어진다고 가정한다. 시간에 대해 공압을 선형으로 가압과 해압할 수 있는 공압제어장치(Fig.
피스톤 마찰력은 sleeve가 압축되는 정도와 작동환경에 따라 변화가 있을 것이라 가정 하고 시험을 수행하였다. 실제 작동환경인 극저온 상태에서의 마찰력을 알아보기 위해 시험이 이루어졌으며, 상온에서의 시험결과와 비교하여 환경에 따른 경향을 살펴보았다.
제안 방법
6에서처럼 포핏의 위치에 따른 압력을 구한다. 공압은 피스톤의 마찰력과 스프링의 힘의 합보다 커지면 밸브가 작동하므로 그에 따른 충분한 압력을 공급하도록 하였다. 반복 시험을 하여 그래프가 겹쳐지는 정도로부터 값의 수렴을 판단하였다.
실제 작동환경인 극저온 상태에서의 마찰력을 알아보기 위해 시험이 이루어졌으며, 상온에서의 시험결과와 비교하여 환경에 따른 경향을 살펴보았다. 그리고 작동횟수에 따른 마찰력의 변화를 알아보기 위해 내구성 시험이 이루어졌다.
공압은 피스톤의 마찰력과 스프링의 힘의 합보다 커지면 밸브가 작동하므로 그에 따른 충분한 압력을 공급하도록 하였다. 반복 시험을 하여 그래프가 겹쳐지는 정도로부터 값의 수렴을 판단하였다.
26을 사용하였고, 포핏 위치에 따른 포핏 양단의 압력차에 의한 힘을 계산하였다. 밸브 전/후단의 압력 경계 조건은 연소 중단 시의 연소기 및 터보펌프의 실제 설계 운영 조건에 따라 적용하였다. 포핏 주위의 압력 측정이 불가능하므로, CFD 해석 결과와 시험 결과와의 비교를 위해 밸브가 완전 개방되었을 때의 유량계수 Cv값을 비교함으로써 확인하였으며, 실제 시험결과와 CFD 해석결과의 유량계수 Cv값의 오차는 대략 3% 이내인 것으로 나타났다[6].
마찰력 시험에서의 밸브작동은 공압, 스프링 힘과 피스톤 마찰력에 의해서만 이루어진다고 가정한다. 시간에 대해 공압을 선형으로 가압과 해압할 수 있는 공압제어장치(Fig. 3)를 제작하였고, 조건에 따라 시간과 압력을 입력(Fig. 4)하여 마찰력 측정을 위한 시험을 수행하였다[5].
피스톤 마찰력은 sleeve가 압축되는 정도와 작동환경에 따라 변화가 있을 것이라 가정 하고 시험을 수행하였다. 실제 작동환경인 극저온 상태에서의 마찰력을 알아보기 위해 시험이 이루어졌으며, 상온에서의 시험결과와 비교하여 환경에 따른 경향을 살펴보았다. 그리고 작동횟수에 따른 마찰력의 변화를 알아보기 위해 내구성 시험이 이루어졌다.
한편 포핏 위치는 전체 스트록(stroke)을 10구간으로 나누어 각각 계산하였고, 그 결과 값은 Table 1과 같다. 유동에 의한 힘(hydraulic force)을 위치에 대한 2차함수로 표현하여 이를 힘평형 관계식에 적용하였다.
포핏에 작용하는 유동에 의한 힘(hydraulic force: 식 (1)의 pfAp)를 예측하기 위해 CFD 해석이 이루어졌다. 포핏에 작용하는 유동에 의한 힘을 예측하기 위해 간단히 밸브 전/후단의 압력을 측정하여 활용하는 것은 정확하지 않으며[3], 또한 포핏 표면의 압력 분포를 시험적으로 측정하기는 매우 어렵기 때문에, CFD 해석을 수행하였다.
)를 예측하기 위해 CFD 해석이 이루어졌다. 포핏에 작용하는 유동에 의한 힘을 예측하기 위해 간단히 밸브 전/후단의 압력을 측정하여 활용하는 것은 정확하지 않으며[3], 또한 포핏 표면의 압력 분포를 시험적으로 측정하기는 매우 어렵기 때문에, CFD 해석을 수행하였다. 이를 위해 상용프로그램인 FLUENT 6.
데이터처리
포핏에 작용하는 유동에 의한 힘을 예측하기 위해 간단히 밸브 전/후단의 압력을 측정하여 활용하는 것은 정확하지 않으며[3], 또한 포핏 표면의 압력 분포를 시험적으로 측정하기는 매우 어렵기 때문에, CFD 해석을 수행하였다. 이를 위해 상용프로그램인 FLUENT 6.3.26을 사용하였고, 포핏 위치에 따른 포핏 양단의 압력차에 의한 힘을 계산하였다. 밸브 전/후단의 압력 경계 조건은 연소 중단 시의 연소기 및 터보펌프의 실제 설계 운영 조건에 따라 적용하였다.
성능/효과
본 연구에서는 MOV 개발에 필수적인 힘평형 해석을 수행하였다. 먼저 예비해석으로 MOV 설계요소인 스프링,마찰력, 공압부의 오리피스 크기에 따른 밸브의 작동 성능을 살펴보았으며, 스프링 힘이 MOV 힘평형 설계를 제어하는 주요 설계 요소임을 알 수 있었다. 보다 정확한 힘평형 해석을 위해 마찰력과 포핏에 걸리는 유동에 의한 힘은 각각 시험과 CFD 해석을 통해 구하여 계산한 결과, 설계/제작된 MOV가 실제 운영조건에서 포핏과 피스톤이 분리되지 않고 정상적으로 작동하는 것으로 나타났다.
밸브 반복 작동 시 피스톤 sleeve가 마모되는 현상을 발견 할 수 있었고, 이 영향으로 밸브 작동 횟수에 따라 마찰력이 변화하는 것으로 나타났다. 상온에서 1500회, 극저온에서 1200회 반복 시험이 이루어졌고 횟수에 따른 마찰력의 경향을 Fig.
먼저 예비해석으로 MOV 설계요소인 스프링,마찰력, 공압부의 오리피스 크기에 따른 밸브의 작동 성능을 살펴보았으며, 스프링 힘이 MOV 힘평형 설계를 제어하는 주요 설계 요소임을 알 수 있었다. 보다 정확한 힘평형 해석을 위해 마찰력과 포핏에 걸리는 유동에 의한 힘은 각각 시험과 CFD 해석을 통해 구하여 계산한 결과, 설계/제작된 MOV가 실제 운영조건에서 포핏과 피스톤이 분리되지 않고 정상적으로 작동하는 것으로 나타났다. 힘평형 해석관련 설계인자의 영향을 예측하고 측정방법을 제시함으로써, 향후 개발하는 MOV는 물론 관련 밸브류의 설계 및 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
시험에서 직접 구한 스프링 상수, 마찰력과 CFD 해석으로 계산된 포핏 양단에 걸리는 압력차에 의한 힘을 식 (1)에 적용하여 MOV의 힘평형 계산을 수행한 결과, 설계/제작된 MOV가 운영조건에서 포핏과 피스톤이 분리되지 않고 정상적으로 작동하는 것으로 나타났다. Fig.
앞서 예비해석에서 밸브 작동조건을 충족하는 설계인자의 영향을 살펴보았고, 스프링이 가장 효율적인 설계인자임을 확인하였다. 이를 토대로 스프링 상수와 마찰력의 크기를 정확히 파악하고, 실제 조건에서의 작동을 예측 할 수 있어야 한다.
밸브 전/후단의 압력 경계 조건은 연소 중단 시의 연소기 및 터보펌프의 실제 설계 운영 조건에 따라 적용하였다. 포핏 주위의 압력 측정이 불가능하므로, CFD 해석 결과와 시험 결과와의 비교를 위해 밸브가 완전 개방되었을 때의 유량계수 Cv값을 비교함으로써 확인하였으며, 실제 시험결과와 CFD 해석결과의 유량계수 Cv값의 오차는 대략 3% 이내인 것으로 나타났다[6].
후속연구
초기 300회의 반복까지는 상온의 마찰력이 극저온에서의 마찰력보다 크게 나타났으나, 그 이후의 경향은 비슷해지는 것을 볼 수 있다. 실제 MOV의 작동 환경이 극저온상태이고 반복횟수가 그렇게 많지 않다는 점을 감안한다면, 극저온 상태에서의 작동횟수 600회 이전 시험결과를 힘평형 관계에 적용하면 될 것으로 판단된다.
그러나 스프링 상수는 변경이 쉽고 그 변화에 따른 결과도 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 밸브 설계에 적용하여 보다 효율적인 개발이 이루어질 수 있을 것이다.
힘평형 해석관련 설계인자의 영향을 예측하고 측정방법을 제시함으로써, 향후 개발하는 MOV는 물론 관련 밸브류의 설계 및 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 한편, 밸브의 작동특성을 더욱 정확히 예측하기 위해서는 정지마찰력에 대한 고려[7]와 포핏에 작용하는 유동에 의한 힘에 대한 보다 정확한 예측과 같은 추가적인 연구가 향후 더욱 심도 있게 이루어져야 할 것이다.
보다 정확한 힘평형 해석을 위해 마찰력과 포핏에 걸리는 유동에 의한 힘은 각각 시험과 CFD 해석을 통해 구하여 계산한 결과, 설계/제작된 MOV가 실제 운영조건에서 포핏과 피스톤이 분리되지 않고 정상적으로 작동하는 것으로 나타났다. 힘평형 해석관련 설계인자의 영향을 예측하고 측정방법을 제시함으로써, 향후 개발하는 MOV는 물론 관련 밸브류의 설계 및 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 한편, 밸브의 작동특성을 더욱 정확히 예측하기 위해서는 정지마찰력에 대한 고려[7]와 포핏에 작용하는 유동에 의한 힘에 대한 보다 정확한 예측과 같은 추가적인 연구가 향후 더욱 심도 있게 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
밸브 작동 시, 포핏이 닫히는 경우에 일체형 운동이 되지 않는 이유는 무엇인가?
밸브 작동 시, 공압에 의해 포핏이 열리는 경우에는 피스톤이 포핏을 밀어주기 때문에 일체형의 운동으로 간주할 수 있다. 그러나 닫히는 경우에는 공압이 빠져나가는 정도, 피스톤의 마찰력, 스프링에 의한 힘, 그리고 유동에 의해 포핏에 작용하는 힘 등이 피스톤과 포핏의 움직임에 영향을 미쳐 일체형 운동이 되지 않을 수 있다. 만약 피스톤의 관성력이 피스톤에 작용하는 저항력보다 커져 떨어져서 움직이게 된다면 피스톤이 밸브의 본체에 충격을 가하게 되므로 이를 피하기 위한 조건을 제시하여야 한다.
우주발사체 액체추진기관용 산화제 개폐밸브의 특징은 무엇인가?
우주발사체 액체추진기관용 산화제 개폐밸브(MOV, Main Oxidizer shutoff Valve)는 연소기에 산화제를 공급 및 제어하는 엔진부품으로, 일반적인 산업용 밸브에 비해 작동 조건이 매우 극한적이고 제한적이다. 압력손실과 무게를 최소화해야 할 뿐만 아니라, 동시에 요구되는 기밀성능을 유지해야 하는 등의 어려움이 있다.
산화제 개폐밸브가 설계와 제작에 이점을 가질 수 있는 이유는 무엇인가?
현재 개발 중인 산화제 개폐밸브(Fig. 1)는 효과적인 기밀을 위해 운동부인 피스톤과 포핏이 분리되어 있어 설계와 제작에 이점을 가질 수 있다. 이 밸브는 공압으로 작동 할 수 있는 구조를 가지고, 스프링, 유동의 흐름과 피스톤의 마찰력 등이 작동을 결정한다.
참고문헌 (7)
Moongeun Hong, Soo Young Lee, 2008,"On the Force Balance of a Main OxidizerShutoff Valve", KSPE Spring Conference, pp.14-17.
Taik-Dong Cho, Sang-Min Yang, 2007,"Experimental Study for PerformanceEvaluation of Gate Valve", Trans. of the KSME(B), Vol. 31, No. 10, pp. 884-888.
Taik-Dong Cho, Sang-Min Yang,Ho-Young Lee, Sung-Ho Ko, 2007, "A Studyon the Force Balance of an Unbalanced GlobeValve", Journal of Mechanical Science andTechnology, Vol. 21, pp. 814-820.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.