[논문]가스발생기 연료개폐밸브의 동적 거동

이중엽; 허환일

초록
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가스발생기용 연료개폐밸브는 파일롯 공압으로 포핏을 열고 스프링 힘에 의해 닫음으로써 로켓엔진의 연료 유량을 제어한다. 현재 개발 중인 가스발생기 연료개폐밸브는 액추에이터에서 압력이 제거되더라도 유로부에 해당 압력이 존재한다면 스스로 열림을 유지하는 방식으로 설계되어 있다. 밸브의 성능을 평가하기 위해 밸브가 열리고 닫히는 특성에 따라 힘 평형 상태를 분석할 필요가 있다. 이를 위하여 밸브의 포핏이 열리기 위한 파일롯 압력과 닫히기 위한 유로부 압력을 힘 평형에 의해 조절되도록 설계하였다. 또한, 사용 소프트웨어 인 AMESim을 이용하여 동적 모델을 구성하였고 Fluent CFD 해석을 통해 밸브의 고유유량계수를 구해보았다. 예측과 해석을 통해 획득 된 결과들은 실험 결과와 비교하였고, 밸브의 동적 거동을 실험을 통해 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fuel shutoff valve of a gas generator controls propellant mass flowrate of a rocket engine, by using pilot pressure and spring force. The developing fuel shutoff valve can be self sustained even though pilot pressure is removed in an actuator. Therefore, it is necessary to analyze the characteristic...

Fuel shutoff valve of a gas generator controls propellant mass flowrate of a rocket engine, by using pilot pressure and spring force. The developing fuel shutoff valve can be self sustained even though pilot pressure is removed in an actuator. Therefore, it is necessary to analyze the characteristics of the forces with respect to the opening and closing of the valve in order to evaluate its performance. In light of this, the valve has been designed to adjust the control pressure for the opening of the poppet and to determine the working fluid pressure at which the valve starts to close. This paper also has been designed dynamic model using the AMESim and predicted flow coefficient of the valve by Fluent CFD analysis. Various results from the prediction and the analysis have been compared with experiments. Finally, dynamic characteristics of the valve have been verified with experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

액체로켓 추진기관용 가스발생기 연료개폐밸브(GFV, Gas generator Fuel shutoff Valve)는 추진기관 엔진공급계에서 가스발생기부로 유입되는 추진제 중 연료 유동 개폐를 목적으로 한다[1]. 가스발생기는 터보펌프(turbo pump unit) 장치의 터빈을 회전시켜 축회전력을 생성하며 동시에 동일한 축선상의 회전력을 얻어 각 펌프로 토크를 전달하는 방식을 이용하는데, 추진기관 부품의 일부인 GFV 또한 액체로켓 개방 사이클(open cycle)방식에 의해 운용된다.
본 논문에서는 동특성 검증을 위해 정적상태의 힘 평형 관계식을 통해 스프링 설계를 수행했다. 최초로 포핏이 움직일 때의 파일롯 정압력과 포핏이 완전 열린 시점에서 파일롯 압력, 파일롯의 압력을 제거 후 스스로 열림을 유지하기 위한 밸브의 유로압력, 밸브가 완전 닫힘 상태로 유지되는 당시의 압력을 구해 보았다.

제안 방법

요구 조건에 따라 자동제어 및 계측이 가능하도록 Fig. 4와 같이 설비를 구축했고, GFV 단품 관련 실험을 수행했으며[9, 10], 당시 실험 저장 주기(sampling rate)는 1 kHz이다. Fig.
0[11]을 이용했다. 모델링은 크게 3부분으로 나눠서 각각 물리적인 특성을 검증했다. 평상 시 닫힘(Normal Clsoe)과 스스로 열림 구조의 특성 해석을 위한 피스톤 액추에이터 및 스프링 부분과 힘 평형을 변화시켜 임의의 제어로 포핏의 열림을 만들어주기 위한 파일롯 GFV 부분, 유동을 발생시키는 유로부로 구분하여 모델링을 수행하였다.
모델링은 크게 3부분으로 나눠서 각각 물리적인 특성을 검증했다. 평상 시 닫힘(Normal Clsoe)과 스스로 열림 구조의 특성 해석을 위한 피스톤 액추에이터 및 스프링 부분과 힘 평형을 변화시켜 임의의 제어로 포핏의 열림을 만들어주기 위한 파일롯 GFV 부분, 유동을 발생시키는 유로부로 구분하여 모델링을 수행하였다.
실험 당시의 샘플링 속도 (sampling rate)은 500 Hz이다. 실험에서 동특성 모델인 솔레노이드 밸브를 이용하여 가압 및 해압이 이루어지도록 했고, 접점스위치(Limit Switch)를 이용하여 포핏의 완전히 개방된 위치 1지점만을 계측할 수 있도록 했다. Fig.
본 논문에서는 동특성 검증을 위해 정적상태의 힘 평형 관계식을 통해 스프링 설계를 수행했다. 최초로 포핏이 움직일 때의 파일롯 정압력과 포핏이 완전 열린 시점에서 파일롯 압력, 파일롯의 압력을 제거 후 스스로 열림을 유지하기 위한 밸브의 유로압력, 밸브가 완전 닫힘 상태로 유지되는 당시의 압력을 구해 보았다. 밸브의 초기 입력조건을 이용하여 고유유량계수 및 힘 평형 설계 당시 필요한 스트로크를 예측할 수 있었다.
이것은 시스템에서 요구한 밸브 개발조건을 구동 기체의 종류 및 힘 균형을 통해 밸브 응답시간을 결정하게 되지만 밸브마다 요구 응답특성이 다르므로 그 비율 또한 다르다. 이를 위해 최대 스트로크 상태일 때 밸브 형상을 CFD 해석을 통해 밸브가 형상적으로 내포하고 있는 고유유량계수를 계산할 수 있었다. 또한, AMESim 모델링을 이용하여 정적 설계 결과 및 힘 평형 관련 실험 결과의 검증을 위해 비교했고, GFV 동적 거동을 예측하였다.
이를 위해 최대 스트로크 상태일 때 밸브 형상을 CFD 해석을 통해 밸브가 형상적으로 내포하고 있는 고유유량계수를 계산할 수 있었다. 또한, AMESim 모델링을 이용하여 정적 설계 결과 및 힘 평형 관련 실험 결과의 검증을 위해 비교했고, GFV 동적 거동을 예측하였다. 파이롯 압력을 질소를 사용할 경우 GFV의 개방시간은 약 30 ms이고 비록 유동력에 따라 차이를 보일 수 있으나 당시의 해석과 실험 조건을 동일하게 가져갔을 경우 닫히는데 지연 된 시간은 약 8 ms였다.

이론/모형

GFV 형상 길이에 대한 차압을 Fig. 3과 같이 예측하기 위해 상용 프로그램인 Fluent 12를 이용했다. 유동해석 결과를 통해 고유유량계수의 C_v를 결정하고 해석을 위한 실험 조건과 근사되도록 배관 길이 및 센서의 위치를 Fig.
4와 같이 선정했다. 해석 시 GFV 전단과 후단의 초기 압력 경계조건은 요구도에 의한 압력차와 정격 유량치를 참고했다. 해석과 실험에서 전/후단압력 계측부는 GFV 기준으로 배관 내경 대비 5×d 전과 후에 위치토록 했다.
GFV의 동특성 모델을 해석하기 위해 AMESim 4.3.0[11]을 이용했다. 모델링은 크게 3부분으로 나눠서 각각 물리적인 특성을 검증했다.
비록 실제 실험에서는 GFV의 거동을 파악하기 위해 단계별 승압한 결과로 압력 대비 스트로크 특성이 해석과 실험 결과에서 다소 차이를 보일 수 있다. 또한, 스프링에 의한 GFV의 개폐는 복잡한 비선형모델이기 때문에 우선 수학적 모델을 통해 단순화 보다는 과도 응답특성을 AMESim 모델결과를 활용했다.

성능/효과

즉, 측정 센서가 갖는 응답시간과 평균화 시간으로 섭동을 수반한다. 따라서 적절한 고유유량계수 값을 얻기 위해 Fig. 5와 같이 수 초 동안의 실험 결과에 대해 평균값을 도출했고 그 값은 약 25 정도이다. CFD 해석결과에서 예측한 고유유량계수의 오차는 대략 3% 이내이다.

후속연구

파이롯 압력을 질소를 사용할 경우 GFV의 개방시간은 약 30 ms이고 비록 유동력에 따라 차이를 보일 수 있으나 당시의 해석과 실험 조건을 동일하게 가져갔을 경우 닫히는데 지연 된 시간은 약 8 ms였다. 이러한 힘평형 해석 관련 설계인자의 영향을 예측하고 측정방법을 제시함으로써 향후 개발하는 GFV는 물론, 관련 밸브류의 설계 및 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스발생기용 연료개폐밸브가 로켓엔지의 연료 유량을 어떻게 제어하는가?	가스발생기용 연료개폐밸브는 파일롯 공압으로 포핏을 열고 스프링 힘에 의해 닫음으로써 로켓엔진의 연료 유량을 제어한다. 현재 개발 중인 가스발생기 연료개폐밸브는 액추에이터에서 압력이 제거되더라도 유로부에 해당 압력이 존재한다면 스스로 열림을 유지하는 방식으로 설계되어 있다.
	가스발생기 연료개폐밸브의 성능을 평가하기 위해 필요한 분석은 무엇인가?	현재 개발 중인 가스발생기 연료개폐밸브는 액추에이터에서 압력이 제거되더라도 유로부에 해당 압력이 존재한다면 스스로 열림을 유지하는 방식으로 설계되어 있다. 밸브의 성능을 평가하기 위해 밸브가 열리고 닫히는 특성에 따라 힘 평형 상태를 분석할 필요가 있다. 이를 위하여 밸브의 포핏이 열리기 위한 파일롯 압력과 닫히기 위한 유로부 압력을 힘 평형에 의해 조절되도록 설계하였다.
	액체로켓 추진기관용 가스발생기 연료개폐밸브의 사용 목적은 무엇인가?	액체로켓 추진기관용 가스발생기 연료개폐밸브(GFV, Gas generator Fuel shutoff Valve)는 추진기관 엔진공급계에서 가스발생기부로 유입되는 추진제 중 연료 유동 개폐를 목적으로 한다[1]. 가스발생기는 터보펌프(turbo pump unit) 장치의 터빈을 회전시켜 축회전력을 생성하며 동시에 동일한 축선상의 회전력을 얻어 각 펌프로 토크를 전달하는 방식을 이용하는데, 추진기관 부품의 일부인 GFV 또한 액체로켓 개방 사이클(open cycle)방식에 의해 운용된다.

참고문헌 (11)

전재형, 홍문근, 김현준, 이수용, "산화제 개폐밸브의 힘평형에 관한 연구", 한국항공우주학회지, 제37권, 제8호, 2009, pp.812-818

원문보기 상세보기
홍문근, 이수용, "산화제 개폐밸브의 힘평형", 한국추진공학회 춘계학술대회, 2008, pp. 14-17
Cho, T. D., Yang, S. M., Lee, H. Y., Ko, S. H., " A study on the force balance of an unbalanced globe valve", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 21, 2007, PP.814-820

원문보기 상세보기
Design documentation, "Technical specification and analyses of the LOX supply system and its components for cryogenic LRE", Brochure 2, 2009
D. McCloy, H. R. Martin, Control of Fluid Power : Analysis and Design, 1980
Herbert E. Merritt, Hydraulic Control Systems, 1967
Philip L. Skousen, Valve Handbook, 1998.
이중엽, 정태규, 정용갑, 김영목, "터보펌프 모사를 위한 압력조절계의 특성에 관한 연구", 한국추진공학회지, 제8권, 제3호, 2004, pp. 27-36

원문보기 상세보기
이중엽, 정태규, 한상엽, 김영목, "제어밸브를 이용한 액체로켓엔진 모사시스템 특성", 한국추진공학회지, 제9권, 제3호, 2005, pp.74-84

원문보기 상세보기
Lee, J. Y., Design memo for test of the GFV, FLT-LJY-2009-004
Imagine S. A., Thermal-Hydraulic Library for Component Design, 2003

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