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문제 정의
- 3에서는 시험을 위해 설치된 산화제펌프의 모습으로 시험과정에서 측정할 온도, 압력, 회전수와 관련된 센서들이 설치되어 있으며, 시험 전 배관 예냉과정에서 액체질소에 의해 극저온 상태로 냉각된 시험펌프의 모습을 보여준다. 본 시험에서는 산화제펌프와 연결된 구동축으로 누설되는 액체질소를 처리하기 위하여 실제 터보펌프에서 사용되는 연료와 산화제의 혼합방지 및 배출 기능을 수행하는 IPS(Inter-Propellant Seal)를 장착하여 누설되는 액체질소가 대기로 배출되도록 하였다. 이는 누설되는 작동유체의 처리와 함께 가능한 터보펌프의 실제 운영상황과 유사한 조건에서 펌프의 단독시험을 수행하기 위한 것이다.
제안 방법
- 극저온 시험의 경우는 액체질소의 유입온도를 약 -195℃(78K)로 모든 경우에 대하여 동일하게 유지시켜 시험을 수행하였으며, 시험회전수는 각 시험매질에 대하여 10,000rpm(LN2)과 8,300rpm(water)으로 하였다. 각매질에 대한 유량범위로는 설계유량(Q/Q=1.0)의 90, 100, 110%에 해당되는 세 경우에 대하여 흡입성능특성을 비교하였다.
- 06)에서의 양정을 초기양정(Hnon-cavi)이라고 보고 이 초기양정에 대한 전체 측정양정의 비로 정의하였다. 극저온 시험의 경우는 액체질소의 유입온도를 약 -195℃(78K)로 모든 경우에 대하여 동일하게 유지시켜 시험을 수행하였으며, 시험회전수는 각 시험매질에 대하여 10,000rpm(LN2)과 8,300rpm(water)으로 하였다. 각매질에 대한 유량범위로는 설계유량(Q/Q=1.
- 2 영역에서 수행되어 졌다. 극저온 흡입성능시험의 경우는 설계 유량(Q/Qn=1.0)에서 회전수 9,000, 10,000, 11,000rpm의 세 경우에 대하여 시험을 수행하였으며, 특히 회전수 10,000rpm에서는 저유량에서 고유량범위(Q/Qn=0.9, 1.0, 1.1)까지 포함한 흡입성능시험이 이루어 졌다. 시험과정에서 측정된 유량(Q), 양정(H) 및 유효흡입수두(NPSH)는 모두 무차원 형식으로 표현하였으며, 그 정의는 식 (1~4)와 같다.
- 본 시험에서 작동유체로 사용된 액체질소의 온도측정에 RTD(PT100) 형태의 센서를 사용했으며, 압력측정의 경우는 절대압력계(10.34barA, uncertainty: ±0.025%)를 사용하여 160~200kPaA의 압력조건에서 그 유체의 포화온도(saturation temperature)를 측정하여 이론적 포화증기압선도와 비교/검증하였다.
- 본 연구에서는 액체로켓엔진을 구성하는 터보펌프에서 산화제펌프에 대한 상온의 물을 매질로 하는 수류시험(water test)과 액체질소를 작동유체로 하는 극저온 시험(cryogenic test)을 수행하여 펌프의 수력성능 및 흡입성능의 특성을 비교/분석하였다.
- 5에서 본 연구에 사용된 산화제펌프의 극저온 수력성능시험에 대한 결과를 보여주고 있다. 시험부로 유입되는 작동유체인 액체질소의 상태를 시험 전반에 걸쳐 점검한 결과와 함께 시험펌프의 양정, 효율 및 흡입성능특성을 무차원화하여 나타내었다. 액체질소와 같이 극저온 매질을 이용하는 펌프시험에서는 시험유체의 온도가 끓는 점(boiling point)에 가깝기 때문에 펌프에 유입되는 작동유체가 쉽게 기화하여 기체상태 혹은 기상과 액상이 혼합된 2상 유체(2-phase fluid)로 펌프로 유입되기 쉽다.
- 이 회수라인 상에는 5000mesh급의 미세필터를 설치하여 시험유체 내에 잔존할 수 있는 이물질을 철저히 제거한 다음 공급탱크로 보내져 재사용하게 된다. 시험부에서 유량조절밸브 사이의 구간은 최대 110bar까지 시험 가능하도록 배관을 구성하였고, 유량측정은 측정방식이 다른 이종유량계 (turbine flowmeter, mass flowmeter)를 두어 체적유량과 질량유량을 동시에 측정할 수 있도록 하였다. 유량측정범위에 있어서 체적유량은 최대 78L/s (uncertainty: ±0.
- 7에서 보여주고 있다. 실제 시험회전수는 각각 10,000rpm(LN2), 9,300rpm(water)에서 수행하였으며, 두 시험매질에 대한 시험결과를 비교하기 위하여 시험유량(Q)을 정격유량(Qn)으로 나누어 일반화한 유량에 대한 양정계수로 표현하였다. 전반적인 유량영역에서 양정은 유사하게 나타났으며, 특히, 설계유량(Q/Qn=1.
- 액체로켓엔진에서 산화제를 승압하여 연소실로 이송시키는 산화제펌프에 대한 성능특성을 파악하기 위하여 액체질소를 이용한 극저온 시험을 수행하여, 그 결과를 작동유체로 물을 이용한 수류시험의 결과와 비교/검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 3mm(외경기준)의 관경을 가지는 이중진공배관으로 제작/설치되었으며, 이주배관을 따라 시험부, 유량계 및 유량조절밸브가 순차적으로 구성되어져 있다. 외부설비에서 두 액체질소탱크는 작동유체를 공급하는 공급탱크(run tank)와 이를 회수하는 회수탱크(catch tank)로 구분되어, 공급탱크를 시작으로 시험부를 거쳐 토출되는 액체질소를 전량 회수함으로써 작동유체의 소진을 최소화하여 반복적인 시험이 가능하도록 하였다. 회수탱크로 들어온 작동유체는 주배관과는 별도의 라인(외경 34mm)을 거쳐 공급탱크로 회수된다.
- 이러한 극저온 유체를 완전한 액체상태(liquid state)로 유지시켜 펌프로 유입시키는 것이 중요한 시험요소 중에 하나이다. 초저온 저장탱크와 이중진공배관을 사용하더라도 주배관의 충분하지 못한 냉각상태와 진공파손 및 플랜지 체결부 등에 의한 외부열전달 등에 의해 내부유체는 2상 유체의 상태로 존재할 가능성이 높기 때문에 본 시험에서는 시험 전과정에서 펌프상류의 온도와 압력을 정밀하게 측정하여 유체상태를 파악할 수 있도록 하였으며, 공급탱크를 300kPaA 이상으로 가압하여 작동유체의 끓는 점을 높여 펌프로 유입되는 유체가 가급적 기화되지 않도록 하여 시험을 수행하였다. Fig.
- 15℃) 이하의 액체산소를 작동유체로 한다. 하지만, 본 시험에서는 작동유체로 액체산소와 그 물리적 성질이 유사한 액체질소를 이용하여 펌프에 공급되는 유체온도를 78~79K(-195.15~-194.15℃)로 일정하게 유지시켜 설계회전수의 30~55% 영역에서 극저온 수력성능시험 및 극저온 흡입성능시험을 수행하였다.
- 6에서 보여주는 것과 같이 극저온 흡입성능시험에 대해서도 그 상사특성이 잘 나타나고 있다. 흡입성능시험을 위한 펌프의 시험회전수는 가능한 높은 회전수(9,000, 10,000, 11,000rpm)에서 이루어졌다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 액체질소를 이용한 극저온 시험에 사용된 시험펌프는 추력 30톤급 액체로켓엔진에 사용될 산화제펌프로 수류시험을 통해 성능특성이 확보되었으며, 그 설계요구조건을 Table 1에 나타내었다.(6) 20,000rpm의 고회전수로 작동하는 산화제펌프는 실매질 시험에서 95K(-178.
- 1은 항우연에서 개발한 액체질소를 작동유체로 하는 극저온 터보펌프 시험설비의 전체적인 개략도를 3차원적으로 보여주고 있다. 액체질소를 공급 및 회수할 수 있는 두 개의 초저온 탱크(5m3,10bar)와 이를 가압할 수 있는 기체질소탱크(3m3,35bar)로 외부설비가 구성되어 있다. 시험부(test section)를 기점으로 크게 공급 및 회수라인으로 구성된 주배관은 모두 114.
성능/효과
- (1) 액체질소를 작동유체로 사용한 극저온 시험의 경우와 상온의 물을 사용한 수류시험의 경우에 설계유량에서 펌프의 양정은 모두 유사하게 나타났다.
- (2) 펌프의 효율측면에서는 액체질소의 점도가 물보다 낮아 원판마찰로 인한 손실이 상대적으로 작은 것에서 기인하여 동일펌프에 대하여 극저온 시험의 경우가 수류시험보다 펌프의 효율이 3%가량 증가하는 경향을 보였다.
- (3) 펌프의 흡입성능특성은 극저온 유체의 열역학적 효과로 인하여 시험유량 전 영역에서 액체질소를 작동유체로 하는 극저온 시험의 경우가 수류시험보다 더 낮은 임계 캐비테이션 수를 보였으며, 특히 설계유량에서는 상온 수류시험보다 임계 캐비테이션 수가 0.012 더 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- Fig. 8에서 펌프의 초기양정에 대하여 3%낮아진 양정(H/Hnon-cavi=0.97)에서의 캐비테이션 수를 임계캐비테이션 수(σcr)라고 정의할 때, 설계유량(Q/Qn=1.0)에서 극저온 시험에 대한 임계 캐비테이션 수는 수류시험의 경우보다 약 0.012 정도 더 낮은 임계값을 보였으며, 고유량(Q/Qn=1.1)과 저유량 (Q/Qn=0.9) 영역에서도 액체질소를 이용한 극저온 시험결과가 상온 수류시험의 결과보다 더 낮은 임계 캐비테이션 수를 보이는 것으로 확인되었다.
- 그 결과, 압력과 온도에 대한 액체질소의 이론적인 포화곡선과 실험적 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났으며, 센서의 온도측정에 대한 정확성은 오차범위가 최대 ±0.1℃로 극저온 상태에서도 높은 신뢰도를 보이고 있다.
- 1℃로 극저온 상태에서도 높은 신뢰도를 보이고 있다. 그리하여 본 시험에서 측정온도로부터 산출되는 양정, 효율 및 캐비테이션 수 등의 펌프성능변수는 충분히 신뢰할 수 있을 것으로 판단된다.
- 모든 시험유량범위에서 설계요구조건 이상의 캐 비테이션 수(σ>0.058) 영역에 대한 양정은 작동유체와 관계없이 동일한 크기를 가지지만, 펌프의 입구압력을 낮추어 캐비테이션 수가 작아질수록 그 양정곡선의 경향은 다르게 나타났다.
- 설계유량 (Q/Qn=1.0)에서 양정계수는 Ψ=0.94로 액체질소와 물의 경우가 거의 동일하였으며, 이 유량에서 효율은 각각 76.4%(LN2), 73.4%(water)로 액체질소를 작동유체로 하는 극저온 시험에서 3% 가량 높게 나타났다.
- 4m 상류지점에서 액체질소의 상태를 보여주고 있다. 시험과정 동안 펌프로 유입되는 작동유체가 항상 액상을 유지하고 있음을 확인할 수 있었으며, 작동유체의 온도는-195℃~-194℃(78~79K)로 나타났다.
- 0)에서는 거의 일치하는 것으로 나타났다. 시험펌프의 효율측면에서는 액체질소를 이용한 극저온 시험에서 효율이 다소 높게 나타나는 결과를 보였다. 설계유량 (Q/Qn=1.
- 실제 시험회전수는 각각 10,000rpm(LN2), 9,300rpm(water)에서 수행하였으며, 두 시험매질에 대한 시험결과를 비교하기 위하여 시험유량(Q)을 정격유량(Qn)으로 나누어 일반화한 유량에 대한 양정계수로 표현하였다. 전반적인 유량영역에서 양정은 유사하게 나타났으며, 특히, 설계유량(Q/Qn=1.0)에서는 거의 일치하는 것으로 나타났다. 시험펌프의 효율측면에서는 액체질소를 이용한 극저온 시험에서 효율이 다소 높게 나타나는 결과를 보였다.
- 015 근처에서 양정저하가 시작된다. 즉, 동일한 펌프에 대하여 작동유체로 액체질소를 사용할 경우, 상온의 물에 비하여 동일한 양정저하에 대한 캐비테이션 수가가 현저하게 낮은 것으로 나타났다. 그 외 저유량(Q/Qn=0.
- 5(b), (c)에서는 유량계수(Φ)에 대한 양정계수(Ψ)와 효율(η)특성을 보여주고 있다. 펌프의 시험회전수범위는 6,000~10,000rpm으로 시험결과를 무차원화 한 곡선이 회전수에 대한 상사가 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있었으며, 양정계수는 유량계수 증가에 대하여 감소하는 특성을 보였다.
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