[논문]산화제 벤트/릴리프 밸브의 동특성 해석 및 작동성능 분석

장제선; 고현석; 한상엽; 이경원

[국내논문] 산화제 벤트/릴리프 밸브의 동특성 해석 및 작동성능 분석
Analysis of Dynamic Characteristics and Performances of Vent-Relief Valve 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.6 = no.67, 2011년, pp.70 - 77

장제선 (한국항공우주연구원 발사체추진제어팀) , 고현석 (한국항공우주연구원 발사체추진제어팀) , 한상엽 (한국항공우주연구원 발사체추진제어팀) , 이경원 (한국항공우주연구원 발사체추진제어팀)

초록
AI-Helper

우주발사체의 액체추진공급시스템에 사용되는 벤트/릴리프 밸브는 안전 밸브의 조합체로 극저온의 산화제를 주입할 때와 보관할 때 기화된 산소기체를 배출시킨다. 또한 비행 중에 추진제 탱크의 얼리지 압력을 안정적으로 유지하는 역할을 한다. 밸브의 동특성 및 유공압 작동특성을 알아보기 위해서 벤트/릴리프 밸브의 설계검증을 위해 AMESim을 이용해서 벤트/릴리프 밸브의 시뮬레이션 모델을 구성하였다. AMESim 밸브 모델을 검증하기 위해 밸브의 개폐 압력, 개폐작동시간을 수학적 계산 결과와 비교하였다. 또한 FLUENT 상용코드를 이용하여 내부유동 해석 결과를 반영하여 모델의 정확도를 높였다. 밸브 모델을 이용하여 설계인자에 대한 검증 및 작동성능을 분석하였다. 이 연구는 한국형 발사체에 사용되는 벤트/릴리프 밸브의 다양한 작동 요구조건에 대한 개발 효율성을 높일 수 있는 참고 가이드로 적용될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A ventilation-relief valve performs as a safety-valve assembly for the liquid-propellant feeding system of space launch vehicle. This valve plays a role of relieving the vaporized propellants from propellant tanks during the filling and storing stages of propellants. Also it regulates to maintain the pressure of ullage volume of on-board propellant tanks within the safety-margin during the flight. The simulation model of ventilation-relief valve is designed with AMESim to predict and evaluate the dynamic characteristics and pneumatic behaviors of valve. To validate a valve simulation model, the simulation results of the opening and closing pressures and their operating durations of valve by AMESim analysis are compared with the results of mathematical methods. In addition, the results of internal flow simulation with FLUENT are utilized to improve the accuracy of valve-modeling. This study will serve as one of reference guides to enhance the developmental efficiency of ventilation-relief valves with the various operating conditionss, which shall be used in Korea Space Launch Vehicle-II.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

밸브 내부의 작동 과정을 미분방정식으로 나타내었다. 엑츄에이터의 작동유체는 이상기체이고 밸브 벽면과의 열교환이 없다고 가정하였다. 또한 파일롯 배관에서 작동유체의 온도는 일정하다고 고려하였다.
엑츄에이터의 작동유체는 이상기체이고 밸브 벽면과의 열교환이 없다고 가정하였다. 또한 파일롯 배관에서 작동유체의 온도는 일정하다고 고려하였다. Eq.
해석/경계조건은 Table 5와 같다. 벤트 밸브가 완전개방일 때 실매질 GOX를 이상기체라고 가정하고 내부유동 해석을 수행하여 주요 결과를 나타내었다. 밸브의 내부와 입출구 영역에서의 마하수, 정압선도를 나타내었다.

제안 방법

1990년대 후반 미국 NASA의 X-34 추진기관 기본 설계 단계에서는 추진제인 액체산소와 RP-1을 1시간 이내에 충전하는 요구조건을 만족하기 위하여 벤트/릴리프 밸브의 유량 성능을 비롯하여 추진제 공급 시스템 전체의 성능과 안전성을 고려하는 설계가 수행되었다[1,2]. 또한 Saturn V, 스페이스 셔틀, Delta II 발사체의 1단 산화제 탱크에 적용되어 얼리지 압력을 조절하였다[3,4].
벤트/릴리프 밸브의 설계검증을 위해 AMESim 상용코드를 이용하여 밸브 모델을 구성하였다. 밸브 모델을 검증하기 위해 개폐 압력, 개폐 작동시간을 수학적 계산 결과와 비교하였고, 내부유동 해석 결과를 반영하여 모델의 정확도를 높였다. 본 연구에서는 이 밸브 모델을 이용해서 설계인자의 검증 및 작동성능을 분석하였다.
밸브 모델을 검증하기 위해 개폐 압력, 개폐 작동시간을 수학적 계산 결과와 비교하였고, 내부유동 해석 결과를 반영하여 모델의 정확도를 높였다. 본 연구에서는 이 밸브 모델을 이용해서 설계인자의 검증 및 작동성능을 분석하였다.
Table 2에서 다음의 결과를 AMESim 결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 따라서 벤트 밸브의 부품 파트의 동작특성을 나타낼 수 있도록 AMESim의 서브 설계 단위의 조합으로 모델을 구성하였고, 이를 이용하여 설계 변수에 따른 작동시간 및 밸브의 거동을 모사할 수 있다.
벤트 밸브의 작동시간을 계산하고 AMESim 결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 밸브 내부의 작동 과정을 미분방정식으로 나타내었다.
또한 파일롯 라인의 길이를 변화시켰을 때의 결과를 비교하여 Table 4에 나타내었다. 파일롯 라인의 길이가 5 m일 때(t_o⁽⁵⁾)와 15 m일 때(t_o⁽¹⁵⁾) 밸브가 열리는 작동시간을 비교하였다. 온도가 낮을 때는 수치 결과와 약간의 차이를 보이나 온도와 압력, 배관 길이에 대한 경향성은 일치함을 알 수 있다.
5~7 barA로 변화할 때 질유량이 선형적으로 증가하였다. 질유량 변화를 이용해서 AMESim 모델의 유량계수를 수정하였다. 입구 압력에 따른 질유량 변화를 유동 해석 결과와 AMESim 계산 결과를 비교하여 서로 잘 일치함을 알 수 있었다(Fig.
벤트/릴리프 밸브의 AMESim 모델을 이용해서 밸브의 작동 특성을 예측하였다. Fig.
힘평형방정식을 이용하여 밸브의 개폐 압력을 구하였고 이를 해석 모델과 비교하였다. 또한 내부유동 해석 결과를 반영하여 모델의 정확도를 높였다. 벤트 밸브가 개방될 때의 작동시간을 Runge-Kutta 방법을 이용한 수학적 계산 결과와 비교하여 AMESim 벤트 밸브 모델을 검증하였다.
또한 내부유동 해석 결과를 반영하여 모델의 정확도를 높였다. 벤트 밸브가 개방될 때의 작동시간을 Runge-Kutta 방법을 이용한 수학적 계산 결과와 비교하여 AMESim 벤트 밸브 모델을 검증하였다.
밸브의 설계변수인 파일롯 압력, 파일롯 라인 길이, 오리피스 직경, 벤트 밸브와 릴리프 밸브의 배관길이에 대해 동특성 해석을 수행하였다. 이를 통해 밸브 개폐작동시간, 개폐 속력, 지연시간, 얼리지 압력 변화 등을 예상하였다.
밸브의 설계변수인 파일롯 압력, 파일롯 라인 길이, 오리피스 직경, 벤트 밸브와 릴리프 밸브의 배관길이에 대해 동특성 해석을 수행하였다. 이를 통해 밸브 개폐작동시간, 개폐 속력, 지연시간, 얼리지 압력 변화 등을 예상하였다.

데이터처리

벤트/릴리프 밸브는 산화제 충전 및 비행과정에서 기화되는 기체를 배출함으로써 탱크 내에 과압을 해소하는 안전 밸브 역할을 한다. 벤트/릴리프 밸브의 제작에 앞서 설계 검증 및 기본적인 작동 특성을 분석하기 위해 AMESim 상용 코드를 이용하여 해석 모델을 수립하였다
힘평형방정식을 이용하여 밸브의 개폐 압력을 구하였고 이를 해석 모델과 비교하였다. 또한 내부유동 해석 결과를 반영하여 모델의 정확도를 높였다.

이론/모형

벤트/릴리프 밸브는 지상에서 산화제 탱크를 충전하는 동안 공압을 이용해서 밸브를 여닫는 벤트 모드와 비행 중에 정해진 릴리프 압력을 유지하기 위해 밸브를 자동으로 개폐하는 릴리프 모드로 작동한다. 벤트/릴리프 밸브의 설계검증을 위해 AMESim 상용코드를 이용하여 밸브 모델을 구성하였다. 밸브 모델을 검증하기 위해 개폐 압력, 개폐 작동시간을 수학적 계산 결과와 비교하였고, 내부유동 해석 결과를 반영하여 모델의 정확도를 높였다.
밸브의 작동시간을 결정하기위해 밸브 시스템의 미분방정식을 Runge-Kutta method를 이용하여 수치 적분하였다. 작동시간에 사용된 변수는 Fig.

성능/효과

Table 3은 파일롯 압력이 6~8 MPa이고, 온도가 73~373 K에서 파일롯 라인 전단에 오리피스의 있는 경우(t_o )와 없는 경우(t_o^or)에서 벤트 밸브의 작동시간을 나타내었다. AMESim 결과와 미분방정식 결과를 비교하였고 잘 일치하였다. 또한 파일롯 라인의 길이를 변화시켰을 때의 결과를 비교하여 Table 4에 나타내었다.
AMESim은 1차원 해석 모델 코드이므로 밸브의 3차원 형상을 고려하지 않는다. 따라서 내부유동 해석 결과(FLUENT)를 이용해 AMESim 모델의 수치계산 정확도를 높였다. 벤트 밸브 내부유동 해석을 위한 밸브 모델링 및 격자를 생성하였다(Fig.
질유량 변화를 이용해서 AMESim 모델의 유량계수를 수정하였다. 입구 압력에 따른 질유량 변화를 유동 해석 결과와 AMESim 계산 결과를 비교하여 서로 잘 일치함을 알 수 있었다(Fig. 10).

후속연구

본 연구 결과는 한국형발사체 추진 공급계 벤트/릴리프 밸브 선행연구[8]에 적용하여 개발과정의 효율성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주발사체에서 사용하는 벤트/릴리프 밸브에서 필요한 것은 무엇인가?	우주발사체에 사용되는 벤트/릴리프 밸브는 일반 산업용 밸브에 비해 극한의 환경조건에서 정확한 작동 및 제어가 필요하다. 따라서 개발 전에 설계인자를 검증하고 작동성능을 정확하게 파악하는 것이 필요하다.
	릴리프 모드란 무엇인가?	벤트/릴리프 밸브는 지상에서 산화제 탱크를 충전하는 동안 공압을 이용해서 밸브를 여닫는 벤트 모드와 비행 중에 정해진 릴리프 압력을 유지하기 위해 밸브를 자동으로 개폐하는 릴리프 모드로 작동한다. 벤트/릴리프 밸브의 설계검증을 위해 AMESim 상용코드를 이용하여 밸브 모델을 구성하였다.
	릴리프 모드에서 벤트 밸브와 릴리프밸브 사이의 배관이 길 때 발생하는 현상은 무엇인가?	13의 해석 모델을 구성하였다. 벤트 밸브와 릴리프 밸브사이의 배관길이가 길어지면 두 밸브가 닫힐 때 지연시간이 발생한다. 이로 인해 산화제 탱크의 얼리지 압력이 지정한 릴리프 압력보다 더 낮게 유지된다(Fig.

참고문헌 (8)

garlata, P. K. and Winters, B. A., "X-34 Propulsion System Design," 33rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Seattle, WA, AIAA-1997-3304, July 6-9, 1997
Brown, T. M., McDonald, J. P., Hedayat, A., Knight, K. C., and Champion, R. H., Jr., "Propellant Management and Conditioning within the X-34 Main Propulsion System," 34th AIAA/ASME /SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Cleveland, OH, AIAA-1998-3518, July, 1998
Norquist, L., "External Tank for the Space Shuttle Main Propulsion System," 12th American Institute of Aeronautics and Astronautics and Society of Automotive Engineers, Propulsion Conference, Palo Alto, CA, AIAA-1976-595, July, 1976
Norquist, L., "External Tank for the Space Shuttle Main Propulsion System," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 14, No. 6, 1977, pp.358-364

상세보기
"AMESim 4.2 User Manual," Version 4.3, IMAGINE S.A., 1995-2005
장제선, 이경원, "산화제벤트릴리프밸브의 설계검토 및 작동특성분석," KARI-PCT-TM-2010-014, 2010, pp.1-31
장제선, 이경원, 조인현, "산화제 벤트릴리프 밸브와 충전배출밸브 내부유동해석," KARI-PCT-TM-2010-012, 2010, pp.1-17
한국형발사체(KSLV-II) 개발사업(Ι) 보고서, 제4권, 한국항공우주연구원, 2011

저자의 다른 논문 :

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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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