[논문]75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 조립체의 상사매질 성능시험

홍순삼; 김진선; 김대진; 김진한

75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 조립체의 상사매질 성능시험
Performance Test of Turbopump Assembly for 75 Ton Liquid Rocket Engine Using Model Fluid 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.2 = no.63, 2011년, pp.56 - 61

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

초록
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추력 75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 조립체 실물형에 대하여 정격 회전수에서 성능시험이 수행되었다. 실매질 대신 상사매질을 사용하였는데 산화제펌프에는 액체질소, 연료펌프에는 물, 터빈에는 고온 공기가 공급되었다. 시험 중 터보펌프는 안정적으로 운전되었으며 성능 요구조건을 만족시켰다. 운전 초기의 회전수 상승구간에서도 펌프의 양정계수와 유량계수는 일정하게 유지되었다. 터보펌프 단품 성능시험과 조립체 성능시험 결과를 비교할 때 펌프 양정계수와 터빈 효율이 두 종류의 성능시험에서 비교적 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Performance test of a full-scale turbopump assembly for a 75 ton class liquid rocket engine was carried out at full speed. Model fluid was used as a working medium: liquid nitrogen for the oxidizer pump, water for the fuel pump, and hot air for the turbine. The turbopump was operated stably, satisfying the performance requirements. Head coefficient and flow coefficient of the pumps remained constant at the speed-increasing period. In terms of performance characteristics of pumps and turbine, the results from the turbopump assembly test showed a good agreement with those from the turbopump component tests.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

터보펌프 조립체 시험에서는 산화제펌프-연료펌프-터빈 조립체의 동력균형이 점검되며, 또한 실(seal) 및 베어링의 작동 및 터보펌프의 진동특성이 점검된다. 본 연구에서는 개발 중인 추력 75톤급 터보펌프 조립체에 대하여 수행된 상사 매질 성능시험에 대하여 고찰한다.

제안 방법

터빈을 구동하는 고온/고압의 가스는 공기가 열기에서 고압공기에 에탄올을 연소시켜 생성된다. 30톤급 터보펌프 시험의 경우에는 공기가열기 1대를 사용하였으나 75톤 터보펌프 시험에서는 동일 규격의 공기가열기 1대를 추가하여 총 2대를 병렬로 연결하여 사용하였고, 각각의 공기가열기에 공급되는 공기 유량도 30톤급 시험에 비하여 증가시켰다. 본 시험의 경우 정속 회전수 구간에서 터빈에 공급되는 가스의 유량은 약 12kg/s이다.
개발 중인 추력 75톤급 실물형 터보펌프에 대하여 산화제펌프에는 액체질소, 연료펌프에는 물, 터빈에는 고온 공기를 사용한 상사매질 시험이 정격회전수에서 수행되었다.
시험 중 터보펌프가 안정적으로 작동되었으며, 터보펌프 안정성에서 중요한 진동특성 및 실(seal)의 동작이 양호한 특성을 보였다. 그리고 시험 후 터보펌프를 분해하여 검사한 결과 모든 부품 상태가 양호하였는데, 검사는 부품에 따라서 육안검사, 치수검사, 형광침투검사 등이 이루어졌다. 이후 제시되는 성능시험 결과에서는 먼저 시간에 따른 성능 파라미터의 변화를 다룬 후 터보펌프 단품 성능시험과 조립체 성능시험의 비교를 다룬다.
그리고 시험 후 터보펌프를 분해하여 검사한 결과 모든 부품 상태가 양호하였는데, 검사는 부품에 따라서 육안검사, 치수검사, 형광침투검사 등이 이루어졌다. 이후 제시되는 성능시험 결과에서는 먼저 시간에 따른 성능 파라미터의 변화를 다룬 후 터보펌프 단품 성능시험과 조립체 성능시험의 비교를 다룬다.
제작된 터보펌프에 대한 상사매질 성능시험은 먼저 각 구성품에 대하여 수행된 후 조립체를 대상으로 이루어졌는데, 이 시험들은 항우연내의 시험설비를 이용하여 수행되었다. 이 시험설비는 30톤급 터보펌프 성능시험에[3, 4] 사용된 것으로서 75톤급 터보펌프를 시험하기에는 설비 용량이 부족하여 연속시험시간, 시험회전수 등이 제한된다.
터빈 가스 유량은 공기가열기 전방에서 임계유동 벤투리 노즐로 측정된 공기 유량과 터빈식 유량계로 측정된 에탄올 유량을 합하여 계산한다. 터빈 출구 배관에는 오리피스를 설치하여 운전 중 원하는 터빈 압력비를 얻을 수 있도록 하였다.
두 펌프 모두 펌프 양정을 얻기 위하여 펌프의 입구와 출구 배관에서 압력과 온도가 측정되고 펌프 유량은 입구 배관에 설치된 터빈식 유량계로 측정한다. 펌프 출구 배관에 오리피스를 설치하여 운전 중 펌프 유량계수가 고정되도록 하였다. 원하는 유량계수가 얻어지도록 시행착오를 거쳐 오리피스 내경이 결정된다.

대상 데이터

30톤급 터보펌프 시험의 경우에는 공기가열기 1대를 사용하였으나 75톤 터보펌프 시험에서는 동일 규격의 공기가열기 1대를 추가하여 총 2대를 병렬로 연결하여 사용하였고, 각각의 공기가열기에 공급되는 공기 유량도 30톤급 시험에 비하여 증가시켰다. 본 시험의 경우 정속 회전수 구간에서 터빈에 공급되는 가스의 유량은 약 12kg/s이다. 터빈의 입구와 출구배관에서 온도와 압력이 측정된다.
본 연구에는 시험의 안전성을 고려하여 터보 펌프 조립체 시험에 실제 매질 (산화제펌프에 액체산소, 연료펌프에 케로신, 터빈에 고온의 가스 발생기 가스) 대신 상사매질 (산화제펌프에 액체 질소, 연료펌프에 물, 터빈에 고온 공기)을 사용하였다. 30톤급 터보펌프 조립체 시험의 경우에도 상사매질로서 액체질소-물-고온공기[7]가 이용되었다.

성능/효과

시간에 따라 회전수, 펌프 유량, 펌프 양정이 증가하지만 이를 무차원화한 펌프의 양정계수와 유량계수는 일정한 값을 보였다. 그리고 터보펌프 단품 성능시험과 조립체 성능시험 결과를 비교할 때 펌프 양정계수와 터빈 효율이 두 종류의 성능시험에서 비교적 잘 일치하였다.
시간에 따라 회전수, 펌프 유량, 펌프 양정이 증가하지만 이를 무차원화한 펌프의 양정계수와 유량계수는 일정한 값을 보였다. 그리고 터보펌프 단품 성능시험과 조립체 성능시험 결과를 비교할 때 펌프 양정계수와 터빈 효율이 두 종류의 성능시험에서 비교적 잘 일치하였다.
시험 중 터보펌프가 안정적으로 작동되었으며, 터보펌프 안정성에서 중요한 진동특성 및 실(seal)의 동작이 양호한 특성을 보였다. 그리고 시험 후 터보펌프를 분해하여 검사한 결과 모든 부품 상태가 양호하였는데, 검사는 부품에 따라서 육안검사, 치수검사, 형광침투검사 등이 이루어졌다.
터보펌프는 약 16초 동안 정격의 70% 이상의 회전수에서 운전되었고 이 중 후반부 약 4초 동안은 정격의 98% 회전수에서 운전되었다. 시험중 터보펌프가 안정적으로 작동되었으며 시험 후 터보펌프를 분해하여 검사한 결과 모든 부품 상태가 양호하였다.
7에서 보는 바와 같이 그 값이 시간에 따라 일정한 분포를 보인다. 이로부터 본 시험에서 산화제펌프와 연료펌프의 양정과 유량의 경우 회전수 상사 법칙이 잘 만족됨을 알 수 있다. 본 시험에서는 펌프가 설계 유량계수에서 작동하도록 의도하였으나 시험 결과 산화제펌프와 연료 펌프 모두 설계값 대비 95% 수준에서 시험이 이루어졌고 따라서 다음 시험에는 펌프 출구 오리피스 내경을 증가시킬 예정이다.

후속연구

이로부터 본 시험에서 산화제펌프와 연료펌프의 양정과 유량의 경우 회전수 상사 법칙이 잘 만족됨을 알 수 있다. 본 시험에서는 펌프가 설계 유량계수에서 작동하도록 의도하였으나 시험 결과 산화제펌프와 연료 펌프 모두 설계값 대비 95% 수준에서 시험이 이루어졌고 따라서 다음 시험에는 펌프 출구 오리피스 내경을 증가시킬 예정이다.
시험 중 운전시간이 짧은 것은 설비 용량의 한계 때문이었으며 차후 이 설비를 증설하여 운전시간을 증가시킬 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체로켓엔진에서 터보펌프의 역할은 무엇인가?	터보펌프는 액체로켓엔진에서 추진제를 가압 하여 연소실로 공급하는 역할을 한다. 한국항공우주연구원(이하 항우연)에서는 액체산소와 케로신을 추진제로 하는 가스발생기 사이클의 추력 75톤급 액체로켓엔진에 적용 가능한 터보펌프를 개발하고 있으며 이는 30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발 경험[1, 2]을 바탕으로 하고 있다.
	터보펌프 조립체 시험에서 무엇이 점검 되는가?	터보펌프 조립체 시험에서는 산화제펌프-연료펌프-터빈 조립체의 동력균형이 점검되며, 또한실(seal) 및 베어링의 작동 및 터보펌프의 진동특성이 점검된다. 본 연구에서는 개발 중인 추력 75톤급 터보펌프 조립체에 대하여 수행된 상사 매질 성능시험에 대하여 고찰한다.

참고문헌 (8)

김진한, "국내 터보펌프 개발 현황," 한국추진공학회지, 제12권, 제5호, 2008, pp.73-78

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홍순삼, 김진선, 김대진, 김진한, "30톤급 엔진용 터보펌프 실매질 고온시험," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2009, pp.11-17
김진한, 홍순삼, 정은환, 최창호, 전성민, "30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발현황," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2005, pp.375-383
Kim, J., Hong, S. S., Jeong, E. H., Choi, C. H., Jeon, S. M., "Development of a Turbopump for a 30 Ton Class Engine," Proceedings of the 43rd AIAA/ASME/ SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Cincinnati, OH., AIAA 2007-5516, 2007
김대진, 홍순삼, 최창호, 노준구, 김진한, "75톤급 로켓엔진용 연료펌프의 수력성능시험," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2009, pp.78-81
이항기, 정은환, 김진한, "초음속 충동형 터빈의 성능에 대한 시험적 고찰," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2009, pp.561-565
홍순삼, 김진선, 김대진, 김진한, "터보펌프 조립체의 고온 성능시험," 유체기계 연구개발 발표회 논문집, 2008, pp.349-350
Balje, O. E., Turbomachines, John Wiley & Sons Inc., 1981

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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