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문제 정의
- 암 플랜지가 A-286이고 수 플랜지, 볼트, 와셔가 INCONEL 718인 경우에 열팽창 계수가 A-286이 더 커서 극저온에서 체결력 저하로 기밀 성능 저하가 예상된다. 따라서 극저온에서 열수축에 따른 체결력 저하를 보상할 만큼 체결력을 높여 증가시키는 방안을 생각해 볼 수 있다.
- 본 논문에서는 엔진 공급계 극저온 산화제 주배관과 개폐밸브, 터보펌프와의 연결에 사용할 목적으로 결합 부품 간 최대 2.5°의 축 중심 오차가 있어도 조립과 기밀이 가능한 구형 플랜지(Spherical Flange)를 설계하고 시제품을 제작하여 성능을 검증하였다.
제안 방법
- 1차 성능시험은 SUS 316L 실을 사용하여 플랜지간 중심축이 일치하게 조립하여 수행하였다.
- 구조해석을 토대로 시제품을 제작하여 성능시험을 통해 설계를 검증하였다. 메탈 실은 SUS 316L과 SUS 321로 제작하였다.
- 구형 플랜지는 액체산소를 작동유체로 하여 최대 예상 작동 압력(MEOP) 10 ㎫, 배관내경 96 ㎜, 최대 2.5°의 허용 체결 각도 등의 설계요구 조건을 토대로 설계되었다.
- 구형 플랜지는 최대 작동 압력에서 플랜지 체결에 필요한 체결력으로부터 1개 볼트에 필요한 체결력과 체결 토오크를 계산하여 설계 하였으며 최대 예상 작동 압력과 작동 온도, 파괴압력 조건에서 유한 요소 해석을 수행하였다. 구형 플랜지 체결력은 Eq.
- 2에서 볼 수 있듯이 플랜지와 5곳에서 접촉하여 기밀을 유지할 수 있도록 되어 있다. 구형 플랜지는 축 정렬 불일치 상태에서 조립되더라도 기밀을 유지할 수 있도록 구형(Spherical)의 볼트와 와셔를 사용하여 결속력의 평형을 유지할 수 있도록 하였다. 설계된 구형 플랜지는 결합부품 간 축 정렬이 불일 치한 상태에서도 플랜지 결합이 가능하도록 설계되어 있어 엔진 공급계 결합 자유도를 증가시켜 벨로우즈를 대체할 수 있다.
- 구형의 볼트와 와셔에는 황화몰리브덴 코팅을 하여 마찰력 감소를 통해 체결과 분리가 용이하도록 하였다.
- 20분간의 상온 기밀시험 결과 압력이 유지됨을 확인할 수 있었으며 버블도 관찰되지 않아 기밀성능을 만족함을 확인하였다. 극저온 기밀시험은 플랜지를 액화질소에 담근 후 플랜지 내부를 헬륨으로 가압하여 내부 압력이 안정화되면 가압을 중지하고 압력 강하량을 측정하는 방식으로 수행하였다. 내부 압력이 안정화 된 후 20분간 압력 강하량을 측정한 결과 압력이 일정히 유지되어 극저온에서도 기밀성능이 유지됨을 확인 할 수 있었으며 이러한 시험방법이 유효함을 확인 할 수 있었다.
- 고려된 비선형성은 재질 비선형성인 소성과 볼트와 와셔 사이의 접촉 비선 형이 있다. 설계된 플랜지에 대하여 최대 예상 운영 압력(MEOP) 조건과 파단압력(Burst Pressure) 조건에서 안전계수를 계산하였다. 최대 예상 운영 압력 조건에서는 극저온 항복 및 인장 강도 기준으로, MEOP의 두 배의 압력인 파단 조건에서는 상온 기준으로 안전계수를 구하였다.
- 액체 로켓 엔진에서 극저온 산화제 고압 배관과 개폐밸브, 터보펌프와의 연결에 사용할 목적으로 구형 플랜지를 설계, 제작하여 기밀시험과 강도시험을 통해 성능을 검증하였다. 개발된 구형 플랜지는 결합 부품 간 중심축이 최대 2.
- 제작된 구형 플랜지의 성능평가를 위해 상온 기밀시험, 극저온 기밀시험, 상온 내압시험(Proof Test), 상온 파괴강도시험(Burst Test)이 수행되었다. 각각의 시험조건과 사용유체를 Table 1에 정리하였다.
- 설계된 플랜지에 대하여 최대 예상 운영 압력(MEOP) 조건과 파단압력(Burst Pressure) 조건에서 안전계수를 계산하였다. 최대 예상 운영 압력 조건에서는 극저온 항복 및 인장 강도 기준으로, MEOP의 두 배의 압력인 파단 조건에서는 상온 기준으로 안전계수를 구하였다. 구조 해석 결과 운용 조건에서 항복이 발생하지 않았으며 INCONEL 718의 극저온 항복 강도에 대하여 1.
- 플랜지는 분리 및 체결을 통한 재사용 시에도 기밀을 유지할 수 있어야 하기 때문에 1개의 플랜지를 사용하여 모든 시험을 수행하여 기밀성능 변화여부를 검증할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 구형 플랜지는 암 플랜지의 구형 안내면을 따라 구형 돌출부를 갖는 수 플랜지가 중심축의 반경 방향으로 회전이 가능하여 결합 부품 간 중심축이 불일치하더라도 조립이 가능한 구조로 되어 있다. 극저온 산화제인 액체산소에 대하여 기밀을 유지할 수 있도록 금속 소재의 실을 사용하였다. 금속 실은 Fig.
- 구조해석을 토대로 시제품을 제작하여 성능시험을 통해 설계를 검증하였다. 메탈 실은 SUS 316L과 SUS 321로 제작하였다.
- 따라서 수 플랜지는 배관소재, 암 플랜지는 연소기 산화제 개폐밸브와 터보 펌프 산화제 출구 소재와의 용접성을 고려하여 소재를 선택하여야 한다. 수 플랜지의 소재는 배관 소재로 고려중인 INCONEL 718을 선정하였으며 암 플랜지는 연소기 산화제 개폐밸브와 터보펌프 산화제 출구 소재로 고려중인 A-286을 선정하여 용접에 문제가 없도록 하였다.
- 극저온 환경에서 기밀을 유지하기 위해 결합 부품간의 선형 변형률의 차이가 30%를 초과하지 않는 것이 유리하다. 엔진공급계 극저온 산화제용 실로 추천되는 SUS 316L과 SUS 321을 선정 하였다[3, 4]. 체결용 볼트와 와셔는 수 플랜지 소재와 동일한 INCONEL 718을 선정하였다.
- 엔진공급계 극저온 산화제용 실로 추천되는 SUS 316L과 SUS 321을 선정 하였다[3, 4]. 체결용 볼트와 와셔는 수 플랜지 소재와 동일한 INCONEL 718을 선정하였다.
데이터처리
- 유한 요소 구조 해석은 상용 프로그램인 Abaqus v6.9를 사용하였고 3차원 2차 솔리드 요소가 사용되었다. 해석 모델은 대칭성을 고려하여 1/24 모델이 사용되었으며 내압과 내압에 의한 분리력 하중, 볼트 체결력, 온도에 따른 물성 변화가 고려되었다.
성능/효과
- 1차 시험에서 사용된 SUS 316L 실을 SUS 321로 교체하여 2차 시험을 수행하였으며 시험 결과 모두 개발규격을 만족함을 확인하였다.
- 20분간의 상온 기밀시험 결과 압력이 유지됨을 확인할 수 있었으며 버블도 관찰되지 않아 기밀성능을 만족함을 확인하였다. 극저온 기밀시험은 플랜지를 액화질소에 담근 후 플랜지 내부를 헬륨으로 가압하여 내부 압력이 안정화되면 가압을 중지하고 압력 강하량을 측정하는 방식으로 수행하였다.
- 3차 시험은 SUS 321실을 사용하여 Fig. 8과 같이 최대 허용 조립각으로 구형 플랜지를 조립 한 후 1, 2차 시험과 동일한 시험을 수행하였으며 모두 개발규격을 만족함을 확인할 수 있었다.
- 액체 로켓 엔진에서 극저온 산화제 고압 배관과 개폐밸브, 터보펌프와의 연결에 사용할 목적으로 구형 플랜지를 설계, 제작하여 기밀시험과 강도시험을 통해 성능을 검증하였다. 개발된 구형 플랜지는 결합 부품 간 중심축이 최대 2.5° 불일치하더라도 플랜지 조립이 가능하며 기밀을 유지할 수 있다. 구형 플랜지는 엔진 조립 자유도를 증가시켜 엔진 제작 및 조립 시 발생하는 오차를 보상해주는 기능을 하는 호스나 벨로우즈 같은 유연배관을 대체할 수 있다.
- 최대 예상 운영 압력 조건에서는 극저온 항복 및 인장 강도 기준으로, MEOP의 두 배의 압력인 파단 조건에서는 상온 기준으로 안전계수를 구하였다. 구조 해석 결과 운용 조건에서 항복이 발생하지 않았으며 INCONEL 718의 극저온 항복 강도에 대하여 1.34의 안전계수를, A-286에 극저온 항복 강도에 대하여 1.48의 안전계수를 가진다. A-286의 1.
- 극저온 기밀시험은 플랜지를 액화질소에 담근 후 플랜지 내부를 헬륨으로 가압하여 내부 압력이 안정화되면 가압을 중지하고 압력 강하량을 측정하는 방식으로 수행하였다. 내부 압력이 안정화 된 후 20분간 압력 강하량을 측정한 결과 압력이 일정히 유지되어 극저온에서도 기밀성능이 유지됨을 확인 할 수 있었으며 이러한 시험방법이 유효함을 확인 할 수 있었다. 상온 기밀시험과 극저온 기밀시험 후 수행된 상온 강도시험과 상온 파괴 강도시험에서 모두 개발규격을 만족시켰다.
- 시험 전 후 볼트 길이변화가 없는 것으로 보아 볼트의 항복이 발생하지 않은 것으로 판단된다. 상온 내압시험 결과 압력이 유지되고 가압유체인 물이 외부로 새어나오지 않음을 확인하였다. 상온 기밀시험 시 압력 강하량 측정뿐 아니라 가압가스인 헬륨의 누설량을 정량적으로 계측하기 위해 Fig.
- 시험 종료 후 Fig. 9와 같이 구형 플랜지를 분리하여 미리 준비한 게이지 확인한 결과 브리넬 링이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 구형 플랜지는 엔진 조립 자유도를 증가시켜 엔진 제작 및 조립 시 발생하는 오차를 보상해주는 기능을 하는 호스나 벨로우즈 같은 유연배관을 대체할 수 있다. 개발된 구형 플랜지는 엔진 개발단계인 지상시험용 로켓 엔진에 유용하게 사용될 수 있다.
- 제작된 구형 플랜지의 경우 일반 플랜지와 달리 대응하는 암, 수 플랜지간 체결 중심축이 설계상의 최대 체결 한계각 내에서 임의의 각도로 조립 될 수 있다. 따라서 대응하는 플랜지 간 중심축을 일치하게 하여 조립한 경우 뿐 아니라 최대 체결 한계각으로 조립하여 기밀성능 변화 여부를 검증하여야 한다.
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