[논문]75톤급 액체로켓엔진용 산화제펌프의 수류시험

김대진; 홍순삼; 최창호; 김진한

75톤급 액체로켓엔진용 산화제펌프의 수류시험
Water Tests of Lox Pump for 75-ton Class Liquid Rocket Engine 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.10 no.1, 2011년, pp.122 - 128

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

초록
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액체로켓엔진용 산화제펌프의 수류시험을 상온에서 실시하였다. 수력성능시험 결과, 펌프의 양정 계수는 회전수가 커질수록 약간 감소하였고, 효율은 회전수가 커질수록 증가하였다. 흡입성능시험 결과, 유량비 92% 이하의 낮은 유량비에서 흡입성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 또한, 시험 중 측정한 고주파 신호를 이용하여 펌프의 진동 특성을 분석하였다.

A series of water tests of a Lox pump for liquid rocket engines are performed at a room temperature. According to the hydraulic test results, the head coefficient is slightly decreased when the rotational speed of the pump is increased. However the efficiency is high at the high-speed test. Also, according to the cavitation test results, the cavitation performance of the pump is found to be decreased when the flow ratio is less than 92%. Furthermore, the vibration characteristic is analyzed using measured high frequency data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

개발 중인 터보펌프는 액체산소와 케로신을 매질로 하는 75톤급 개방형(open-loop cycle) 액체로켓엔진에 적용 가능한 모델로 단단 원심형 펌프인 산화제펌프, 연료펌프와 이를 구동하기 위한 단단 충동형 터빈으로 구성된 일축식 모델이다. 여기서는 제작된 산화제펌프에 대한 수류 시험(수력성능시험, 흡입성능시험)에서 얻은 결과를 토대로 정상 상태에서의 펌프 성능을 파악하고 펌프의 입구압력(캐비테이션 수)에 따른 성능 변화를 측정하여 설계의 적합성을 확인하도록 하겠다.

제안 방법

test)은 일정한 회전수에서 유량비(flow ratio; 설계유량계수에 대한 측정유량계수의 비율)에 따른 펌프의 성능을 파악하는 시험과 설계유량비에서 회전수에 따른 펌프 성능의 변화를 측정하는 시험으로 나누어 진행하였다. 그리고 흡입성능시험(Cavi. test)을 통해서는 유량비에 따른 펌프의 임계 캐비테이션 수를 계산하고 흡입성능곡선을 도출하였다. 두 시험의 시험 조건은 표 2에 정리하였다.
수력성능시험(Hyd. test)은 일정한 회전수에서 유량비(flow ratio; 설계유량계수에 대한 측정유량계수의 비율)에 따른 펌프의 성능을 파악하는 시험과 설계유량비에서 회전수에 따른 펌프 성능의 변화를 측정하는 시험으로 나누어 진행하였다. 그리고 흡입성능시험(Cavi.
산화제펌프의 수류시험은 한국항공우주연구원에 있는 터보펌프 성능시험설비[2] 안에 있는 펌프 단품 시험실에서 실시되었다. 펌프 시험실은 모터와 기어박스를 동력으로 사용하여 상온의 물을 폐회로로 순환시키며 펌프의 성능을 계측하는 설비로 75톤급 펌프 규격에 맞추어 기존 설비를 확장하였다. 단품 시험실에서 산화제펌프 시험은 5500rpm까지 가능하다.

대상 데이터

산화제펌프의 수류시험은 한국항공우주연구원에 있는 터보펌프 성능시험설비[2] 안에 있는 펌프 단품 시험실에서 실시되었다. 펌프 시험실은 모터와 기어박스를 동력으로 사용하여 상온의 물을 폐회로로 순환시키며 펌프의 성능을 계측하는 설비로 75톤급 펌프 규격에 맞추어 기존 설비를 확장하였다.

성능/효과

시험 T1을 보면 유량비가 작아질수록 양정계수가 완만하게 커지고 있어 원심펌프의 일반적인 경향과 일치한다. 시험 T2 결과, 회전수가 커질수록 양정계수가 감소하였는데, 따라서 산화제펌프의 양정은 연료펌프와 달리[3] 회전수 상사 법칙이 온전히 성립하지는 않는다고 할 수 있다.
04까지는 거의 변화하지 않다가, 이 이후부터 감소하기 시작한다. 시험 중 양정은 14% 감소하였고, 유량과 효율은 각각 7%와 9% 감소하였다.
표 중 1D+3D 해석은 임펠러/인듀서에 한해 3D 해석을 한 결과이다. 제작된 산화제펌프는 설계 조건을 만족하였으며, 1D 해석 이나 1D+3D 해석 결과가 3D 해석 결과보다 시험 값과 비슷하였다.

후속연구

• 저회전수에서의 효율 감소는 익히 알려진 기계적 손실 이외의 요인이 있는 것으로 판단되며, 효율 측정 등에 대한 추가적인 검토가 필요하다.
그러나 예상되는 기계적 손실[4]에 비해 측정된 효율의 차이가 크다. 따라서 효율 측정에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 보인다. 또한 시험 T1의 시험 결과를 미루어 짐작할 때, 펌프의 효율이 가장 높은 지점(BEP)은 유량비 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보펌프의 특징은?	액체로켓엔진에 고압의 산화제와 연료를 공급하는 터보펌프는 그 중요성과 함께 고압으로 연료와 산화제를 공급해주는 그 기능상 '발사체의 심장'이라 불린다. 터보펌프는 저온의 산화제와 고온의 터빈구동가스가 공존하며, 엔진에서 가장 높은 압력으로 작동되는 반면 고속으로 회전하는 회전체를 갖고 있고, 추진제 탱크의 압력을 최소화하기 위해 펌프가 캐비테이션 환경에 노출되는 등 기술적 난제가 많은 발사체 부품 중 하나이다[1]. 국내에서는 이러한 터보펌프의 개발이 1999년부터 본격적으로 시작되었는데, 현재는 한국항공우주연구원에서는 한국형 발사체 사업을 위한 75톤급 엔진용 터보펌프를 개발하고 있다.
	펌프 단품 시험은 무엇으로 구성되는가?	펌프 단품 시험은 수력성능시험, 흡입성능시험, 축추력시험으로 나뉜다. 수력성능시험에서는 정상 상태(캐비테이션이 없는 상태)에서의 펌프의 양정, 효율을 측정하여 펌프의 성능곡선을 파악한다.
	액체로켓엔진용 산화제펌프의 수류시험을 상온에서 수력성능시험을 실시한 결과는?	액체로켓엔진용 산화제펌프의 수류시험을 상온에서 실시하였다. 수력성능시험 결과, 펌프의 양정 계수는 회전수가 커질수록 약간 감소하였고, 효율은 회전수가 커질수록 증가하였다. 흡입성능시험 결과, 유량비 92% 이하의 낮은 유량비에서 흡입성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 또한, 시험 중 측정한 고주파 신호를 이용하여 펌프의 진동 특성을 분석하였다.

참고문헌 (6)

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

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홍순삼, 임현, 김대진, 차봉준, 강정식, 임병준, 김진한, "터보펌프 성능시험 및 평가", 유체기계저널, 제7권, 제3호, 2004, pp.84-87

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김대진, 최창호, 홍순삼, 곽현덕, 김진한, "75톤급 액체로켓엔진용 연료펌프의 수류시험", 유체기계저널 제14권, 제1호, 2011, pp.61-65

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전성민, 곽현덕, 김진한, "터보펌프 볼 베어링의 마찰 토크 평가", 한국윤활학회 제50회 춘계학술대회 논문집, 2010, pp.67-68
김대진, 홍순삼, 김진선, 김진한, "실매질 시험용 터보펌프의 단품 수류시험", 항공우주기술 제8권, 제1호, 2009, pp.26-31

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Shimura, T., Yoshida, M., Kamijo, K., Uchiumi, M., Yasutomi, Y., "A Rotating Stall Type Phenomenon Caused by Cavitation in LE-7A LH2 Turbopump", JSME International Journal Series B, Vol. 45, No. 1, 2002, pp.41-46

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