[논문]액체로켓엔진 터보펌프용 펌프의 축추력 조절에 관한 연구

최창호; 노준구; 김대진; 김진한

doi:10.5293/kfma..2012.15.1.036

Abstract ▼ AI-Helper

The magnitude of the axial thrust acting on pump bearings has a great influence on the operational reliability and service life of a pump for turbopumps. In the present study, radial vanes are introduced to the pump casing to control the axial thrust by changing the cavity pressure between the impel...

The magnitude of the axial thrust acting on pump bearings has a great influence on the operational reliability and service life of a pump for turbopumps. In the present study, radial vanes are introduced to the pump casing to control the axial thrust by changing the cavity pressure between the impeller and the casing. To investigate the effect of the vanes on the axial thrust of the pump, experimental and computational studies were performed with and without the vanes. It is shown that the vanes reduce the cavity pressure by preventing the flow from rotating with the impeller. Experimental and computational results show similar trend for the axial thrust difference between two cases with and without the vanes. The results show that the cavity vanes are very effective in controlling the magnitude of the axial thrust.

주제어

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문제 정의

베인이 축추력에 미치는 영향을 정확하게 파악하기 위해서 유동장의 변화를 고찰하였다. 누설유량이 4%인 경우에 유동의 회전속도비와 압력비 분포를 Fig.
베인이 축추력에 미치는 영향을 파악하기 위해서 베인이 있는 경우와 없는 경우에 대해서 실험을 수행하였다. 또한 베인이 축추력에 영향을 미치는 원인을 정확하게 파악하기 위해서 유동해석도 수행하였다.
노준구 등⁽⁸⁾은 베인이 축추력에 미치는 영향을 수치해석적으로 연구한 바 있으며, 김대진 등⁽⁶⁾은 펌프의 축추력 측정시험을 수행한 바 있다. 본 연구에서는 베인이 축추력에 미치는 영향을 고찰하기 위해서 수치적 기법과 실험적 기법을 동시에 사용하였다.

제안 방법

1에서 베인이 설치되어있는 후방 누설유로(임펠러와 케이싱 사이의 캐버티)에 대해서만 유동해석을 수행하였다. 계산의 결과로 임펠러의 후면에 작용하는 압력을 계산하고, 이를 이용하여 임펠러 후면에 작용하는 축추력을 계산하였다. 베인이 있을 경우와 없을 경우를 계산하여 베인이 축추력에 미치는 영향 및 유동현상을 파악할 수 있었다.
베인이 축추력에 미치는 영향을 파악하기 위해서 베인이 있는 경우와 없는 경우에 대해서 실험을 수행하였다. 또한 베인이 축추력에 영향을 미치는 원인을 정확하게 파악하기 위해서 유동해석도 수행하였다. 베인의 유무에 따른 축추력의 차이를 계산값과 실험값을 비교해본 결과 두 결과가 잘 일치함을 확인하였으며, 베인을 사용할 경우 베인이 유동의 회전을 방해하고 캐버티에서 압력을 낮추어 주어 축추력을 +방향으로 변화시키는 것을 확인하였다.
베인이 축추력에 미치는 영향을 정확하게 분석하기 위해서 유동해석을 수행하였다. 본 연구에서는 이전의 연구⁽³⁾에서 실험결과와 비교를 통하여 충분히 검증된 Fine/Turbo⁽⁹⁾를 이용하여 계산을 수행하였다.
베인이 장착되어 있는 후방 베어링 고정용 너트의 형상과 너트가 케이싱에 장착되어있는 것을 볼 수 있다. 베인이 축추력에 미치는 영향을 정확하게 파악하기 위해서는 펌프의 다른 부위 형상을 동일하게 하고 베인이 있을 경우와 없을 경우에 대해서 축추력 실험을 수행해야 하지만, 실제 실험에서는 베인이 있는 경우와 없는 경우에 대해서 양정이 다소 차이가 있는 인듀서를 사용하여 수행되었다. 즉, 베인이 없는 경우에 사용된 인듀서의 양정이 베인이 있는 경우의 인듀서 보다 다소 낮았다.
본 연구에 사용된 펌프의 경우 이러한 오리피스가 장착되어 있다. 본 연구에서는 수동 축추력 조절방식에서 임펠러나 케이싱의 설계변경 없이 케이싱에 착탈이 가능한 반경방향 베인(vane)을 설치하여 축추력 조절을 쉽게 할 수 있는 기법⁽⁷⁾을 사용하였다. 노준구 등⁽⁸⁾은 베인이 축추력에 미치는 영향을 수치해석적으로 연구한 바 있으며, 김대진 등⁽⁶⁾은 펌프의 축추력 측정시험을 수행한 바 있다.
정확한 축추력 계산을 위해서는 인듀서, 임펠러 등 펌프 전체를 포함하는 계산을 수행해야 하지만, 계산시간을 절약하고 문제를 단순화하기 위해서 Fig. 1에서 베인이 설치되어있는 후방 누설유로(임펠러와 케이싱 사이의 캐버티)에 대해서만 유동해석을 수행하였다. 계산의 결과로 임펠러의 후면에 작용하는 압력을 계산하고, 이를 이용하여 임펠러 후면에 작용하는 축추력을 계산하였다.
축추력 측정장치는 기어박스와 펌프 사이에 위치한다. 축에 작용하는 축추력 측정⁽⁶⁾은 펌프내부에 축추력을 받지 않는 원통롤러베어링을 설치하고, 축추력이 축추력 측정장치에 설치된 로드셀에서 측정되도록 하였다. 터빈 유량계는 작동 유량의 측정에 쓰이며, 펌프 하류에 설치하였다.

대상 데이터

실험은 현재 한국항공우주연구원에서 개발중인 추력 75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프의 구성품인 산화제펌프에 대해서 수행되었다. 장착되어 있는 축추력 조절용 베인의 형상을 Fig.
한국항공우주연구원에 설치되어 있는 터보펌프 수류 성능시험설비⁽⁶⁾에서 축추력 시험이 수행되었다. 시험 장치는 펌프 수류 시험을 위해 폐회로 방식으로 구성되었으며, 주요 구성은 Fig.

이론/모형

본 연구에서는 이전의 연구⁽³⁾에서 실험결과와 비교를 통하여 충분히 검증된 Fine/Turbo⁽⁹⁾를 이용하여 계산을 수행하였다. Fine/Turbo는 공간차분법으로 가점성을 포함하는 중심차분법, 시간차분법으로 Runge- Kutta 시간전진법을 사용한다. 또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다.
Fine/Turbo는 공간차분법으로 가점성을 포함하는 중심차분법, 시간차분법으로 Runge- Kutta 시간전진법을 사용한다. 또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다. 수렴가속을 위해 다중격자법, 잔류항평균법 등을 사용한다.
본 연구에서는 계산시간을 줄이기 위해 확장된 표준 k-ε모델을 난류모델로 채택하였다.
베인이 축추력에 미치는 영향을 정확하게 분석하기 위해서 유동해석을 수행하였다. 본 연구에서는 이전의 연구⁽³⁾에서 실험결과와 비교를 통하여 충분히 검증된 Fine/Turbo⁽⁹⁾를 이용하여 계산을 수행하였다. Fine/Turbo는 공간차분법으로 가점성을 포함하는 중심차분법, 시간차분법으로 Runge- Kutta 시간전진법을 사용한다.
또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다. 수렴가속을 위해 다중격자법, 잔류항평균법 등을 사용한다. 본 연구에서는 계산시간을 줄이기 위해 확장된 표준 k-ε모델을 난류모델로 채택하였다.

성능/효과

베인의 유무에 따른 축추력의 차이를 계산값과 실험값을 비교해본 결과 두 결과가 잘 일치함을 확인하였으며, 베인을 사용할 경우 베인이 유동의 회전을 방해하고 캐버티에서 압력을 낮추어 주어 축추력을 +방향으로 변화시키는 것을 확인하였다. 따라서 베인을 사용하여 베어링에 작용하는 축추력을 적절하게 조절할 수 있음을 파악하였다.
베인이 있는 경우에 캐버티에서 저항이 감소하여 누설유량이 증가하므로 양정이 조금이라도 낮게 나와야 하지만, 앞에서 언급한 바와 같이 실험에 사용한 인듀서의 양정차이로 인하여 베인이 있는 경우에 양정이 높게 측정된 것으로 판단된다. 따라서 인듀서의 양정차이로 인한 펌프 양정의 차이를 고려하면 베인의 설치 유무가 펌프의 성능에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 판단되었다. Figure 9에서 양정계수는 다음과 같이 정의된다.
또한 베인이 축추력에 영향을 미치는 원인을 정확하게 파악하기 위해서 유동해석도 수행하였다. 베인의 유무에 따른 축추력의 차이를 계산값과 실험값을 비교해본 결과 두 결과가 잘 일치함을 확인하였으며, 베인을 사용할 경우 베인이 유동의 회전을 방해하고 캐버티에서 압력을 낮추어 주어 축추력을 +방향으로 변화시키는 것을 확인하였다. 따라서 베인을 사용하여 베어링에 작용하는 축추력을 적절하게 조절할 수 있음을 파악하였다.
계산의 결과로 임펠러의 후면에 작용하는 압력을 계산하고, 이를 이용하여 임펠러 후면에 작용하는 축추력을 계산하였다. 베인이 있을 경우와 없을 경우를 계산하여 베인이 축추력에 미치는 영향 및 유동현상을 파악할 수 있었다. 베인 있는 경우의 계산 경계조건을 Fig.
034이다. 전체펌프가 아닌 캐버티 만을 계산영역으로 유동해석을 수행하였고, 누설유량을 1D S/W를 사용하여 예측하였음을 감안하면 +0.040인 실험값을 비교적 잘 예측한다고 할 수 있다. 이는 계산이 실험을 적절하게 모사하고 있으며, 계산을 통하여 베어링의 축추력 설계요구조건을 만족시키는 베인의 형상을 선정할 수 있음을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체로켓의 액체연료와 산화제가 가압상태로 공급되는 가압방식은 무엇이 있는가?	이 때 액체연료와 산화제가 가압상태로 연소실에 공급되어야 하는데, 가압방식에는 크게 두 가지가 있다. 즉, 고압의 연료를 탱크에 직접 저장하는 가압식과 저압으로 탱크 내에 저장된 연료를 터보펌프로 가압시키는 터보펌프 방식이 있다. 가압식은 구조가 간단한 장점이 있지만, 고압을 유지하기 위하여 탱크의 무게가 증가하게 되고 결국 발사체가 무거워지는 단점이 있다.
	터보펌프의 안정적인 작동을 위해 무엇을 조절해야하는가?	특히, 터보펌프의 구성품 중에서도 흡입성능과 밀접한 관련이 있는 인듀서에 대해서 대부분의 연구가 집중되어 수행되고 있다. 그러나 펌프의 안정적인 작동을 위해서는 축추력 베어링(thrust bearing)에 작용하는 축추력을 적절하게 조절할 필요가 있다. 터보펌프용 펌프의 경우 고회전/고압력의 작동조건에서 작동하므로 회전체에 작용하는 압력이 매우 높고, 펌프 회전부 앞과 뒤의 형상차이로 인하여 압력이 불일치하므로 축추력이 존재하게 된다.
	액체연료와 산화제의 가압식 공급방식은 어떤 장단점이 있는가?	즉, 고압의 연료를 탱크에 직접 저장하는 가압식과 저압으로 탱크 내에 저장된 연료를 터보펌프로 가압시키는 터보펌프 방식이 있다. 가압식은 구조가 간단한 장점이 있지만, 고압을 유지하기 위하여 탱크의 무게가 증가하게 되고 결국 발사체가 무거워지는 단점이 있다. 반면, 터보펌프 방식은 고속으로 회전하는 터보펌프와 관련한 진동 및 캐비테이션 (cavitation) 제어 등의 고도의 기술을 필요로 하지만 공급탱크의 경량화가 가능하여 발사체를 가볍게 할 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (9)

Huzel, D. K. and Huang, D. H., 1992, "Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines," AIAA Press.
Hong, S. S., Kim, D. J., Kim, J. S., Choi, C. H., and Kim, J., 2005, "Effect of inducer on hydraulic performance of a turbopump," Proceedings of the 41st AIAA/ASME /SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Paper 2005-2289, July 2005.
Choi, C. H., Noh, J. G., Kim, J. S., Hong, S. S., and Kim, J. H., 2006, "Effects of a Bearing Strut on the Performance of a Turbopump Inducer," Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 6, pp. 1413-1417.

상세보기
Choi, C. H., Noh, J. G., Kim, D. J., Hong, S. S., and Kim, J. H., 2009, "Effects of Floating-Ring Seal Clearance on the Pump Performance for Turbopumps," Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, No. 1, pp. 191-195.

상세보기
Choi, C. H., Kim, J. S., and Kim, J., 2009, "Study on the Forward-Sweep Inducer for LRE Turbopumps," Acta Astronautica, Vol. 65, pp. 214-220.

상세보기
김대진, 홍순삼, 김진한, 2005, "로켓엔진용 연료펌프의 축 추력 측정," 제25회 한국추진공학회 추계학술발표대회.
Choi, C. H., and Kim, J., 2008, Centrifugal turbo machine with axial thrust control member. US patent No. US7354240B2.
노준구, 최창호, 김진한, 2006, "터보펌프 축추력 조절용 캐비티 베인에 대한 수치해석적 연구," 유체기계저널, 제9 권, 제2호, pp. 39-43.

원문보기 상세보기
Fine/Turbo 8.7-2 Manual, 2009, Numeca Inc.

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