[논문]75톤 연소기용 연료개폐밸브의 특성에 대한 고찰

이중엽; 이수용

75톤 연소기용 연료개폐밸브의 특성에 대한 고찰
A study on the characteristic of fuel shutoff valve for 75 $ton_f$ combustion chamber 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.11 no.1, 2012년, pp.84 - 90

이중엽 (한국항공우주연구원 발사체미래기술팀) , 이수용 (한국항공우주연구원 발사체미래기술팀)

초록
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연소기용 연료개폐밸브는 파일롯 공압으로 포핏을 열고 스프링 힘에 의해 닫음으로써 로켓엔진의 연료 유량을 제어한다. 현재 개발 중인 연소기 연료개폐밸브는 액추에이터에서 압력이 제거되더라도 유로부에 해당 압력이 존재한다면 스스로 열림을 유지하는 방식으로 설계되어 있다. 밸브의 성능을 평가하기 위해 밸브가 열리고 닫히는 특성에 따라 힘 평형 상태를 분석할 필요가 있다. 이를 위하여 밸브의 포핏이 열리기 위한 파일롯 압력과 닫히기 위한 유로부 압력을 힘 평형에 의해 조절되도록 설계하였다. 또한, 상용 소프트웨어인 Fluent CFD 해석을 통해 밸브의 고유유량계수를 구해보았다. 예측과 해석을 통해 획득된 결과들은 실험 결과와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fuel shutoff valve of a combustion chamber controls propellant mass flowrate of a rocket engine, by using pilot pressure and spring force. The developing fuel shutoff valve can be self sustained even though pilot pressure is removed in an actuator. Therefore, it is necessary to analyze the characteristics of the forces with respect to the opening and closing of the valve in order to evaluate its performance. In light of this, the valve has been designed to adjust the control pressure for the opening of the poppet and to determine the working fluid pressure at which the valve starts to close. This paper also has been predicted flow coefficient of the valve by Fluent(ver. 12.0) CFD analysis. Various results from the prediction and the analysis have been compared with experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CFV의 정적 상태에 대한 힘 평형 식을 정리해보았으며 70 bar 파일롯 압력을 입력 시 밸브가 최초로 열리기 시점과 완전히 열림 상태에서의 당시의 압력을 예측해 보았다. 스스로 열림을 유지하다가 유로부 전단압력 변화에 따라 닫힘 당시의 압력도 계산했다.
실제 CFV에 대한 실험은 전단압력을 달리하여 여러 조건에서 수행했으나 모두 난류임을 감안하여 전단압력이 약 48 bar가 유지되는 영역에서만 유량 계수 실험결과를 본 논문에 제시하였다. 실험은 과도 구간에서의 각 계측기의 측정지연 시간을 확보하기 위해 샘플링은 1 kHz로 수행했다.

제안 방법

CFV의 고유유량계수 예측값이 CFD 해석 결과 약 200 이며, 그 만큼 밸브에 작용하는 차압은 매우 작을 것으로 판단된다. 따라서 일반적으로 사용되는 정압 센서 (Static pressure transducer) 외에 차압센서 (Differential pressure transducer, dP gage)를 적용하여 서로 그 값을 비교 하였다. 실험에서도 CFD 해석과 일치하도록 배관에 5xd 부근에 밸브 전단과 후단의 압력을 계측할 수 있도록 했다[4].
스스로 열림을 유지하다가 유로부 전단압력 변화에 따라 닫힘 당시의 압력도 계산했다. 또한 Fluent 를 CFD 해석을 통해 CFV가 정격 유량 대비 작용하는 차압을 예측하였고, 실제 실험을 통해 요구도 및 예측값에 대한 그 차이를 확인했다.
계산할 수 있었다. 또한 요구도 대비 해석결과의 검증을 위한 유량계수 실험을 수행 했다. 차압센서를 이용한 밸브에 작용하는 차압은 정압센서를 통해 측정한 다음 후처리한 차압 대비 평균 약 5 %로 작았다.
스스로 열림을 유지하다가 유로부 전단압력 변화에 따라 닫힘 당시의 압력도 계산했다. 또한 Fluent 를 CFD 해석을 통해 CFV가 정격 유량 대비 작용하는 차압을 예측하였고, 실제 실험을 통해 요구도 및 예측값에 대한 그 차이를 확인했다.
실험은 과도 구간에서의 각 계측기의 측정지연 시간을 확보하기 위해 샘플링은 1 kHz로 수행했다. CFV의 유량계수를 측정하기 위해 41 Z /s (3 inch) 까지 측정 가능한 유량계를 사용했다.
정적상태의 힘 평형 관계식을 통해 스프링 설계를 수행했다. 최초로 포핏이 움직일 때의 파일롯 정압력과 포핏이 완전 열린 시점에서 파일롯 압력, 파일롯의 압력을 제거 후 스스로 열림을 유지하기 위한 밸브의 유로압력, 밸브가 완전 닫힘 상태로 유지되는 당시의 압력을 구해 보았다.
수행했다. 최초로 포핏이 움직일 때의 파일롯 정압력과 포핏이 완전 열린 시점에서 파일롯 압력, 파일롯의 압력을 제거 후 스스로 열림을 유지하기 위한 밸브의 유로압력, 밸브가 완전 닫힘 상태로 유지되는 당시의 압력을 구해 보았다. 밸브의 초기 입력조건을 이용하여 고유 유량계수를 예측할 수 있었다.
유동해석 결과를 통해 고유유량계수의 %를 결정하고 해석을 위한 실험조건과 근사되도록 배관 길이 및 센서의 위치를 그림 3과 같이 선정했다. 해석 시 CFV 전단과후단의 초기 압력 경계조건은 요구도에 의한 압력차와 정격 유량치를 참고했다. 해석과 실험에서 전단 및 후단압력 계측 부는 CFV 기준으로 배관 내경 대비 5xd 전과 후에 위치토록 했다.

데이터처리

CFV 형상에서 발생되는 차압은 그림 2와 같으며, 그 값을 예측하기 위해 상용 프로그램인 Fluent 12를 이용했다. 유동해석 결과를 통해 고유유량계수의 %를 결정하고 해석을 위한 실험조건과 근사되도록 배관 길이 및 센서의 위치를 그림 3과 같이 선정했다.

성능/효과

CFD 해석 결과 입구 압력이 101 bar이고, 유량은 71 kg/s로 할 경우 CFV의 출구측 5xd 위치에서의 압력은 98.2 bar가 발생됨을 알 수 있고 당시의 유량과 차압을 이용하여 고유유량계수로 환산하면 약 200이 계산됨(식 18)을 알 수 있다. 이것은 엔진 개발을 위한 시스템 요구도인 178보다 약 11% 큰 값이므로 차압에 대한 여유가 충분하다[1, 4].
CFV의 유량계수를 측정하기 위해 41 Z /s (3 inch) 까지 측정 가능한 유량계를 사용했다. CFV의 고유유량계수 예측값이 CFD 해석 결과 약 200 이며, 그 만큼 밸브에 작용하는 차압은 매우 작을 것으로 판단된다. 따라서 일반적으로 사용되는 정압 센서 (Static pressure transducer) 외에 차압센서 (Differential pressure transducer, dP gage)를 적용하여 서로 그 값을 비교 하였다.
정압센서가 반응 시간이 가장 신속하므로 그 값을 기준으로 하여 차압센서 및 터빈 유량의 기동 점을 파악 할 수 있다. 정압 센서에서 계측 된 최초의 압력 변이의 시간을 기준으로 했을 때 차압센서는 약 0.115 s 후 계측이 시작되는 것을 알 수 있고, 터빈 유량계는 약 0.188 s 지연되어 계측 값이 업데이트됨을 알 수 있다. 원인으로는 정압센서의 계측 회로 방식과 달리 차압 센서나 터빈 유량계는 신호 자체의 업데이트에 대한 지연이 발생됨과 동시에 변환기 및 증폭기에 의한 노이즈 제거 후 최종적으로 계측기로 신호를 전달하기 때문에 지연이 발생 될 것으로 판단된다.
또한 요구도 대비 해석결과의 검증을 위한 유량계수 실험을 수행 했다. 차압센서를 이용한 밸브에 작용하는 차압은 정압센서를 통해 측정한 다음 후처리한 차압 대비 평균 약 5 %로 작았다.
최대 스트로크 상태일 때 밸브 형상을 CFD 해석을 통해 밸브가 형상적으로 내포하고 있는 고유유량계 수를 계산할 수 있었다. 또한 요구도 대비 해석결과의 검증을 위한 유량계수 실험을 수행 했다.

후속연구

이러한 힘평형 해석관련 설계인자의 영향을 예측하고 측정방법을 제시함으로써 향후 개발하는 CFV는 물론, 관련 밸브류의 설계 및 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (7)

이중엽, 허환일, "가스발생기 연료개폐밸브의 동적 거동", 한국추진공학회지, 제14권, 제4호, pp.1-9.

원문보기 상세보기
전재형, 홍문근, 김현준, 이수용, "산화제 개폐밸브의 힘평형에 관한 연구", 한국항공우주학회지, 제37권, 제8호, 2009, pp. 812-818.

원문보기 상세보기
홍문근, 이수용, "산화제 개폐밸브의 힘평형", 한국추진공학회 춘계학술대회, 2008, pp. 14-17.
이중엽, 이수용, "솔레노이드 밸브의 고유유량계수에 대한 실험과 성능예측", 항공우주기술지, 제10권, 제1호, pp.70-78.
이중엽, "75톤급 연소기연료용 개폐밸브의 고유유량계수 실험", KARI-ARP-TM-2011-004, pp.1-25.
D. McCloy, H. R. Martin, Control of Fluid Power : Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1980.
Philip L. Skousen, Valve Handbook, McGraw-Hill, 1998.

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