[논문]다이어프램형 방식의 파일럿 액추에이터 개발

이중엽; 정대성; 한상엽

다이어프램형 방식의 파일럿 액추에이터 개발
Development of a diaphragm type actuator 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.13 no.2, 2014년, pp.160 - 166

이중엽 (공급계통팀) , 정대성 (공급계통팀) , 한상엽 (공급계통팀)

초록
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액체로켓 엔진용 개폐밸브는 파일럿 공압으로 포핏을 열고 스프링 힘에 의해 닫음으로써 로켓엔진의 추진제 유량을 제어한다. 현재 개발 중인 엔진용 개폐밸브는 다이어프램 액추에이터에서 압력을 제거하면 닫히도록 설계되어 있다. 다이어프램을 설계하고 개발하기 위해 밸브가 열리고 닫히는 특성에 따라 수명을 분석할 필요가 있다. 밸브가 닫히기 시작하는 시점의 작동 유체의 압력을 결정하고, 포핏이 열리는 시점의 압력을 결정되어 힘평형이 설계되어 있다. 수명시험은 상온 유동에서 다이어프램부의 크랙에 의한 누설은 용접 부위에서 발생했다. 다이어프램 액추에이터의 작동 수명은 헬륨 파일럿 압력의 22 MPa 시험에서 61회이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The shutoff valve of a Liquid Rocket Engines (LRE) controls the flow of propellant between turbo-pump and combustion devices of LRE using pilot pressure and spring force. The shutoff valve is closed when the pilot pressure is removed from the diaphragm type actuator. During designing process of life cycle is when should be analyzed according to the characteristics of forces with respect to the opening and closing of diaphragm actuator. A valve has been designed to adjust the control pressure which is required to open a poppet and to determine the working fluid pressure at which a valve starts to close. During flow capacity test under room temperature as a part of life cycle tests, the leakage in diaphragm was occurred due to the leakage of sheet welding sections. The operating cycle of the diaphragm type actuator is about 61 times with 22 MPa of pilot pressure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

개발 중에 있는 엔진용 라이트앵글 개폐밸브는 발사체 추진기관의 엔진공급계 구성품으로서 상온 또는 극저온 유체인 케로신과 액체산소의 차단과 개방을 목적으로 한다. 한국형발사체를 위해 개발 중인 액체로켓 엔진은 개방형 가스발생기 엔진이다.
이미 개발이 완료된 벨로우즈 타입 액추에이터가 아닌 새로운 형태의 다이어프램형(그림 2) 액추에이터를 개발했고 본 논문에서는 다이어프램형 액추에이터 개발과정의 일부인 해석과 시험 결과 부분에 대해 기술했다. 다이어프램 액추에이터의 개발을 위해 진행 된 기술들의 개발과정과 현황을 정리하였다.
5~22 MPa의 헬륨을 사용하며, 파일럿을 이용한 밸브 구동 회수가 150회에 이르더라도 문제가 없어야 하는 요구조건이 있다. 이에 본 논문에서는 다이어프램 액추에이터로 사용된 하스텔로이에 대해 설계를 수행하고 동시에 수명예측 및 해당 실험결과에 관해 기술했다.

제안 방법

1차 시험은 초기 파일럿 7.5±0.5 MPa를 이용하고 극저온 실매질을 이용하여 50회의 작동시험을 수행했다.
1차 시험의 조건과 다른 점은 추후 승압(현재 조건 : 77.5±0.5 MPa)하여 사용하려고 한 파일럿 압력을 해석시험요구조건인 22±1 MPa로 일치시켜 수행했다.
1차 시험의 조건을 단순화하고 하스텔로이 다이어프램의 크랙이 이루어진 시점의 작동 횟수를 근사하게 찾기 위해 액추에이터 다이어프램의 조합체를 교체했다. 1차 시험의 조건과 다른 점은 추후 승압(현재 조건 : 77.
다이어프램부의 분해검사 결과 특이 사항이 없었으므로 파일럿을 22±1 MPa로 승압하고 상온 상태에서 추가로 50회 시험을 더 수행했다.
2차 시험도 1차 시험과 동일하도록 밸브의 스트록을 측정할 수 있는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 이용했다. 스트록이 왜곡되는 시점과 부품간의 크랙 시작 후 대량의 누설되는 시점의 파열음을 마이크로폰을 통해 확보하며 동시에 여타의 파일럿 압력이 입력된 후 발생되는 현상을 모니터링 했다.
2t 두께의 다이어프램은 수십 회 내로 힌지 부위에 피로도가 집중되어 크랙이 발생함을 알 수 있었다. 이에 운용 각도를 작게 한 결과를 고려하여 다이어프램의 직경을 82 mm로 설계하여 제작했다. 스프링을 포함하는 밸브의 몸체의 직경이 40 mm 이므로 다이어프램은 상대적으로 직경이 크다[3, 4].
이와 더불어 파일럿 7.5±0.5 MPa의 상온의 요구 압력조건 상태에서 300회 작동을 수행했다.
추후 22±1 MPa 로 상승시켜 설계 및 제작시험을 수행할 계획이므로 다이어프램 관련 시험은 향후 추가 설계를 고려하여 두 가지의 파일럿 압력조건을 병행하여 시험을 수행했다.

대상 데이터

해석을 위한 온도조건은 90 K으로 설정했다. 그림 4에서 서포트의 부품재질은 인코넬 718 이다. 로드와 밸브는 오스테나이트 계열인 스테인리스 스틸 FXM-11으로 이루어져 있다.
상온상태에서 최소 영스 모듈러스는 각각 1034MPa와 345 MPa 이다. 다이어프램의 재질은 하스텔로이 C-276이며 최소 영스 모듈러스는 286MPa 이다. 일반적으로 상온조건보다 90 K인 저온조건의 영스 모듈러스 값이 비슷하거나 높기 때문에 해석에는 보수적으로 접근했다[7].
라이트앵글 밸브의 액추에이터를 이미 개발이 완료된 벨로우즈 방식에서 다이어프램형으로 변경하여 다시 개발하였고, 무게와 부피 감소 등의 효과를 얻을 수 있었다. 두께가 0.2 mm이고 직경이 82 mm인 하스텔로이 다이어프램의 수명해석에서 파일럿 23 MPa(M.E.O.P) 기준으로 작동횟수를 600회로 예측하였다.

이론/모형

5 MPa)하여 사용하려고 한 파일럿 압력을 해석시험요구조건인 22±1 MPa로 일치시켜 수행했다. 2차 시험도 1차 시험과 동일하도록 밸브의 스트록을 측정할 수 있는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 이용했다. 스트록이 왜곡되는 시점과 부품간의 크랙 시작 후 대량의 누설되는 시점의 파열음을 마이크로폰을 통해 확보하며 동시에 여타의 파일럿 압력이 입력된 후 발생되는 현상을 모니터링 했다.

성능/효과

라이트앵글 밸브의 액추에이터를 이미 개발이 완료된 벨로우즈 방식에서 다이어프램형으로 변경하여 다시 개발하였고, 무게와 부피 감소 등의 효과를 얻을 수 있었다. 두께가 0.
초기예측과 해석결과에서는 다이어프램의 절곡 부위가 가장 취약하며 해석결과에서 예측했듯이 파일럿 압력은 22±1 MPa로 운용 시 수명횟수인 약 600회를 충분히 보증할 수 있어야 했다.
파일럿 22±1 MPa 상온시험결과, 61번째 작동시험에서 크랙이 발생했으며 초기 예측과 달리 하스텔로이의 취약부분은 굽힘영역이 아닌 기밀용 용접부위임을 알았다.
파일럿 22±1 MPa 시험을 마치고 분해 해본 결과, 그림 7과 같이 다이어프램 몸체와 다이어프램이 완벽히 분리 된 채 손상되어 있음을 확인할 수 있었다.
파일럿 압력을 7.5±0.5 MPa와 22±1 MPa로 바꿔가며 시험한 결과이므로 해석의 입력조건과 일치하지 않으나, 작동횟수 측면에서는 약 350회를 만족하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체로켓 엔진용 개폐밸브는 어떤 역할을 하는가?	액체로켓 엔진용 개폐밸브는 파일럿 공압으로 포핏을 열고 스프링 힘에 의해 닫음으로써 로켓엔진의 추진제 유량을 제어한다. 현재 개발 중인 엔진용 개폐밸브는 다이어프램 액추에이터에서 압력을 제거하면 닫히도록 설계되어 있다.
	개발 중에 있는 엔진용 라이트앵글 개폐밸브는 무엇을 목적으로 하는가?	개발 중에 있는 엔진용 라이트앵글 개폐밸브는 발사체 추진기관의 엔진공급계 구성품으로서 상온 또는 극저온 유체인 케로신과 액체산소의 차단과 개방을 목적으로 한다. 한국형발사체를 위해 개발 중인 액체로켓 엔진은 개방형 가스발생기 엔진이다.
	극저온 추진제를 사용하는 밸브가 고압의 산화제를 안정하게 개폐할 수 있어야 함에 따라 액추에이터 연결부는 어떤 방식을 채택하는가?	극저온 추진제를 사용하는 밸브의 경우 고압의 산화제를 안정하게 개폐할 수 있어야 한다[1]. 이에 액추에이터는 고압의 파일럿 압력이 입력되면 외부로 누설되지 않도록 연결부는 용접방식을 채택한다.

참고문헌 (7)

이중엽, 한상엽, 이수용, "산화제 개폐밸브의 극저온 유동시험에서 채터링의 고찰", 항공우주기술, 제12권, 제2호, 2013, pp.108-117.
이중엽, 이수용, "75톤 연소기용 연료개폐밸브의 특성에 대한 고찰", 항공우주기술, 제11권, 제1호, 2012, pp.84-90.
이중엽, 허환일, "가스발생기 연료개폐밸브의 동적 거동", 한국추진공학회지, 제14권, 제4호, 2010, 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 고유유량 계수에 대한 시험과 성능예측", 항공우주기술지, 제10권, 제1호, pp.70-78.
7톤 GG LOx Valve Diaphragm-case 8 결과리포트, (주)삼성테크윈 파워시스템그룹, 2014

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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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