[논문]7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 조립체 성능시험

곽현덕; 김대진; 김진선; 김진한; 노준구; 박편구; 배준환; 신주현; 윤석환; 이항기; 전성민; 정은환; 최창호; 홍순삼; 김성룡; 김승한; 한영민

doi:10.6108/KSPE.2015.19.2.065

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7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 조립체 성능시험

Performance Test of a 7 tonf Liquid Rocket Engine Turbopump

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers v.19 no.2 , 2015년, pp.65 - 72

곽현덕 (Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김대진 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김진선 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김진한 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 노준구 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 박편구 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 배준환 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 신주현 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 윤석환 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 이항기 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 전성민 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 정은환 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 최창호 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 홍순삼 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김성룡 ( Propulsion Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김승한 ( Propulsion Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 한영민 ( Propulsion Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록

용어
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7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발 시제에 대한 조립체 성능시험이 수행되었다. LN2와 물이 적용된 상사매질 조립체 시험을 통해 터보펌프 단품 간 출력 매칭 및 조립체 레벨에서의 수력/공력 성능검증이 선행되었으며 LOX와 케로신의 실제 운용 환경의 실매질 시험에서는 터보펌프의 설계점, 탈설계점 성능 검증시험이 이루어졌다. 탈설계시험은 엔진의 운용시간을 적용하여 이루어졌으며 펌프의 흡입성능 검증을 병행하였다. 개발된 7톤급 액체로켓용 터보펌프는 엔진운용영역에서 유량, 양정, 흡입성능, 그리고 운용시간의 요구규격을 만족시키는 것으로 확인되었다.

Abstract

Performance tests of a turbopump for the developing 7-tonf liquid rocket engine were conducted. The performance of turbopump components and their power matching were measured and examined firstly under the LN2 and water environment. In the real propellant(LOX and kerosene) environment tests, design and off-design performances of turbopump were fully verified. During the off-design tests, turbopump running time was set the same as engine operating time and pump inlet pressure were set lower than nominal operating value in order to investigate pump suction capability. It have been verified that subject turbopump satisfies required performance - flow rate, head, suction performance and operational time - in the operating regime of developing liquid rocket engine.

주제어

#액체로켓엔진 #터보펌프 #성능시험 #케로신 #액체산소

본문요약
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문제 정의

본 논문에는 이에 대한 시험결과를 정리하였다.

단품 성능시험[7-9]과 조립체시험을 통해 터보펌프는 엔진요구 규격을 만족시킴이 확인되었다. 본 논문에는 이에 대한 시험결과를 정리하였다.
조립체 시험에 앞서 수행된 펌프 및 터빈 단품 성능시험에서 확인되지 않는 터보펌프 조립성 점검, 단품 간 출력 매칭 및 조립체 레벨에서의 목표 수력/공력 성능 만족여부, 진동특성 확인, IPS(Inter Propellant Seal)/MFS(Mechanical Face Seal) 기능검증, 베어링 냉각 및 IPS 퍼지 특성 확인 등 다양한 의미와 목적하에 시험이 수행되었다.

상사매질 조립체 성능시험은 실매질 성능검증 전 단계의 시험으로 계획되었다. 조립체 시험에 앞서 수행된 펌프 및 터빈 단품 성능시험에서 확인되지 않는 터보펌프 조립성 점검, 단품 간 출력 매칭 및 조립체 레벨에서의 목표 수력/공력 성능 만족여부, 진동특성 확인, IPS(Inter Propellant Seal)/MFS(Mechanical Face Seal) 기능검증, 베어링 냉각 및 IPS 퍼지 특성 확인 등 다양한 의미와 목적하에 시험이 수행되었다.

제안 방법

7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발은 항공우주연구원에서 기 개발된 30톤 및 75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프에 대한 설계/제작/시험의 경험[1-4]을 바탕으로 진행되었다.

터보펌프(TP)는 엔진의 주요 구성품으로 발사체 추진제 탱크에서 공급된 저압의 액체산소 및 케로신을 100 bar 전후의 높은 압력으로 승압시켜 연소기로 공급하는 터보기계이다. 7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발은 항공우주연구원에서 기 개발된 30톤 및 75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프에 대한 설계/제작/시험의 경험[1-4]을 바탕으로 진행되었다. 터보펌프는 원심형 산화제펌프와 연료펌프가 스플라인 축을 통해 동일회전수로 초음속 충동형 터빈에 의해 구동되는 구조를 갖고 있는데 성능 뿐 아니라, 경량화, 운용 신뢰도 제고[5-7]등에 많은 노력이 이루어졌다.
DM#1을 적용한 첫번째 실매질 시험(Table 3, test1r 참조)은 설비 검증 및 터보펌프 상태확인을 위해 상사매질시험과 유사한 방식으로 저속 회전수로 설정하여 수행하였고 안전을 고려하여 LOX 대신 LN2를 사용하였다.

국내 최초로 건립된 터보펌프 실매질 시험 설비에서 7톤급 액체로켓엔진 터보펌프의 검증이 진행되었다. DM#1을 적용한 첫번째 실매질 시험(Table 3, test1r 참조)은 설비 검증 및 터보펌프 상태확인을 위해 상사매질시험과 유사한 방식으로 저속 회전수로 설정하여 수행하였고 안전을 고려하여 LOX 대신 LN2를 사용하였다. 저속시험은 연료 유량이 고유량 영역에서 운용된 점을 제외하면 준비에서 종료까지 목표한 대로 진행되었고 단품시험 및 상사매질 조립체 시험과 잘 일치하는 결과를 보였다.
EDM#1 터보펌프 시험은 DM#1시험에서 한 걸음 더 나아가 설계회전수 근방에서 설계유량비 성능시험이 이루어졌으며(Table 2, test3s, test4s 참조) 엔진의 탈설계운용 영역을 고려한 산화제 저유량비-연료 고유량비 (Table 2, test5s 참조) 조합, 산화제 고유량비-연료 저유량비(Table 2, test6s 참조) 조합의 탈설계점 펌프 작동성 검증도 이루어졌다.

EDM#1 터보펌프 시험은 DM#1시험에서 한 걸음 더 나아가 설계회전수 근방에서 설계유량비 성능시험이 이루어졌으며(Table 2, test3s, test4s 참조) 엔진의 탈설계운용 영역을 고려한 산화제 저유량비-연료 고유량비 (Table 2, test5s 참조) 조합, 산화제 고유량비-연료 저유량비(Table 2, test6s 참조) 조합의 탈설계점 펌프 작동성 검증도 이루어졌다. 매질의 밀도로 인해 연료펌프 출구 압력은 설계운용 압력보다 30% 가량 높은 압력이 형성되었음에도 터보펌프는 안정적으로 작동하였다.
고속회전 시험을 완료한 후 LOX를 적용한 본격적인 실매질 시험이 이루어졌다.

고속회전 시험을 완료한 후 LOX를 적용한 본격적인 실매질 시험이 이루어졌다. 설계점 성능검증 시험(Table 3, test3r 참조)에서는 산화제, 연료펌프의 유량비가 설계값 대비 각각 96%, 99%에서 수행되었다.
국내 최초로 건립된 터보펌프 실매질 시험 설비에서 7톤급 액체로켓엔진 터보펌프의 검증이 진행되었다.

국내 최초로 건립된 터보펌프 실매질 시험 설비에서 7톤급 액체로켓엔진 터보펌프의 검증이 진행되었다. DM#1을 적용한 첫번째 실매질 시험(Table 3, test1r 참조)은 설비 검증 및 터보펌프 상태확인을 위해 상사매질시험과 유사한 방식으로 저속 회전수로 설정하여 수행하였고 안전을 고려하여 LOX 대신 LN2를 사용하였다.
상사매질 조립체 성능시험은 실매질 성능검증 전 단계의 시험으로 계획되었다.

상사매질 조립체 성능시험은 실매질 성능검증 전 단계의 시험으로 계획되었다. 조립체 시험에 앞서 수행된 펌프 및 터빈 단품 성능시험에서 확인되지 않는 터보펌프 조립성 점검, 단품 간 출력 매칭 및 조립체 레벨에서의 목표 수력/공력 성능 만족여부, 진동특성 확인, IPS(Inter Propellant Seal)/MFS(Mechanical Face Seal) 기능검증, 베어링 냉각 및 IPS 퍼지 특성 확인 등 다양한 의미와 목적하에 시험이 수행되었다.
실매질 시험설비는 Fig. 1에서 액체질소(LN2) 대신 액체산소(LOX)를, 물(water) 대신 케로신을 사용하며, 케로신 라인은 LOX 라인과 같이 독립적인 Run, Catch 탱크를 갖도록 하였다.

실매질시험 설비의 개략적인 기능은 상사매질 성능시험설비와 유사하다. 실매질 시험설비는 Fig. 1에서 액체질소(LN2) 대신 액체산소(LOX)를, 물(water) 대신 케로신을 사용하며, 케로신 라인은 LOX 라인과 같이 독립적인 Run, Catch 탱크를 갖도록 하였다. 고압공기는 전기히터가 아닌 알콜버너로 가열되어 터빈으로 공급된다.
실매질 시험에서는 개발된 터보펌프의 설계점, 탈설계점 및 흡입 성능의 다양한 검증이 이루어졌다

구성품 성능시험 완료 후, DM#1 조립체의 상사매질 성능시험을 수행하였으며 본격적인 검증시험인 실매질 시험은 2014년 중반에 시작되었다. 실매질 시험에서는 개발된 터보펌프의 설계점, 탈설계점 및 흡입 성능의 다양한 검증이 이루어졌다

성능/효과

EDM#1 터보펌프 시험은 DM#1 시험과 마찬가지로 모든 운용점에서 구성품시험과 일치하는 결과를 보여주었으며 설계변경 목적에 상응하는 유량 및 양정특성을 보여주었다.

EDM#1 성능시험에서는 펌프 입구압력을 DM#1시험에 비해 낮게 하였는데, test4s ~ 6s의 경우 펌프의 상시 운용 조건(nominal operating condition)에 비해 낮은 압력에서 시험이 수행되어 수력성능과 동시에 펌프 흡입성능을 평가할 수 있었다. EDM#1 터보펌프 시험은 DM#1 시험과 마찬가지로 모든 운용점에서 구성품시험과 일치하는 결과를 보여주었으며 설계변경 목적에 상응하는 유량 및 양정특성을 보여주었다.
가열공기 기준 비출력은 설계회전수에서 309 kJ/kg으로 나타났으며 회전수에 따라 그 값이 큰 폭으로 증가하는 특성을 보인다.

실매질 시험 결과 중 가열공기로 구동한 경우만 이용하였으며 산화제 펌프 매질로 LN2가 사용된 경우는 LOX 밀도로 보정하여 함께 나타내었다. 가열공기 기준 비출력은 설계회전수에서 309 kJ/kg으로 나타났으며 회전수에 따라 그 값이 큰 폭으로 증가하는 특성을 보인다. 케로신 과농 연소가스로 터빈이 구동될 경우 비출력은 더욱 증가하는데, 동일회전수에서 가열 공기 대비 20% 이상 증대될 것으로 기대된다.
개발된 7 터보펌프는 LN2와 물이 적용된 상사매질 시험과 LOX와 케로신이 적용된 실매질 시험을 통해 설계점을 포함한 엔진운용 영역에서 엔진 요구 성능과 규격을 만족시키는 것으로 확인되었다.

7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프에 대한 조립체 성능시험이 성공적으로 수행되었다. 개발된 7 터보펌프는 LN2와 물이 적용된 상사매질 시험과 LOX와 케로신이 적용된 실매질 시험을 통해 설계점을 포함한 엔진운용 영역에서 엔진 요구 성능과 규격을 만족시키는 것으로 확인되었다. 향후 내구성 검증을 위한 장시간 운용시험, 파이로 시동기적용을 포함한 다회 운용 검증시험이 계획되어 있으며 펌프의 운용 가능영역 확인을 위한 추가적인 극한흡입성능시험과 운용 신뢰도 제고를 위해 설계변경이 이루어진 터빈을 적용한 설계변경 모델에 대한 개발 검증시험도 이어질 예정이다.
설계점 성능검증 시험(Table 3, test3r 참조)에서는 산화제, 연료펌프의 유량비가 설계값 대비 각각 96%, 99%에서 수행되었다.

고속회전 시험을 완료한 후 LOX를 적용한 본격적인 실매질 시험이 이루어졌다. 설계점 성능검증 시험(Table 3, test3r 참조)에서는 산화제, 연료펌프의 유량비가 설계값 대비 각각 96%, 99%에서 수행되었다. 측정값은 해당 구성품 성능에 잘 부합되었고 터보펌프 조립체/설비의 성능/구조적 이상은 없었다.
시험에서는 연료펌프의 유량비가 다소 낮게 형성되어 터보펌프의 매칭 회전수가 높게 형성되었지만 측정된 유량, 회전수, 그리고 양정(Head)은 구성품 시험 결과와 일치하였으며 펌프-터빈 출력 매칭도 구성품시험 효율을 이용한 환산값 기준, 5% 이내의 편차를 보였다.

2를 상회하도록 설정하여 캐비테이션 마진을 크게 하였다. 시험에서는 연료펌프의 유량비가 다소 낮게 형성되어 터보펌프의 매칭 회전수가 높게 형성되었지만 측정된 유량, 회전수, 그리고 양정(Head)은 구성품 시험 결과와 일치하였으며 펌프-터빈 출력 매칭도 구성품시험 효율을 이용한 환산값 기준, 5% 이내의 편차를 보였다.
연료펌프 IPS의 드레인 포트로 연료의 누설이 현저하게 줄었음이 확인되었는데 이는 누적시간 700 초의 앞선 시험들을 통해 IPS 내부 스플릿 카본링과 축의 동심이 서로 잘 맞물리도록 조절된 것에 기인하는 것으로 결론지어졌다.

5% 내외의 편차로 일치하였다. 연료펌프 IPS의 드레인 포트로 연료의 누설이 현저하게 줄었음이 확인되었는데 이는 누적시간 700 초의 앞선 시험들을 통해 IPS 내부 스플릿 카본링과 축의 동심이 서로 잘 맞물리도록 조절된 것에 기인하는 것으로 결론지어졌다.
유량비 목표값을 두 시험 모두 적절하게 이루어 냈으며 109% 설계회전수, 엔진요구 운용시간 500초를 동시에 만족시켰다.

Table 3의 test4r과 test5r 시험은 엔진 탈설계영역의 터보펌프 성능검증 시험으로 각각 산화제 저유량-연료 고유량비, 산화제 고유량-연료 저유량 조합에 해당한다. 유량비 목표값을 두 시험 모두 적절하게 이루어 냈으며 109% 설계회전수, 엔진요구 운용시간 500초를 동시에 만족시켰다. 성능은 구성품 특성에 부합하였고 test5r의 경우 최저 캐비테이션수가 산화제 펌프 0.
저속시험은 연료 유량이 고유량 영역에서 운용된 점을 제외하면 준비에서 종료까지 목표한 대로 진행되었고 단품시험 및 상사매질 조립체 시험과 잘 일치하는 결과를 보였다.

DM#1을 적용한 첫번째 실매질 시험(Table 3, test1r 참조)은 설비 검증 및 터보펌프 상태확인을 위해 상사매질시험과 유사한 방식으로 저속 회전수로 설정하여 수행하였고 안전을 고려하여 LOX 대신 LN2를 사용하였다. 저속시험은 연료 유량이 고유량 영역에서 운용된 점을 제외하면 준비에서 종료까지 목표한 대로 진행되었고 단품시험 및 상사매질 조립체 시험과 잘 일치하는 결과를 보였다. 터보펌프 구동은 324초간 이루어졌으며 설계회전수의 78% 수준에서 운용되었다.
측정값은 해당 구성품 성능에 잘 부합되었고 터보펌프 조립체/설비의 성능/구조적 이상은 없었다.

설계점 성능검증 시험(Table 3, test3r 참조)에서는 산화제, 연료펌프의 유량비가 설계값 대비 각각 96%, 99%에서 수행되었다. 측정값은 해당 구성품 성능에 잘 부합되었고 터보펌프 조립체/설비의 성능/구조적 이상은 없었다. 최저 캐비테이션수는 산화제 펌프의 경우 0.

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7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프	7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프의 실매질 시험에서 검증한 항목은 무엇인가?	터보펌프의 설계점, 탈설계점 및 흡입 성능 구성품 성능시험 완료 후, DM#1 조립체의 상사매질 성능시험을 수행하였으며 본격적인 검증시험인 실매질 시험은 2014년 중반에 시작되었다. 실매질 시험에서는 개발된 터보펌프의 설계점, 탈설계점 및 흡입 성능의 다양한 검증이 이루어졌다
터보펌프	7톤급 액체로켓엔진의 터보펌프는 무엇인가?	엔진의 주요 구성품으로 발사체 추진제 탱크에서 공급된 저압의 액체산소 및 케로신을 100 bar 전후의 높은 압력으로 승압시켜 연소기로 공급하는 터보기계이다 엔진은 가스발생기 사이클을 채택하고 있으며 진공비추력 325 초를 성능목표로 한다. 터보펌프(TP)는 엔진의 주요 구성품으로 발사체 추진제 탱크에서 공급된 저압의 액체산소 및 케로신을 100 bar 전후의 높은 압력으로 승압시켜 연소기로 공급하는 터보기계이다. 7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발은 항공우주연구원에서 기 개발된 30톤 및 75톤급 액체로켓엔진용 터보 펌프에 대한 설계/제작/시험의 경험[1-4]을 바탕으로 진행되었다.
터보펌프	터보펌프는 어떻게 구동되는가?	원심형 산화제펌프와 연료펌프가 스플라인 축을 통해 동일회전수로 초음속 충동형 터빈에 의해 구동 7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발은 항공우주연구원에서 기 개발된 30톤 및 75톤급 액체로켓엔진용 터보 펌프에 대한 설계/제작/시험의 경험[1-4]을 바탕으로 진행되었다. 터보펌프는 원심형 산화제펌프와 연료펌프가 스플라인 축을 통해 동일회전수로 초음속 충동형 터빈에 의해 구동되는 구조를 갖고 있는데 성능 뿐 아니라, 경량화, 운용 신뢰도 제고[5-7]등에 많은 노력이 이루어졌다.

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참고문헌 (9)

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4. Hong, S.S., Kim, J.S., Kim, D.J. and Kim, J., "Performance Test of Turbopump Assembly for 75ton Liquid Rocket Engine Using Model Fluid," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 15, No. 2 pp. 56-61, 2011.
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7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 조립체 성능시험 한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers v.19 no.2 , 2015년, pp.65 - 72 곽현덕 (Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김대진 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김진선 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김진한 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 노준구 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 박편구 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 배준환 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 신주현 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 윤석환 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 이항기 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 전성민 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 정은환 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 최창호 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 홍순삼 ( Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김성룡 ( Propulsion Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 김승한 ( Propulsion Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute ) ; 한영민 ( Propulsion Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute)

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