액체로켓엔진에서의 재생냉각 채널은 높은 온도의 연소가스로부터 연소실 내벽을 효율적으로 냉각하기 위해 사용되며, 냉각채널 설계를 위해서는 열전달 특성과 압력손실 특성을 미리 예측하여야 한다. 본 연구에서는 서로 다른 형상을 갖는 5개의 냉각채널을 설계하고, 커터와 엔드밀로 채널을 제작하였다. 채널을 흐르는 유속과 후단 압력조건을 달리하여 가공방법, 채널 형상, 유동조건에 따른 압력손실을 실험적으로 측정하여 해석결과와 비교를 수행하였다. 동일 형상 및 유동조건에서 커터로 가공된 채널이 엔드밀로 가공된 채널보다 압력손실이 적었다. 또한 채널 형상, 유동조건에 따라 실험결과와 해석결과의 압력손실 비가 달라짐을 확인할 수 있었다.
액체로켓엔진에서의 재생냉각 채널은 높은 온도의 연소가스로부터 연소실 내벽을 효율적으로 냉각하기 위해 사용되며, 냉각채널 설계를 위해서는 열전달 특성과 압력손실 특성을 미리 예측하여야 한다. 본 연구에서는 서로 다른 형상을 갖는 5개의 냉각채널을 설계하고, 커터와 엔드밀로 채널을 제작하였다. 채널을 흐르는 유속과 후단 압력조건을 달리하여 가공방법, 채널 형상, 유동조건에 따른 압력손실을 실험적으로 측정하여 해석결과와 비교를 수행하였다. 동일 형상 및 유동조건에서 커터로 가공된 채널이 엔드밀로 가공된 채널보다 압력손실이 적었다. 또한 채널 형상, 유동조건에 따라 실험결과와 해석결과의 압력손실 비가 달라짐을 확인할 수 있었다.
A regeneratively-cooled channel in a liquid rocket engine is used to effectively cool a combustion chamber inner wall from hot combustion gas, and the heat transfer/pressure loss characteristics should be predicted in advance to design cooling channels. In the present research, five cooling channels...
A regeneratively-cooled channel in a liquid rocket engine is used to effectively cool a combustion chamber inner wall from hot combustion gas, and the heat transfer/pressure loss characteristics should be predicted in advance to design cooling channels. In the present research, five cooling channels with different geometric dimensions were designed and the channels were respectively manufactured using cutter and endmill. By changing coolant velocity and downstream pressure, the effects of manufacturing method, channel shape, and flow condition on pressure losses were experimentally investigated and the results were compared with the analytical results. At same channel shape and flow condition, the pressure loss in the channel machined by the cutter was lower than that by the endmill. It was also found that the pressure loss ratio between the experimental result and the analytical data changed with the channel shape and flow condition.
A regeneratively-cooled channel in a liquid rocket engine is used to effectively cool a combustion chamber inner wall from hot combustion gas, and the heat transfer/pressure loss characteristics should be predicted in advance to design cooling channels. In the present research, five cooling channels with different geometric dimensions were designed and the channels were respectively manufactured using cutter and endmill. By changing coolant velocity and downstream pressure, the effects of manufacturing method, channel shape, and flow condition on pressure losses were experimentally investigated and the results were compared with the analytical results. At same channel shape and flow condition, the pressure loss in the channel machined by the cutter was lower than that by the endmill. It was also found that the pressure loss ratio between the experimental result and the analytical data changed with the channel shape and flow condition.
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문제 정의
Eq. 5에서와 같이 표면 거칠기는 압력손실에 영향을 주기 때문에 이에 대한 검토를 수행하였다.
많은 유체역학 서적 및 자료들에서 마찰손실에 따른 유체의 압력손실에 대한 경험식들을 제시하고 있지만, 실제 냉각채널을 모사한 형상에 대해 직접적으로 활용할 수 있는 자료는 국내에서 찾기가 힘든 상황이다. 따라서 본 연구에서는 커터와 엔드밀로 가공된 직선형 냉각채널에서 후단 압력, 유속 조건, 채널 형상에 따른 압력손실을 확인하여 기존 해석방법으로 수행한 결과와 비교를 수행하였다. 본 연구결과는 재생 냉각 채널을 설계하는데 있어서 실질적인 데이터베이스를 제공할 수 있을 것이라 기대된다.
1과 같이 표현되는데 이 때 전체 손실(ζov)은 벽면 마찰에 의한 손실(ζfr)과 유동방향이나 단면적이 급격히 변하면서 생기는 국부적인 손실(ζloc)로 구분할 수 있다. 재생냉각 채널에서는 두 손실이 모두 발생하지만 상당한 손실이 마찰에 의해 발생하며[10] 국부적인 손실을 실험적으로 측정하는 것은 매우 많은 노력과 시간을 필요로 하기 때문에, 본 연구에서는 벽면 마찰에 의한 손실에 대해 초점을 두고 연구를 수행하였다.
가설 설정
4의 smooth wall을 가정하여 계산을 수행하여 Table 2에 정리하였다. 사용 유체는 293.15 K, 1.01 bar의 상태의 물로 가정하였다. 유속의 제곱에 비례하여 압력손실이 증가함을 알 수 있으며, 유속이 10 ㎧인 경우 압력손실이 적어서 압력계의 정확도를 감안할 때 측정된 데이터의 신뢰도에 문제가 있을 것으로 예상되었다.
제안 방법
1에 나타내었다. 2차원 도면의 아래 채널부터 CH1이 되며, 한 평판시제에 5개의 다른 채널이 가공되도록 설계, 제작되었다. 평판시제의 아랫면은 STS30400 소재로 이 부분에 채널이 가공되며, 윗면은 STS31800 소재가 사용되었다.
실제 재생냉각 채널의 형상을 모사할 수 있도록 서로 다른 형상을 가진 5개의 채널을 설계, 제작하였다. 그리고 가공방법에 따른 영향을 살펴보기 위해 5개의 채널을 커터와 엔드밀로 가공하여 제작하였다. 또한 유속과 출구압력의 영향을 확인하기 위해 채널 내 유속을 10, 20, 30 ㎧로 바꾸어가며, 채널 출구압력을 10, 30, 50 bar로 변경시키면서 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 실제 재생냉각 채널의 형상을 모사할 수 있도록 서로 다른 형상을 가진 5개의 채널을 설계, 제작하였다. 또한 가공방법에 따른 영향을 살펴보기 위해 5개의 채널을 커터와 엔드밀로 가공하여 제작하였다. 설계된 냉각채널의 형상 데이터와 실제 측정된 형상 데이터를 Table 1에 정리하였다.
유량은 터빈 유량계(Kometer, NK-250)를 이용하여 측정하였으며, 압력은 100 barg까지 계측이 가능한 압력센서(Sensys, PSH model)를 사용하였다. 또한 압력손실에는 유체의 점성계수가 큰 영향을 주기 때문에 K-type 열전대를 설치하여 유체의 온도를 함께 계측하였다. 측정된 데이터는 500 Hz의 샘플링 속도로 NI-cDAQ를 이용하여 저장하였다.
그리고 가공방법에 따른 영향을 살펴보기 위해 5개의 채널을 커터와 엔드밀로 가공하여 제작하였다. 또한 유속과 출구압력의 영향을 확인하기 위해 채널 내 유속을 10, 20, 30 ㎧로 바꾸어가며, 채널 출구압력을 10, 30, 50 bar로 변경시키면서 실험을 수행하였다.
데이터를 논문에 나타내지는 않았지만 채널의 형상비에 따른 경향성은 두 시편 채널 모두에서 발견할 수가 없었다. 마지막으로 많은 형상 측정 및 실험의 불확실성에도 불구하고 본 연구결과에서 얻어진 마찰계수 비를 선형회귀분석을 통하여 다음과 같은 경험식을 도출하였다. 경험식에서 알 수 있듯이 지수의 값들이 매우 작긴 하지만 레이놀즈 수, 출구압력, 수력직경이 커짐에 따라 마찰계수 비가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
설계된 채널의 깊이가 깊기 때문에 조도 측정기를 이용하여 측정하기가 어려우며 따라서 모사 시편에 동일한 툴을 사용하여 얇게 가공한 후 아래쪽 가공면의 표면 거칠기를 측정하는 방법을 사용하였다. Table 2에 측정된 데이터를 정리하였으며, 커터와 엔드밀 모두 매우 정밀한 가공이 가능함을 알 수 있었다.
두 면은 연소실 제작공정과 동일하게 브레이징으로 용접되었다. 윗면에는 채널에 냉각재를 유입할 수 있는 입구, 출구 튜브가 용접되며, 채널 사이의 압력은 Fig. 1의 Pup과 Pdown 위치에 설치된 튜브를 통해 차압을 측정하도록 하였다. 결국 두 압력 측정용 튜브 사이의 길이가 채널 길이 L이 된다.
3과 같이 구성되어 있다. 유량은 터빈 유량계(Kometer, NK-250)를 이용하여 측정하였으며, 압력은 100 barg까지 계측이 가능한 압력센서(Sensys, PSH model)를 사용하였다. 또한 압력손실에는 유체의 점성계수가 큰 영향을 주기 때문에 K-type 열전대를 설치하여 유체의 온도를 함께 계측하였다.
유속과 출구압력의 영향을 확인하기 위해 실험은 측정된 채널 형상 데이터를 바탕으로 채널 내 유속을 10, 20, 30 ㎧로 바꾸어가며, 그리고 채널 출구압력을 10, 30, 50 bar로 변경시키면서 수행되었다. 케로신/액체산소를 추진제로 사용하는 open-cycle 액체로켓엔진의 경우 케로신이 냉각재로 사용되지만 본 연구에서는 시험의 편의를 위해 물을 모사 냉각유체로 사용하였다.
재생냉각 채널에서 가공방법, 채널 형상, 유동 조건에 따른 압력손실을 실험적으로 측정하여 해석결과와 비교를 수행하였다. 실제 재생냉각 채널의 형상을 모사할 수 있도록 서로 다른 형상을 가진 5개의 채널을 설계, 제작하였다.
05 ㎜ 공차 내에서 제작이 완료되었다. 채널의 너비와 높이는 3차원 측정기를 이용하여 길이 방향으로 5 부분을 선택하여 측정한 값을 평균하였다.
커터로 가공된 채널에 비해 엔드밀로 가공된 채널에서의 압력손실이 크게 발생함을 확인하였으며 이는 가공방법에 의한 원인으로 판단되었다. 채널의 수력직경, 출구압력, 유속이 커질수록 마찰계수 비가 증가함을 알 수 있었으며 이에 대한 보정 경험식을 유도하여 제안하였다. 현재 우리나라 액체로켓엔진의 경우 채널 가공 시 대부분 엔드밀을 사용하므로, 채널 설계/해석 시대략 10% - 20% 정도의 마진을 감안하여 설계 하는 것이 필요하다고 생각된다.
또한 압력손실에는 유체의 점성계수가 큰 영향을 주기 때문에 K-type 열전대를 설치하여 유체의 온도를 함께 계측하였다. 측정된 데이터는 500 Hz의 샘플링 속도로 NI-cDAQ를 이용하여 저장하였다. 실험은 각 조건 당 2회씩 반복하였으며, 0.
대상 데이터
본 연구에서는 실제 재생냉각 채널의 형상을 모사할 수 있도록 서로 다른 형상을 가진 5개의 채널을 설계, 제작하였다. 또한 가공방법에 따른 영향을 살펴보기 위해 5개의 채널을 커터와 엔드밀로 가공하여 제작하였다.
평판시제의 아랫면은 STS30400 소재로 이 부분에 채널이 가공되며, 윗면은 STS31800 소재가 사용되었다. 실제 연소실의 냉각채널은 높은 열전달을 위해 구리합금과 스테인리스 스틸로 제작되지만 본 연구에서는 열전달을 고려하지 않기 때문에 두 금속을 모두 스테인리스 스틸 소재를 사용하였다. 두 면은 연소실 제작공정과 동일하게 브레이징으로 용접되었다.
본 연구에서는 실제 재생냉각 채널의 형상을 모사할 수 있도록 서로 다른 형상을 가진 5개의 채널을 설계, 제작하였다. 또한 가공방법에 따른 영향을 살펴보기 위해 5개의 채널을 커터와 엔드밀로 가공하여 제작하였다.
유속과 출구압력의 영향을 확인하기 위해 실험은 측정된 채널 형상 데이터를 바탕으로 채널 내 유속을 10, 20, 30 ㎧로 바꾸어가며, 그리고 채널 출구압력을 10, 30, 50 bar로 변경시키면서 수행되었다. 케로신/액체산소를 추진제로 사용하는 open-cycle 액체로켓엔진의 경우 케로신이 냉각재로 사용되지만 본 연구에서는 시험의 편의를 위해 물을 모사 냉각유체로 사용하였다.
2차원 도면의 아래 채널부터 CH1이 되며, 한 평판시제에 5개의 다른 채널이 가공되도록 설계, 제작되었다. 평판시제의 아랫면은 STS30400 소재로 이 부분에 채널이 가공되며, 윗면은 STS31800 소재가 사용되었다. 실제 연소실의 냉각채널은 높은 열전달을 위해 구리합금과 스테인리스 스틸로 제작되지만 본 연구에서는 열전달을 고려하지 않기 때문에 두 금속을 모두 스테인리스 스틸 소재를 사용하였다.
데이터처리
5는 실험에서 계산된 마찰계수와 측정된 레이놀즈 수/표면 거칠기 값을 이용하여 참고문헌[13]의 Table에서 얻어지는 마찰계수의 비를 정리한 그림이다. 실험에서 얻어진 마찰계수는 2번 반복 실험결과의 평균값을 사용하였다. Fig.
측정된 데이터는 500 Hz의 샘플링 속도로 NI-cDAQ를 이용하여 저장하였다. 실험은 각 조건 당 2회씩 반복하였으며, 0.4 초의 압력, 유량, 온도 측정값의 평균 값을 사용하였다.
성능/효과
Eq. 3에서 예측할 수 있듯이 압력손실은 유속의 제곱에 비례하며 수력직경에 반비례하기 때문에, 유속이 증가함에 따라 모든 채널에서의 압력손실이 2차함수와 같이 증가하고 있으며 같은 유속에서 CH4의 압력손실이 가장 크고 CH5의 압력손실이 가장 작게 측정됨을 확인할 수 있다. 하지만 커터와 엔드밀 채널의 결과를 비교하면 동일한 형상과 유속에서 엔드밀로 가공된 채널의 압력손실이 더 크게 측정되고 있음을 알 수 있다.
마지막으로 많은 형상 측정 및 실험의 불확실성에도 불구하고 본 연구결과에서 얻어진 마찰계수 비를 선형회귀분석을 통하여 다음과 같은 경험식을 도출하였다. 경험식에서 알 수 있듯이 지수의 값들이 매우 작긴 하지만 레이놀즈 수, 출구압력, 수력직경이 커짐에 따라 마찰계수 비가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
01 bar의 상태의 물로 가정하였다. 유속의 제곱에 비례하여 압력손실이 증가함을 알 수 있으며, 유속이 10 ㎧인 경우 압력손실이 적어서 압력계의 정확도를 감안할 때 측정된 데이터의 신뢰도에 문제가 있을 것으로 예상되었다.
커터와 엔드밀로 가공된 채널 모두 기울기가 좀 다르긴 하지만 동일한 채널 높이에서 너비가 증가함에 따라 마찰계수 비는 증가하는 경향성을 나타내었다. 이에 반해 동일한 채널 너비에서 높이가 증가함에 따라 커터로 가공된 채널의 마찰계수 비는 증가하지만 엔드밀의 경우는 약간 증가했다 감소하는 결과를 나타내었다. 엔드밀 채널 가공의 경우 채널 아랫면 끝단의 곡면을 줄이기 위해 면이 평평한 엔드밀(flat endmill)을 사용하였지만 공구의 보호 및 원활한 절삭을 위해 엔드밀 끝단은 0.
커터로 가공된 채널에 비해 엔드밀로 가공된 채널에서의 압력손실이 크게 발생함을 확인하였으며 이는 가공방법에 의한 원인으로 판단되었다. 채널의 수력직경, 출구압력, 유속이 커질수록 마찰계수 비가 증가함을 알 수 있었으며 이에 대한 보정 경험식을 유도하여 제안하였다.
7에 정리하였다. 커터와 엔드밀로 가공된 채널 모두 기울기가 좀 다르긴 하지만 동일한 채널 높이에서 너비가 증가함에 따라 마찰계수 비는 증가하는 경향성을 나타내었다. 이에 반해 동일한 채널 너비에서 높이가 증가함에 따라 커터로 가공된 채널의 마찰계수 비는 증가하지만 엔드밀의 경우는 약간 증가했다 감소하는 결과를 나타내었다.
후속연구
따라서 본 연구에서는 커터와 엔드밀로 가공된 직선형 냉각채널에서 후단 압력, 유속 조건, 채널 형상에 따른 압력손실을 확인하여 기존 해석방법으로 수행한 결과와 비교를 수행하였다. 본 연구결과는 재생 냉각 채널을 설계하는데 있어서 실질적인 데이터베이스를 제공할 수 있을 것이라 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
재생냉각 채널의 역할은 무엇인가
재생냉각 채널은 추진제 탱크에서 분사기로 추진제를 공급하기 위한 통로가 되면서 연소실을 냉각시키는 역할을 수행하게 된다. 연소실 내벽은 열전도 성능이 뛰어난 소재를 사용하여 내부의 열을 냉각재로 빨리 전달함으로써 내부 벽면온도를 소재의 녹는 점 온도 이하로 낮추어야 하며, 외벽은 고압을 구조적으로 견딜 수 있는 소재를 사용하게 된다[4].
액체로켓엔진의 연소실을 냉각, 보호하기 위한 방법은 무엇이 있는가
액체로켓엔진의 연소실은 3,000 K 이상의 고온, 고압의 연소가스에 노출되기 때문에 오랜 시간동안 안정적인 작동을 위해서는 냉각이 필수적이다. 연소실을 냉각, 보호하기 위해 사용되는 다양한 방법들 중 재생냉각이 가장 일반적이며 효율적인 것으로 알려져 있다. 또한 연소실 보호를 위해 재생냉각에 더불어 열차폐 코팅, 막 냉각 등의 다른 방법을 추가적으로 적용하고 있다[1-3].
액체로켓엔진의 연소실 특징은 무엇인가
액체로켓엔진의 연소실은 3,000 K 이상의 고온, 고압의 연소가스에 노출되기 때문에 오랜 시간동안 안정적인 작동을 위해서는 냉각이 필수적이다. 연소실을 냉각, 보호하기 위해 사용되는 다양한 방법들 중 재생냉각이 가장 일반적이며 효율적인 것으로 알려져 있다.
참고문헌 (14)
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