[논문]액체로켓엔진용 연소기 산화제 개폐밸브 성능 특성

정대성; 홍문근; 한상엽

doi:10.6108/kspe.2017.21.4.028

액체로켓엔진용 연소기 산화제 개폐밸브 성능 특성
Performance Characteristics of a Main Oxidizer Shutoff Valve for Liquid Rocket Engines 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.21 no.4, 2017년, pp.28 - 35

정대성 (Aerospace System Engineering, University of Science and Technology) , 홍문근 (Aerospace System Engineering, University of Science and Technology) , 한상엽 (Launcher Propulsion Control Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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액체 추진 로켓 엔진에서 연소실로 향하는 산화제 공급은 연소기 산화제 개폐밸브에 의해서 제어된다. 산화제의 안정적인 공급을 위하여 밸브가 열려있을 때의 유량조건을 만족해야 할 뿐만 아니라, 산화제 공급라인의 예냉을 위해 밸브가 닫혀있을 때에도 요구되는 유량조건을 만족해야 한다. 본 연구에서는 연소기 산화제 개폐밸브의 재순환 유량특성을 확인하기 위한 시험을 수행하였고, 밸브 내부에 작용하는 힘평형 관계식을 이용하여 극저온 수명시험 이후 스프링 상수가 변화하는 경향을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A main oxidizer shutoff valve controls the supply of the oxidizer flow into the combustion chamber of a liquid rocket engine. This shutoff valve also carries out the pre-chilling of oxidizer supply lines by permitting recycling flow for stable transient start of the engine. In the present paper, the flow tests for the recycling line of the valve were conducted in order to evaluate the cooling performance of the main oxidizer shutoff valve. In addition, cryogenic life-cycle tests were performed with an assumption of the increase of spring constant with increasing valve operating times due to ductile-brittle transition effects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

한국형 발사체의 경우, 산화제 개폐밸브의 주유로가 닫혀있을 때 개폐밸브의 재순환 유로를 통과한 산화제가 탱크로 흘러 순환하면서 산화제 공급시스템을 냉각한다. 본 연구에서는 산화제 공급라인의 예냉을 위하여 요구되는 산화제 개폐밸브의 재순환 유량특성을 만족하는지 시험을 통하여 확인하였다.
본 연구에서는 시험을 통하여 연소기 산화제 개폐밸브의 재순환 유량계수를 확인하였고, 엔진의 안전한 시동점화를 위하여 적절한 설계 개선을 통해 재순환 유량계수를 증가시켜야 함을 확인하였다. 또한, 내부 힘평형 해석을 통해 극저온 상태에서 산화제 개폐밸브의 열림 압력, 닫힘 압력값을 계산하고 시험 결과값과 비교하였다.

가설 설정

전재형 등[1]은 극저온 상태에서 피스톤 - 포핏 형태의 밸브의 횟수에 따른 마찰력의 경향을 보여주었으며, 극저온 상태에서 밸브를 50회 반복작동 하였을 때의 마찰력의 변화는 미비하였다. 따라서, 유사한 구조를 가지는 본 논문의 산화제 개폐밸브에서도 극저온 상태에서 밸브의 50회 작동 동안 마찰력 F_f를 일정하다고 가정하기로 하고, 이전의 시험에서 동일한 모델의 밸브를 사용하여 구해진 값인 1100 N을 사용하였다[6].
밸브가 열릴 때와 같이 마찰력 F_f를 1100 N으로 일정하다고 가정하고 Eq. 6을 이용하여 스프링 힘 F_s를 계산하여보면, 밸브 작동 횟수에 따른 스프링 상수 k_s는 Fig.

제안 방법

2.2.1 절과 동일한 방법으로 산화제 개폐밸브 및 배관이 충분히 냉각된 것을 확인한 후, 밸브의 On/Off 작동을 총 50회 반복하였다.
300 bar까지 측정 가능하고, 오차범위 ±0.25%인 Keller PA-23SY 압력센서를 사용하여 각각 MOV 전단(P1), 후단(P2), 재순환라인(P3), 구동부에서의 압력(P4)을 측정하였다.
6.89 bar의 차압측정범위를 가지고 오차범위가 ±0.05%인 Honeywell STD830 차압센서(DP)을 사용하여 밸브 전단과 재순환 라인 간의 차압을 측정하였다.
75 mm까지 측정할 수 있고, 오차범위가 ±0.5%인 RDP Group ACT3000A Linear Variable Differential Transformer를 이용하여 밸브 개도를 측정하였다.
액체질소 탱크의 얼리지(Ullage) 압력을 조절하여 산화제 개폐밸브 입구 압력(P1)이 10 bar가 되도록 액체질소를 공급하였다. 그리고 재순환 냉각라인으로 흐르는 질량 유량을 측정하였고 산화제 개폐밸브 입구측과 재순환 냉각라인 사이의 차압을 측정하여 유량계수를 계산하였다.
본 연구에서는 연소기 산화제 개폐밸브에 대하여 내부 힘평형 관계식을 통해 열림/닫힘 압력을 예측하고, 극저온 수명시험을 통하여 얻어진 결과와 비교하였다. 또한 얻어진 시험결과를 바탕으로 수명시험 이후 밸브 내부의 마찰력 및 스프링 상수값이 변화하는 경향을 확인하였다.
본 연구에서는 시험을 통하여 연소기 산화제 개폐밸브의 재순환 유량계수를 확인하였고, 엔진의 안전한 시동점화를 위하여 적절한 설계 개선을 통해 재순환 유량계수를 증가시켜야 함을 확인하였다. 또한, 내부 힘평형 해석을 통해 극저온 상태에서 산화제 개폐밸브의 열림 압력, 닫힘 압력값을 계산하고 시험 결과값과 비교하였다. 연소기 산화제 개폐밸브의 열림 압력 및 닫힘 압력을 이용하여 스프링 상수 변화를 확인하였으며, 밸브의 작동횟수가 증가함에 따라 스프링 상수값이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
1과 같이 내부의 스프링 탄성력(Fs), 유체력(Fh), 공압력(Fa), 마찰력(Ff), 시트부 복원력(Fc)의 상호작용에 의하여 작동하며, 앞선 연구에서와 같이 내부 힘평형 관계식을 이용하여 밸브의 작동특성을 예측하고 평가하는 것이 필요하다[1]. 본 연구에서는 연소기 산화제 개폐밸브에 대하여 내부 힘평형 관계식을 통해 열림/닫힘 압력을 예측하고, 극저온 수명시험을 통하여 얻어진 결과와 비교하였다. 또한 얻어진 시험결과를 바탕으로 수명시험 이후 밸브 내부의 마찰력 및 스프링 상수값이 변화하는 경향을 확인하였다.
2와 3에 연소기 산화제 개폐밸브의 극저온 시험을 위한 시험 장치 및 개략도를 나타내었다. 산화제 개폐밸브 전단의 공압밸브(AV_in)를 개폐하여 액체질소를 산화제 개폐밸브 전단에 공급할 수 있도록 하였고, 산화제 개폐밸브 후단의 공압밸브(AV_out)를 개폐하여 재순환 흐름 및 주유로 흐름을 제어하도록 하였다. Industria F2805 솔레노이드 밸브(SV)를 통하여 구동부에 220 bar의 기체 헬륨을 공급, 제거할 수 있도록 하였다.
산화제 개폐밸브가 닫힌 상태에서 밸브 전단과 후단의 공압밸브(AV_in/AV_out)를 열어 산화제 개폐밸브의 재순환 냉각라인으로 액체질소를 공급하였다. 이 때, 재순환 포트 출구(T3)에서 운용유체 온도가 103 K 이하로 낮아지고, 온도가 안정화 되면 밸브 및 배관이 충분히 냉각되었다고 판단하였다.
액체질소 저장량의 제약으로 인해 1차 20회, 2차 30회로 나누어 극저온 수명시험을 수행하였으며, 1차 시험과 2차 시험 사이에 12시간 이상의 시간 간격이 있었다. 산화제 개폐밸브가 열릴 때와 닫힐 때 측정된 압력 및 밸브 개도 정보를 이용하여 힘평형 해석을 수행하였다.
1 절과 동일한 방법으로 산화제 개폐밸브 및 배관이 충분히 냉각된 것을 확인한 후, 밸브의 On/Off 작동을 총 50회 반복하였다. 액체질소 저장량의 제약으로 인해 1차 20회, 2차 30회로 나누어 극저온 수명시험을 수행하였으며, 1차 시험과 2차 시험 사이에 12시간 이상의 시간 간격이 있었다. 산화제 개폐밸브가 열릴 때와 닫힐 때 측정된 압력 및 밸브 개도 정보를 이용하여 힘평형 해석을 수행하였다.
이 때, 재순환 포트 출구(T3)에서 운용유체 온도가 103 K 이하로 낮아지고, 온도가 안정화 되면 밸브 및 배관이 충분히 냉각되었다고 판단하였다. 액체질소 탱크의 얼리지(Ullage) 압력을 조절하여 산화제 개폐밸브 입구 압력(P1)이 10 bar가 되도록 액체질소를 공급하였다. 그리고 재순환 냉각라인으로 흐르는 질량 유량을 측정하였고 산화제 개폐밸브 입구측과 재순환 냉각라인 사이의 차압을 측정하여 유량계수를 계산하였다.
25%인 Keller PA-23SY 압력센서를 사용하여 각각 MOV 전단(P1), 후단(P2), 재순환라인(P3), 구동부에서의 압력(P4)을 측정하였다. 온도센서는 Sentech Sen-310 RTD 센서를 사용하였고, 각각 MOV 전단(T1), 후단(T2), 재순환라인에서의 온도(T3)를 측정하였다. 75 mm까지 측정할 수 있고, 오차범위가 ±0.
재순환 유량을 측정하기 위하여 최대 15600 kg/h까지의 유량측정이 가능하고 극저온 유체 적용 시 오차범위가 ±0.35%인 Micro Motion CMF100M 질량유량계(MFM, Mass Flow Meter)와 Micro Motion 1700C 트랜스미터(Transmeter)를 사용하였다.

대상 데이터

Industria F2805 솔레노이드 밸브(SV)를 통하여 구동부에 220 bar의 기체 헬륨을 공급, 제거할 수 있도록 하였다. SV와 구동부 사이의 거리는 실제 한국형발사체 75톤급 엔진과 동일한 조건이 되도록 1.1 m로 구성하였다.

성능/효과

극저온 수명시험 결과에서 20회를 기준으로 닫힘압력, 스프링 상수가 유사한 패턴으로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 극저온 수명시험에서 1, 2차로 나누어 시험을 진행하였고 그 과정에서 극저온 환경에 있던 스프링이 상온 환경에서 12시간 이상 서서히 열을 얻었으므로 일종의 열처리와 유사한 효과로 인해 내부에 쌓여있던 전위가 풀려 스프링의 상수가 변한 현상으로 추측해 볼 수 있으나 보다 확실한 결과를 위하여 극저온 환경에서 스프링의 ductile-brittle transition에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 고려된다.
25 MPa 가량의 오차가 생기는 것을 확인할 수 있다. 또한, 계산값 대비 실제 구동부 압력은 산화제 개폐밸브를 50회 작동하는 동안 0.5 MPa 가량 서서히 증가하는 경향을 보인다는 것을 알 수 있다. 이러한 경향의 원인을 스프링 상수의 변화로 판단하였으며, 실험으로 측정된 p_o값(Po_Ex)과 Eq.
연소기 산화제 개폐밸브의 열림 압력 및 닫힘 압력을 이용하여 스프링 상수 변화를 확인하였으며, 밸브의 작동횟수가 증가함에 따라 스프링 상수값이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 시험을 통해 측정된 연소기 산화제 개페밸브의 닫힘 압력은 계산값보다 상당히 높게 나왔는데 이는 스프링 end-coil effect에 의한 것으로 추정되며, 산화제 개폐밸브의 작동특성 예측 및 성능해석의 정확성과 용이함을 위해 스프링이 최대 압축길이 대비 적절한 압축길이를 갖도록 설계변경이 필요해 보인다.
또한, 내부 힘평형 해석을 통해 극저온 상태에서 산화제 개폐밸브의 열림 압력, 닫힘 압력값을 계산하고 시험 결과값과 비교하였다. 연소기 산화제 개폐밸브의 열림 압력 및 닫힘 압력을 이용하여 스프링 상수 변화를 확인하였으며, 밸브의 작동횟수가 증가함에 따라 스프링 상수값이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 시험을 통해 측정된 연소기 산화제 개페밸브의 닫힘 압력은 계산값보다 상당히 높게 나왔는데 이는 스프링 end-coil effect에 의한 것으로 추정되며, 산화제 개폐밸브의 작동특성 예측 및 성능해석의 정확성과 용이함을 위해 스프링이 최대 압축길이 대비 적절한 압축길이를 갖도록 설계변경이 필요해 보인다.

후속연구

다만, 밸브가 열릴 때보다 k_s값의 변화가 훨씬 도드라져 보이는데 이는 스프링의 end-coil effect에 의한 것으로 추측해 볼 수 있다. 그러나 유사한 상황에서 구체적으로 스프링 특성이 분석되지 않았으므로 스프링의 end-coil effect 및 극저온에서 ductile-brittle transition에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
극저온 수명시험 결과에서 20회를 기준으로 닫힘압력, 스프링 상수가 유사한 패턴으로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 극저온 수명시험에서 1, 2차로 나누어 시험을 진행하였고 그 과정에서 극저온 환경에 있던 스프링이 상온 환경에서 12시간 이상 서서히 열을 얻었으므로 일종의 열처리와 유사한 효과로 인해 내부에 쌓여있던 전위가 풀려 스프링의 상수가 변한 현상으로 추측해 볼 수 있으나 보다 확실한 결과를 위하여 극저온 환경에서 스프링의 ductile-brittle transition에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 고려된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체 추진 로켓 엔진은 어떻게 필요한 추력을 얻는가	액체 추진 로켓 엔진(Liquid propellant rocket engine)은 추진제 탱크로부터 연소실로 공급되는 액체 추진제를 사용하며, 연소실에서 추진제가 반응하여 형성되는 고온의 가스를 초음속 노즐을 통하여 고속으로 방출함으로써 필요한 추력을 얻는다. 액체 로켓 엔진은 추진제를 연소실로 공급하기 위해 가압식(Pressure-fed cycle), 가스발생기식(Gas-generator cycle), 다단연소식(Staged combustion cycle), 팽창식(Expander cycle) 등의 추진제 공급시스템을 필요로 하며, 이러한 공급시스템의 구성품에는 여러 가지 정밀 밸브가 포함된다.
	밸브의 형상 중 포핏 형 밸브의 특징은 무엇인가	밸브의 형상은 일반적으로 버터플라이 형(Butterfly), 볼밸브 형(Ball), 포핏 형(Poppet), 벤추리 형(Venturi), 게이트 형(Gate) 등으로 구분된다. 이중 포핏 형의 밸브는 밸브 내부 운동방향이 구동부와 일직선을 이루고 있어 상대적으로 간단하며 고유량, 고압의 극저온 밸브에 적절하다[1,2]. 한국형발사체에 적용되는 산화제 개폐밸브는 헬륨 구동압력을 이용하여 밸브 개방 후 구동압력 없이도 운용유체 압력만으로 밸브 개폐가 가능한 자체유지타입(Self-sustainable) 포핏 형 밸브이다[3].
	액체 로켓 엔진은 추진제를 연소실로 공급하기 위해 어떠한 추진제 공급 시스템이 필요한가	액체 추진 로켓 엔진(Liquid propellant rocket engine)은 추진제 탱크로부터 연소실로 공급되는 액체 추진제를 사용하며, 연소실에서 추진제가 반응하여 형성되는 고온의 가스를 초음속 노즐을 통하여 고속으로 방출함으로써 필요한 추력을 얻는다. 액체 로켓 엔진은 추진제를 연소실로 공급하기 위해 가압식(Pressure-fed cycle), 가스발생기식(Gas-generator cycle), 다단연소식(Staged combustion cycle), 팽창식(Expander cycle) 등의 추진제 공급시스템을 필요로 하며, 이러한 공급시스템의 구성품에는 여러 가지 정밀 밸브가 포함된다. 이 중 연소기 산화제 개폐밸브(MOV, Main Oxidizer shutoff Valve)는 연소실로의 산화제를 공급 및 제어하며, 고진동, 고압, 극저온의 극한 환경에서도 유량성능, 기밀성능, 적절한 응답속도 및 압력손실 등을 만족하는지가 중요한 설계 변수이다.

참고문헌 (7)

Jeon, J., Hong, M., Kim, H. and Lee, S.Y., "A Study on the Force Balance of a Main Oxidizer shutoff Valve," Journal of the Korean Society of Aeronautical & Space Sciences, Vol. 37, No. 8, pp. 812-818, 2009.

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Dieter, K.H. and David, H.H., Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., Washington DC, W.A., U.S.A., 1992.
Kim, D., Hong, M., Park, J. and Lee, S.Y., "Study for the Development of a Main Oxidizer Shut-off Valve for Liquid Rocket Engines," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 6, pp. 113-119, 2013.
Randal, F.B., Cryogenic systems, 2nd ed., Oxford University Press Inc., New York, N.Y., U.S.A., 1985.
Hong, M., "Specifications of a 75-tonf main oxidizer shutoff valve," L2-SP-00162, KARI-IDMS, 2016.
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William, D.C. Jr., Materials Science and Engineering an Introduction, 7th ed., John Wiley & Sons Inc., New York, N.Y., U.S.A., 2007.

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