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연소기 산화제 개폐밸브 재순환예냉 유로의 유량계수 개선
Improvement of a Flow Coefficient for the Recirculation Chill-down Flow in a Main Oxidizer Shut-off Valve 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.21 no.4, 2017년, pp.89 - 95  

홍문근 (Launcher Propulsion Control Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 논문에서 극저온 추진제를 사용하는 액체추진기관의 재순환예냉 시스템 설계의 유연성을 확보하기 위한 연소기 산화제 개폐밸브 재순환예냉 유로의 유량계수 개선 내용을 소개하였다. 밸브의 재순환 예냉 출구 포트 크기와 밸브 내부 유로 형상 변경에 의한 재순환예냉 유로의 유량계수 값을 예측하기 위해서 기존 밸브에서 측정한 재순환예냉 유로의 유량계수 값들을 활용하였으며, 액체질소를 운용유체로 사용하여 측정한 유량계수와 예측값과의 비교를 통해 밸브 내부 형상 변경에 의한 유량계수 개선정도를 확인하였다. 연소기 산화제 개폐밸브의 재순환예냉 유로의 유량계수는 기존 밸브에 비해 2배가량 향상되었으며, 결과적으로 연소기 산화제 개폐밸브에 할당되었던 설계 요구 차압의 75%가량을 재순환예냉 시스템에서 추가적으로 소요될 수 있는 잠재적인 차압과 재순환예냉 시스템의 다른 구성품의 추가 차압으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The improvement of a flow coefficient for the recirculation chill-down flow in a main oxidizer shut-off valve has been presented. The flow coefficient, which is mainly affected by the recirculation outlet port size and the configuration inside the valve, has been predicted with measured flow coeffic...

주제어

#연소기 산화제 개폐밸브   #재순환예냉 시스템   #유량계수   #액체로켓엔진  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 극저온 추진제를 사용하는 액체추진기관의 예냉 시스템 설계의 유연성을 확보하기 위한 연소기 산화제 개폐밸브 재순환예냉 유로의 유량계수 개선 내용을 소개하였다. 추가적인 전산수치서 측정한 재순환예냉 유로의 유량계수 값들로부터 재순환예냉 포트 크기와 밸브 내부 유로해석없이 간단한 수식을 활용하여, 기존 밸브에형상 변경에 의한 재순환예냉 유로의 유량계수 값을 예측하였으며, 액체질소를 사용한 극저온환경에서 유량계수를 측정하여 예측값과의 비교를 통해 밸브 내부 형상 변경에 의한 유량계수 개선 정도를 확인하였다.
  • 본 논문에서는 재순환예냉 유로의 유량계수에 초점을 맞춰 관련 연구내용과 설계 방향에 대한 내용을 소개하기로 한다. 우선 2절에서는 재순환 예냉 유로의 전반적인 특성 및 유량계수관련 설계 내용을 소개하며, 3절에서는 연소기 산화제 개폐밸브 재순환예냉 유로의 유량계수 개선에 대한 내용을 다루기로 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
개폐밸브의 역할은 무엇인가? 발사체용 액체추진기관에는 연소기 및 가스발생기 혹은 예연소기 내에서의 연소 및 연소 중단을 위해 산화제와 연료의 공급과 차단이 원활히 이루어져야 하며, 다양한 종류의 개폐밸브가 추진제 공급과 차단 역할을 수행한다. 이러한 개폐밸브들은 상당한 고압 환경에서 작동되어지는 공통점은 있지만, 극저온 환경과 함께 고유량 조건에서 운용된다는 점에서 추진제 공급시스템에 설치되는 여러 개폐밸브 중에서도 연소기 산화제 개폐밸브의 역할이 매우 중요하다고 볼 수있다[1-4].
엔진 및 산화제 공급시스템에 수격 및 geyser 현상이 발생하는 것을 피하기 위해 어떤 시스템을 이용하는가? 외부로부터 전달되는 열과 압력 조건에 의해 공급시스템 내부에서 산화제가 끓는점 이상으로 온도가 상승하여 기화될 수 있으며, 기화 된 기포에 의해 엔진 및 산화제 공급시스템에 수격 및 geyser 현상이 발생할 수 있다[5]. 이와 같은 위험한 상황을 피하기 위해 재순환예냉 시스템을 이용한 지속적인 액체산소의 순환 공급을 통해 액체추진기관의 연소기 산화제 개폐밸브 전단까지의 산화제 공급시스템 내부를 예냉하게 된다. 재순환예냉 시스템은 Fig.
연소기 산화제 개폐밸브는 어떤 방식의 밸브인가? 더욱이 대부분의 개폐밸브들이 단순히 개방과 닫힘 작동을 통해 추진제의 공급과 차단이 이뤄지는 방식인데 비하여, 연소기 산화제 개폐밸브는 엔진 시동 점화 이전에 산화제 공급시스템의 예냉을 수행하기 위해 연소기로 통하는 밸브 출구 배관 이외에 재순환예냉 유로를 갖추어야 한다. 결국 연소기 산화제 개폐밸브는 두 방향 출구를 가지는, 일종의 3방향(3-way) 방식의 밸브라고 볼 수 있다. 발사체용 밸브는 무게와 크기 조건이 엄격히 제한되기 때문에 각 유로로 충분한 유량을 확보하면서도 동시에 밸브의 크기와 무게를 최소화하여 설계하여야 한다.
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참고문헌 (8)

  1. 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. 

    원문보기 상세보기 crossref

  2. Park, H., Bae, Y., Jang, K., Lee, S., Hong, M. and Lee, S.Y., "Development of a Main Oxidizer Shut-off Valve for Liquid Rocket Engine," 60th International Astronautical Congress, Daejeon, Korea, Oct. 2009. 

  3. Lee, H. and Hong, M., "On the Valve Travel of a Main Oxidizer Shut-off Valve," 5th International Symposium on Fluid Machinery and Fluids Engineering, Jeju, Korea, Oct. 2012. 

  4. 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. 

  5. Filina, N.N. and Wesend II, J, G., Cryogenic two-phase flow: Applications to large-scale systems, Cambridge University Press, 2010. 

  6. Hong. M., "On the Discharge Coefficient, Cd," KARI-PCT-TM-2006-016, 2006. 

  7. Hong, M., "Study on the Improvement in Cv of a Main Oxidizer shut-off Valve," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 8, No. 2, pp. 140-148, 2009. 

  8. Hong. M., "02. Report on Specifications (Main Oxidizer Shut-off Valve for KRE-075-002G engine)," KARI-IDMS, L2-ES- 00466, 2016. 

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