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밸브 입구 압력 변화에 따른 연소기 산화제 개폐밸브 열림 특성
Opening Characteristics of a Main Oxidizer Shut-off Valve at Different Valve Inlet Pressures 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.10, 2020년, pp.801 - 807  

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

초록
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밸브 입구 압력 변화에 따른 액체로켓엔진용 연소기 산화제 개폐밸브의 개방 특성에 대해 시험을 통한 연구를 수행하였다. 연소기 산화제 개폐밸브의 포핏 방식 밸브 특성에 의해 밸브 입구 압력이 상승함에 따라 밸브 개방에 필요한 구동압력은 선형적으로 증가하며, 밸브 행정 시간은 감소하게 된다. 하지만 밸브 입구 압력 상승으로 밸브 개방 구동압력 도달까지의 시간이 길어져 전체적인 밸브 개방 시간이 증가하는 것으로 나타났다. 결국 밸브 입구 압력이 증가할수록 밸브 행정 시간의 감소량은 미미해지며 밸브 개방에 필요한 구동압력에 도달하는데 필요한 시간이 밸브 개방 시간을 좌우한다는 것을 확인하였다. 따라서 밸브 구동부에 대한 설계를 통해 밸브 개방 시점의 밸브 입구 압력과 연소기로의 순간적인 산화제 공급량을 조정할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Opening characteristics of a main oxidizer shut-off valve at different valve inlet pressures have been experimentally investigated. The pilot pressure at the moment of the valve opening increases linearly with increasing the valve inlet pressure and the increased pilot pressure reduces the valve tra...

주제어

#연소기 산화제 개폐밸브   #밸브 개방 특성   #밸브 개방 시간   #밸브 행정 시간   #엔진 시동  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 밸브 입구 압력 변화에 따른 밸브 개방 특성에 대한 시험 방법을 정리하기에 앞서 밸브 입구 압력 변화에 의해 영향을 받을 수밖에 없는 밸브 작동 특성에 대해 간단히 소개하기로 하자. 정상 닫힘 상태일 때와 밸브 행정 30mm 이동 후 밸브가 완전 개방되었을 때의 밸브 단면은 Fig.
  • 이러한 밸브 입구 압력 변화에 따른 연소기 산화제 개폐밸브 개방 특성에 대한 정확한 이해는 신뢰성 높은 엔진 시동 설계에 필요한 가장 기본적인 요소라고 볼 수 있다. 이에 극저온 유체를 이용한 밸브 개방 시험을 통해, 밸브 개방 구동압력과 밸브 개방 시간에 대한 밸브 입구 압력의 영향을 확인해 보도록 한다.
  • 9 MPaG인 특정한 한 가지 경우로 제한되었다. 이에 본 논문에서는 연소기 산화제 개폐밸브의 개방 특성에 대한 추가적인 연구의 일환으로써 밸브 입구 압력 변화에 따른 밸브의 개방 특성에 대한 연구 내용을 소개하도록 한다. 우선 2절에서는 밸브 작동에서의 밸브 입구 압력의 영향을 이해하기 위해 연소기 산화제 개폐밸브의 작동 원리에 대한 간단한 설명과 함께 시험 방법 및 시험 설비에 대한 내용을 정리하도록 한다.
  • 액체로켓엔진의 신뢰성 높고 안정된 점화 시동 구현을 위해서는 추진제를 공급하는 개폐밸브들의 개방 특성에 대한 이해가 필수적이다. 이에 한국형발사체용 연소기 산화제 개폐밸브에 대해 밸브 입구 압력 변화에 따른 밸브 개방 특성에 대한 정량적인 분석 내용을 본 논문에서 소개하였다.
  • 우선 2절에서는 밸브 작동에서의 밸브 입구 압력의 영향을 이해하기 위해 연소기 산화제 개폐밸브의 작동 원리에 대한 간단한 설명과 함께 시험 방법 및 시험 설비에 대한 내용을 정리하도록 한다. 이후 3절에서는 밸브 입구 압력 상승에 따른 밸브 개방 구동압력과 밸브 개방 시간 변화 등 밸브 개방 특성 변화에 대한 시험 결과와 이에 대한 검토 내용을 소개하도록 한다.

가설 설정

  • 5mm에서 밸브의 완전 개방에 필요한 행정 길이인 30mm까지 도달하는데 소요되는 행정 시간과 밸브 입구 압력이 이러한 반비례 관계와 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 밸브 입구 압력에 의한 시트 변형에 따른 포핏과의 간섭 등 포핏과 시트 접촉과 변형에 의한 영향을 제외하기 위해 밸브 무빙파트가 본격적으로 개방되기 시작하는 지점을 l=0.4mm 대신에 l=2.5 mm로 가정하기로 하며, 이는 tt가 밸브 총 행정의 92%를 이동하는데 소요되는 시간을 의미한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
액체로켓엔진은 고체로켓모터와 어떠한 점이 다른가? 충전된 추진제가 수동적으로 연소되는 고체로켓모터에 비해, 액체로켓엔진은 추진제를 능동적으로 공급 및 차단하기 때문에 상대적으로 복잡한 점화 과정을 통해 엔진 시동이 이뤄진다. 한국형발사체의 가스발생기 사이클 액체로켓엔진 경우에 있어서도 터빈을 구동하는 가스발생기와 엔진의 추력을 발생시키는 연소기에서 추진제의 점화 및 연소가 이뤄지며, 다양한 요소들이 액체로켓엔진의 점화 및 시동 특성에 영향을 미친다.
포핏 방식 밸브 특성은 연소기 산화제 개폐밸브에 어떤 영향을 미치는가? 밸브 입구 압력 변화에 따른 액체로켓엔진용 연소기 산화제 개폐밸브의 개방 특성에 대해 시험을 통한 연구를 수행하였다. 연소기 산화제 개폐밸브의 포핏 방식 밸브 특성에 의해 밸브 입구 압력이 상승함에 따라 밸브 개방에 필요한 구동압력은 선형적으로 증가하며, 밸브 행정 시간은 감소하게 된다. 하지만 밸브 입구 압력 상승으로 밸브 개방 구동압력 도달까지의 시간이 길어져 전체적인 밸브 개방 시간이 증가하는 것으로 나타났다. 결국 밸브 입구 압력이 증가할수록 밸브 행정 시간의 감소량은 미미해지며 밸브 개방에 필요한 구동압력에 도달하는데 필요한 시간이 밸브 개방 시간을 좌우한다는 것을 확인하였다.
한국형발사체 개발 과정에서 포핏방식의 다양한 밸브들에 대한 작동특성 연구는 어떤것들이 있었나? 한국형발사체 개발 과정에서 포핏 방식의 다양한 밸브들에 대한 작동 특성에 대한 연구가 진행되었다. 유공압 해석용 상용코드인 AMESim을 이용하여, 가스발생기용 연료 개폐밸브와 연료 차단밸브의 작동 속도 등 다양한 설계 변수에 따른 밸브 작동 특성 변화에 대한 해석 결과를 제시하였다[4,5]. 시험결과와의 비교를 통해 검증된 해석 결과는 밸브 최적화 설계에 활용되었다. 또 다른 포핏 방식의 밸브인 산화제 벤트릴리프 밸브의 경우, 정적인 힘평형 방정식과 주요 캐비티(Cavity) 간의 압력차에 의한 질유량 관계식을 이용하여 밸브의 크래킹 압력(Cracking pressure)과 최종 작동 평형 상태를 예측 하였다[6]. 한편 포핏 밸브의 작동 특성과 관련하여 흥미로운 것은 단순 개폐 기능에서 유량제어가 가능하도록 밸브 활용성이 확장되고 있다는 점이다[7]. 자체개방유지형 포핏 방식 밸브의 개방 특성을 파악하기 위해 밸브 개방 과정에서의 과도 응답 특성에 대한 연구가 이미 수행된 바가 있다[3]. 그러나 해당 연구 내용은 운용유체 압력이 없는 경우(상온 작동)와 밸브 입구 압력이 0.9 MPaG인 특정한 한 가지 경우로 제한되었다. 이에 본 논문에서는 연소기 산화제 개폐밸브의 개방 특성에 대한 추가적인 연구의 일환으로써 밸브 입구 압력 변화에 따른 밸브의 개방 특성에 대한 연구 내용을 소개하도록 한다.
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참고문헌 (10)

  1. Lee, K. J. et al., "A Review on the Factors Influencing the Stable Startup of a Liquid Rocket Engine," Proceeding of the Korean Society for Propulsion Engineers Spring Conference, May 2019, pp. 566-568. 

  2. Kim, D. H., Hong, M. G., Park, J. S. and Lee, S. Y., "Study for the Development of a Main Oxidizer Shut-off Valve for Liquid Rocket Engines," Journal of the Korean Society for Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 6, 2013, pp. 113-119. 

  3. Hong, M. G., "Opening Characteristics of a Main Oxidizer Shut-off Valve," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 45, No. 11, 2017, pp. 989-997. 

    원문보기 상세보기 crossref

  4. Lee, J. Y. and Huh, H. I., "Dynamic Characteristics of Fuel Shutoff Valve of a Gas Generator," Journal of the Korean Society for Propulsion Engineers, Vol. 14, No. 4, 2010, pp. 1-9. 

  5. Jang, J. S. and Kil, G. S., "Analysis of Operation Characteristics of Fuel Isolation Valve," Proceeding of the Korean Society for Propulsion Engineers Fall Conference, December 2016, pp. 1047-1052. 

  6. Koh, H. S., "Analysis of Relief Mode Characteristics for Oxidizer Vent Relief Valve Using Force Balance Equation," Proceeding of the Korean Society for Propulsion Engineers Fall Conference, December 2014, pp. 824-829. 

  7. Muller, M. T. and Fales, R. C., "Design and Analysis of a Two-Stage Poppet Valve for Flow Control," International Journal of Fluid Power, Vol. 9, No. 1, 2008, pp. 17-26. 

    상세보기 crossref

  8. Hong, M. G., "Improvement of a Flow Coefficient for the Recirculation Chill-down Flow in a Main Oxidizer Shut-off Valve," Journal of the Korean Society for Propulsion Engineers, Vol. 21, No. 4, 2017, pp. 89-95. 

    원문보기 상세보기 crossref

  9. Hong, M. G. and Kim, K., "Analysis on the Elastic Force of the Seat to the Poppet of a Main Oxidizer Shut-off Valve," KARI-IDMS, KARI-LPCELN-2019-014, 2019. 

  10. Jeong, D. S., Study on the Performance Characteristics of a Main Oxidizer Shut-off Valve for Liquid Rocket Engines, M.S. Thesis, University of Science and Technology, 2018. 

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