[논문]한국형 발사체용 터보펌프 조립체 시험에서의 캐비테이션 불안정성

김대진; 최창호; 김진선

doi:10.20910/jase.2020.14.5.100

초록
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액체로켓엔진용 터보펌프는 작동 조건에서 캐비테이션 불안정성에 노출되며, 이는 터보펌프의 안정성에 영향을 미친다. 이를 확인하기 위해 터보펌프 조립체 시험 중 나타난 캐비테이션 불안정성의 특징을 살펴보았다. 시험 중 산화제펌프는 대표적인 캐비테이션 불안정성인 초조화 선회 캐비테이션과 부착 비대칭 캐비테이션에 노출되었다. 캐비테이션 불안정성이 발생되지 않는 조건에서 작동했던 연료펌프에서도 산화제펌프의 초조화 선회 캐비테이션에 의한 진동이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Turbopumps for liquid rocket engines are exposed to various cavitation instabilities under their operating conditions. The instabilities affect the stability of the turbopumps. To make sure of the stability of the turbopump of KSLV-II, the present work examined the characteristics of the cavitation ...

Turbopumps for liquid rocket engines are exposed to various cavitation instabilities under their operating conditions. The instabilities affect the stability of the turbopumps. To make sure of the stability of the turbopump of KSLV-II, the present work examined the characteristics of the cavitation instabilities during the turbopump assembly test. In the test, the LOx pump was operated under super-synchronous rotating cavitation and attached to uneven cavitation. In the vibration analysis of the fuel pump, the characteristic frequency by the super-synchronous cavitation of the LOx pump was clearly shown.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 LOx Pump Layout [10]
그림 Fig. 2 Schematic Diagram of Turbopump Real-Propellant Test Facility [11]
표 Table 1 Pump Operating Condition
그림 Fig. 3 Cavitation instabilities of LOx Pump in Water Environment (1.1 Qd) [12]
그림 Fig. 4 Cavitation Instabilities of Fuel Pump in Water Environment (0.9 Qd) [13]
그림 Fig. 5 LOx Pump Operating Characteristics during Turbopump Real Propellant Test
그림 Fig. 6 Fuel Pump Operating Characteristics during Turbopump Real Propellant Test
그림 Fig. 7 Spectrum of LOx Pump during Turbopump Real Propellant Test (1.1 Qd)
그림 Fig. 8 Correlation between Dominant Frequencies of LOx Pump during the Turbopump Real Propellant Test at the Higher Cavitation Number Region
그림 Fig. 9 Spectrum of Fuel Pump during the Turbopump Real Propellant Test (0.9 Qd)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 한국형 발사체 1단 엔진용으로 개발 중인 터보펌프의 조립체 실매질 시험에서 계측한 진동 신호를 통해 캐비테이션 불안정성의 전파 양상에 대해 검토하였다.
분석 대상이 되는 실매질 시험은 탈설계점에서의 터보펌프의 성능 검증을 목적으로 하였다(Table 1). 산화제펌프는 고유량 영역에서, 연료펌프는 저유량에서 작동하도록 오리피스를 조절하였다.
특히 한국형 발사체에 사용되는 터보펌프는 산화제펌프와 연료펌프가 연결된 일체형 구조로, 인듀서 캐비테이션 불안정성이 많이 연구되어 온 분리형 터보펌프와 다르다. 이에 본 연구에서는 한국형 발사체 1단 엔진용 터보펌프의 조립체 실매질 시험 중 산화제펌프에서 발생된 캐비테이션 불안정성을 확인하여 조립체 단위에서의 영향을 살펴보고자 한다.

제안 방법

따라서 본 시험에서는 실매질 시험 중 산화제펌프와 연료펌프의 케이싱에 설치된 가속도계 신호를 분석에 사용하였다. 각 펌프의 볼류트 케이싱에 설치된 3축 가속도계(PCB社356A70) 신호 중 x축 방향의 신호(Sensitivity 2.61 pC/g)를 주파수 변환하여 알려진 불안정성 주파수와 비교하였다. 캐비테이션 불안정성 주파수가 회전 주파수 부근에서 나타나기 때문에 계측된 가속도값은 속도로 적분하여 표현하였다.
낮은 입구 압력에서의 성능 유지를 위해 3날 인듀서가 각 펌프의 임펠러 앞에 장착된다. 또한 동력 생성을 위한 터빈은 단단 충동형 방식으로 설계되었다.
터보펌프의 입구와 출구 배관에는 압력, 온도 센서를 설치하여 시험 중 펌프의 성능을 계측한다. 또한 펌프 내부의 압력 분포를 확인할 목적으로 펌프 케이싱에 압력 측정용 포트를 설치하고 시험 설비의 압력 센서와 유도관으로 연결한다. 펌프의 회전수는 연료펌프 인듀서 부근에 비관통형으로 장착된 가변 릴럭턴스 센서로 측정한다.
시험 중 펌프 회전수가 점진적으로 상승하는 반면 추진제 공급 탱크의 가압량을 조절하지 않기 때문에 펌프 입구압력은 시험이 진행되면서 점차 감소한다. 산화제펌프의 입구압력은 시험 종료 직전에 최저 설계요구압력에 수렴하도록, 연료펌프의 입구압력은 엔진 작동압력과 유사하도록 설정하였다. 각 펌프의 단품 시험 결과[12-13]를 참고하면 시험 조건에서 산화제펌프는 초조화 선회 캐비테이션 및 부착-비대칭 캐비테이션 등 두 종류의 캐비테이션 불안정성에 노출되고, 연료펌프는 캐비테이션 불안정성에 노출되지 않는다.
이 주파수의 강도는 초조화 선회 캐비테이션이 강한 시험 초반에 더욱 두드러진다. 시험 구간 중 41초-85초에서 나타난 두 주파수 성분의 특성 주파수의 위치를 Fig. 8로 비교하여 두 주파수 사이의 상관 관계를 유도하였다. 그래프에서 나타나듯이 두 주파수는 선형적인 관계를 이루었는데, 단품 시험의 특성 주파수(Fig.
61 pC/g)를 주파수 변환하여 알려진 불안정성 주파수와 비교하였다. 캐비테이션 불안정성 주파수가 회전 주파수 부근에서 나타나기 때문에 계측된 가속도값은 속도로 적분하여 표현하였다. 이와 같은 분석 방법의 유용성은 김대진 등[10, 12-14]을 통해 검토한 바 있다.
터보펌프의 입구와 출구 배관에는 압력, 온도 센서를 설치하여 시험 중 펌프의 성능을 계측한다. 또한 펌프 내부의 압력 분포를 확인할 목적으로 펌프 케이싱에 압력 측정용 포트를 설치하고 시험 설비의 압력 센서와 유도관으로 연결한다.

대상 데이터

그래서 펌프 운전상태를 감시하기 위해 설치하는 가속도계에서도 캐비테이션 불안정성을 확인할 수 있다[10]. 따라서 본 시험에서는 실매질 시험 중 산화제펌프와 연료펌프의 케이싱에 설치된 가속도계 신호를 분석에 사용하였다. 각 펌프의 볼류트 케이싱에 설치된 3축 가속도계(PCB社356A70) 신호 중 x축 방향의 신호(Sensitivity 2.

성능/효과

부착-비대칭 캐비테이션은 초조화 선회 캐비테이션 이후 발생하였다. 또한 초조화 선회 캐비테이션이 발달한 구간에서 회전수보다 낮은 특성주파수(Fig. 3의 사각형)가 함께 나타났다. 저유량 조건 연료펌프의 가속도계에서는 시험 중 특성주파수가 확인되지 않았다.
산화제펌프가 캐비테이션 불안정성에 노출되었음에도 불구하고 조립체 시험은 성공적으로 종료되었으며, 분해 결과 특이사항이 없었다. 이는 개발된 펌프의 강건성을 입증한 것이다.
6은 실매질 시험 중 산화제펌프와 연료펌프의 회전수, 유량비(펌프의 유량을 설계 유량으로 나눈 값), 양정비(실매질 시험의 양정을 단품 시험의 양정으로 나눈 값), 캐비테이션 수*(보안을 위해 임의의 값으로 나누어 표기) 등 펌프의 주요 성능 지표들을 그린 것이다. 시험 중 회전수는 증가하고 펌프의 입구 압력은 감소하여 펌프의 캐비테이션 수는 시험이 진행될수록 낮아졌다. 펌프의 유량비는 시험 설정값을 충족하였다.
또한 초조화 선회 캐비테이션의 비선형 간섭에 의한 불안정성도 두 시험 모두에서 확인되었다. 실매질 시험의 연료펌프 가속도계에서는 산화제펌프의 초조화 선회 캐비테이션 성분이 뚜렷하게 나타나 선회 캐비테이션에 의한 진동이 연료펌프에 영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 반면 산화제펌프의 부착-비대칭 캐비테이션은 연료펌프 가속도계에서 드러나지 않았다.
이를 보완하기 위해 액체로켓엔진용 펌프에서는 축류형 날개인 인듀서를 추가하여 캐비테이션을 최소화한다. 인듀서의 사용으로 터보펌프는 낮은 압력에서도 요구 성능을 만족할 수 있게 되었지만, 캐비테이션 불안정성이라는 또 다른 안정성 문제가 확인되었다. 캐비테이션 불안정성은 펌프 설계점에서도 발생되며 예기치 않은 사고로 이어질 수 있기 때문에 지난 수십년간 발사체용 터보펌프를 개발하는 많은 나라들에서 다양한 연구를 계속해 오고 있다[3-9].
3의 원)이 탁월주파수로 관찰되었다. 초조화 선회 캐비테이션은 캐비테이션 수가 작아질수록 특성주파수가 작아졌으며, 신호의 크기는 증가하다가 감소하였다. 부착-비대칭 캐비테이션은 초조화 선회 캐비테이션 이후 발생하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원심펌프의 회전수를 높이는 경우 어떤 문제가 발생하는가?	그러나 원심펌프의 회전수를 높이면 펌프의 캐비테이션이 발달하여 펌프의 성능 감소나 안정성 저하가 우려된다. 산업용 펌프의 경우 펌프 입구 압력을 충분히 높이면 캐비테이션을 방지할 수 있다.
	한국형 발사체에 사용되는 엔진들의 특징은 무엇인가?	3단은 진공 추력 7톤급 엔진 1기를 사용한다. 이 엔진은 모두 액체산소와 케로신을 작동 유체로 하는 가스발생기 방식의 액체로켓엔진이며, 이전에 한국항공우주연구원에서 개발했던 KSR-III의 엔진과 달리 터보펌프를 사용하여 추진제를 가압한다. 터보펌프에 많이 적용되는 원심펌프는 회전수의 제곱에 비례하여 토출 압력이 증가한다.
	액체로켓엔진용 터보펌프의 문제점은 무엇인가?	액체로켓엔진용 터보펌프는 작동 조건에서 캐비테이션 불안정성에 노출되며, 이는 터보펌프의 안정성에 영향을 미친다. 이를 확인하기 위해 터보펌프 조립체 시험 중 나타난 캐비테이션 불안정성의 특징을 살펴보았다.

참고문헌 (15)

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C. Choi, D. Kim, B. Kang, H. Lee, H. Kwak, J. Kim, S. Yoon, S. Jeon and S. Heo, "Introduction of Turbopump for 75-ton Thrust Class Engine," Proc. of SASE 2019 Fall Conference, Changwon, Korea, pp. 78-79, Nov. 2019.
Y. Tsujimoto, Y. Yoshida, Y. Maekawa, S. Watanabe and T. Hashimoto, "Observations of Oscillating Cavitation of an Inducer," ASME Journal of Fluids Engineering, vol. 119, no. 4, pp. 775-781, April 1997.
T. Hashimoto, M. Yoshida, M. Watanabe, K. Kamijo and Y. Tsujimoto, "Experimental Study of Rotating Cavitation of Rocket Propellant Pump Inducers," AIAA Journal of Propulsion and Power, vol. 13, no. 4, pp. 488-494, Dec. 1997.
T. Zoladz, "Observations on Rotating Cavitation and Cavitation Surge From the Development of the FASTRAC Engine Turbopump," Proc. of the 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Las Vegas, N.V., U.S.A., AIAA-2000-3403, July 2000.
S. Kobayashi, "Effects of Shaft Vibration on Occurrence of Asymmetric Cavitation in Inducer," JSME International Journal, Series B, vol. 49, no. 4, pp. 1220-1225, 2006.

상세보기
Y. Yoshida, M. Eguchi, T. Motomura, M. Uchiumi, H. Kure and Y. Maruta, "Rotordynamic Forces Acting on Three-Bladed Inducer Under Supersynchronous/Synchronous Rotating Cavitation," ASME Journal of Fluids Engineering, vol. 132, no. 6, Paper 061105. June 2010.
L. Torre, A. Cervone, A. Pasini and L. d'Agostino, "Experimental Characterization of Thermal Cavitation Effects on Space Rocket Axial Inducers," ASME Journal of Fluids Engineering, vol. 133, no. 11, Paper 111303, Nov. 2011.
O. Coutier-Delgosha, G. Caignaert, G. Bois and J.-B. Leroux, "Influence of the Blade Number on Inducer Cavitating Behavior," ASME Journal of Fluids Engineering, vol. 134, no. 8, Paper 081304, Aug. 2012.
D. Kim, H. Sung, C. Choi and J. Kim, "Cavitation Instabilities During the Development Testing of a Liquid Oxygen Pump," AIAA Journal of Propulsion and Power, vol. 33, no. 1, pp. 187-192, 2017.
J. Kim, Y. Han and Y. Ko, "Construction and Validation Test of Turbopump Real-propellant Test Facility," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, vol. 19, no. 4, pp. 85-93, Aug. 2015.

원문보기 상세보기
D. Kim, C. Choi and J. Kim, "Cavitation Instabilities of LOX Pump for KSLV-II," Proc. of 2016 Summer Conference of Korean Society for Fluid Machinery, Busan, Korea, July 2016.
D. Kim, C. Choi and J. Kim, "Cavitation Instabilities of Fuel Pump for KSLV-II," Proc. of 2016 Summer Conference of Korean Society for Fluid Machinery, Busan, Korea, July 2016.
D. Kim, H. Sung, C. Choi and J. Kim, "Cavitation Instabilities of an Inducer in a Cryogenic Pump," Acta Astronautica, vol. 132, pp. 19-24, 2017.

상세보기
D. Kim and C. Choi, "Measurement of Cavitation Instability of Inducer," Proc. of SASE 2016 Fall Conference, Muju, Korea, Nov. 2016.

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