국내 최초로 개발된 액체로켓엔진용 연료 과농 가스발생기는 900 K 정도의 온도를 갖는 58 bar 수준의 고압가스를 초당 4 kg이상 발생시킬 수 있다. 고압가스는 터보펌프터빈을 안정적으로 구동할 수 있으며, 추진제 공급탱크 가압에 필요한 열원으로 사용될 수 있다. 본 가스발생기는 개념설계 및 일련의 초기 개발시험을 거쳐 최종 형상이 결정되었으며, 구조 및 열 해석이 동시에 진행되었다. 제작은 정밀 기계가공과 표면처리, 특수용접 공정을 통해 이루어졌으며, 최종 개발 성능 및 기능 특성 확인을 위해 총 다섯 차례의 연소시험이 진행되었다. 시험결과를 통해 안정적인 점화 및 연소특성과 발생 연소가스의 온도분포 및 평균온도 특성이 개발 요구규격을 본 개발품이 만족하는 것으로 판단하였다.
국내 최초로 개발된 액체로켓엔진용 연료 과농 가스발생기는 900 K 정도의 온도를 갖는 58 bar 수준의 고압가스를 초당 4 kg이상 발생시킬 수 있다. 고압가스는 터보펌프 터빈을 안정적으로 구동할 수 있으며, 추진제 공급탱크 가압에 필요한 열원으로 사용될 수 있다. 본 가스발생기는 개념설계 및 일련의 초기 개발시험을 거쳐 최종 형상이 결정되었으며, 구조 및 열 해석이 동시에 진행되었다. 제작은 정밀 기계가공과 표면처리, 특수용접 공정을 통해 이루어졌으며, 최종 개발 성능 및 기능 특성 확인을 위해 총 다섯 차례의 연소시험이 진행되었다. 시험결과를 통해 안정적인 점화 및 연소특성과 발생 연소가스의 온도분포 및 평균온도 특성이 개발 요구규격을 본 개발품이 만족하는 것으로 판단하였다.
A liquid rocket fuel-rich gas generator developed for the first time in the country can produce combustion gas over the rate of 4 kg/s at 900 K and 58 bar. The gas can be used not only for driving a turbopump but also for providing heat source for propellant supply tanks. The final design of the gas...
A liquid rocket fuel-rich gas generator developed for the first time in the country can produce combustion gas over the rate of 4 kg/s at 900 K and 58 bar. The gas can be used not only for driving a turbopump but also for providing heat source for propellant supply tanks. The final design of the gas generator has been fixed based on the concept and preliminary development tests, and was validated through structure and heat transfer analysis. The manufacturing involves precision machining, special surface finish, and welding techniques. The final assessment on the characteristics of ignition and combustion had been carried out through five combustion tests. This concluded that the present product satisfies the development requirements.
A liquid rocket fuel-rich gas generator developed for the first time in the country can produce combustion gas over the rate of 4 kg/s at 900 K and 58 bar. The gas can be used not only for driving a turbopump but also for providing heat source for propellant supply tanks. The final design of the gas generator has been fixed based on the concept and preliminary development tests, and was validated through structure and heat transfer analysis. The manufacturing involves precision machining, special surface finish, and welding techniques. The final assessment on the characteristics of ignition and combustion had been carried out through five combustion tests. This concluded that the present product satisfies the development requirements.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이와 같은 가스를 생성하기 위해서 연료나 산화제의 한쪽이 과농한 상태에서 연소 반응을 일으키는 방법을 사용하게 되며, 연료 과농 가스발생기가 산화제 과농 가스발생기에 비해 하드웨어 재료 선택이나 취급이 용이하여 주로 개방형 사이클 액체 로켓 엔진에 적용된다. 본 논문에서는 추력 30톤급 액체로켓 엔진에 장착되는 터보 펌프를 구동하는데 사용될 수 있는 연료 과농 가스발생기의 개념 설계부터 제작, 시험에 이르기까지 전반적인 개발 내용을 국내 최초로 수록하고자 한다.
터빈 블레이드는 고온의 가스에 직접 노출되어 작동을 하므로 가스발생기의 생성 가스 온도분포가 좀 더 균일하게 이루어지도록 해야 한다. 본문에서는 이와 같은 개발 요구사항을 만족하는 가스발생기의 개발을 위해서 초기 개념설계에서부터 연소 시험까지 단계별로 밟았던 개발 과정을 소개하고자 한다.
제안 방법
점화기는 연소실 측면에 장착되도록 하였다. 가스 발생기의 연소 가스 출구는 터보 펌프의 터빈 매니폴드와 결합되도록 플랜지 형태를 지니도록 하였다. 본 가스발생기의 연소시험 시에 필요한 정보 획득을 위해 정압, 동압, 온도, 가속도등을 측정할 수 있도록 하였다.
연료 온도 상승 등을 감안한 냉각 채널 치수를 결정하기 위해 열 해석 및 압력 손실 계산을 수행하였다. 냉각 채널에서의 연료 유속을 10 m/s 이상으로 유지하는 선제 조건으로 냉각 채널의 기본 규격을 설정하였다. 채널의 개수는 126개, 높이는 2 mm, 폭은 1.
3 근처의 연료과농 조건에서 작동하며, 900 K 정도의 온도를 갖는 58 bar 수준의 고압가스를 초당 4 kg이상 발생시킬 수 있다. 본 가스발생기는 개념 설정 및 설계에 필요한 초기개발시험을 거쳐 최종 형상이 결정되었으며, 구조 및 열해석이 본 형상에 대해 진행되었다. 여러 가지 공정을 통해 제작이 성공적으로 이루어졌으며, 최종 개발 성능 및 기능 특성 확인을 위해 총 다섯 차례의 연소시험이 진행되었다.
가스 발생기의 연소 가스 출구는 터보 펌프의 터빈 매니폴드와 결합되도록 플랜지 형태를 지니도록 하였다. 본 가스발생기의 연소시험 시에 필요한 정보 획득을 위해 정압, 동압, 온도, 가속도등을 측정할 수 있도록 하였다. 개념 및 형상 설계에 따른 실제 제작한 가스 발생기의 단면 모습을 Fig.
가스발생기의 전반적인 기능 및 형상을 결정짓는 개념 설계내용을 Table 1에 나타내었다. 본 가스발생기의 추진제 공급 방식을 살펴보면 연료는 연소실 실린더 부 끝단 즉축소부 전단에 위치한 연료 링에서 재생냉각 채널로 유입되도록 하였다. 산화제는 분사기 헤드 축 중심으로 유입되어 최소한의 공간을 갖는 매니폴드 내에서 균일한 유량 분포가 이루어지도록 하였다.
방식을 적용하였다. 본 방식에서는 연소실 냉각을 위한 냉각 채널이 가스발생기의 축 방향으로 형성되어 벽면을 구성하는 형상을 갖도록 하였다. 가스발생기의 작동온도는 연소기에 비해 상대적으로 낮은 수준으로 연소실 내벽과 외벽 제작에 모두 Stainless Steel 계열 재료를 적용하였다.
및 기능을 좌우하는 핵심 요소가 된다. 본 설계에서는 일련의 선행 개발과정을 통해 선정된 이중 와류 동축형 분사기를 채택하였다[1, 2], 동축형 분사기는 충돌형 분사기에 비해 가스발생기 당 분사기 개수 대비 혼합비 분포 즉 온도분포 특성이 좀 더 균일하다. 가스발생기의 전체적인 형상은 원통형의 연소실과 원추형의 분사기 헤드 그리고 터보 펌프 터빈과 연결되는 축소 부로 이루어진다.
본 가스발생기는 개념 설정 및 설계에 필요한 초기개발시험을 거쳐 최종 형상이 결정되었으며, 구조 및 열해석이 본 형상에 대해 진행되었다. 여러 가지 공정을 통해 제작이 성공적으로 이루어졌으며, 최종 개발 성능 및 기능 특성 확인을 위해 총 다섯 차례의 연소시험이 진행되었다. 시험 결과를 통해 본가스발생기가 안정적인 점화 및 연소 특성과 발생 연소가스의 온도분포 및 평균 온도 특성이 개발 요구 규격을 만족하는 것으로 판단하였다.
가스발생기의 작동온도는 연소기에 비해 상대적으로 낮은 수준으로 연소실 내벽과 외벽 제작에 모두 Stainless Steel 계열 재료를 적용하였다. 연료 온도 상승 등을 감안한 냉각 채널 치수를 결정하기 위해 열 해석 및 압력 손실 계산을 수행하였다. 냉각 채널에서의 연료 유속을 10 m/s 이상으로 유지하는 선제 조건으로 냉각 채널의 기본 규격을 설정하였다.
대상 데이터
냉각 채널에서의 연료 유속을 10 m/s 이상으로 유지하는 선제 조건으로 냉각 채널의 기본 규격을 설정하였다. 채널의 개수는 126개, 높이는 2 mm, 폭은 1.5 mmz 연소실과 채널사이의 벽두께는 1 mm로 설정하였다. 이와 같은 조건에서 열 해석 결과를 Table 2에 나타내었다.
이론/모형
MENTAT이라는 Preprocessor 를 사용하였다. 해석 결과로 최대 유효 변형률(Max.
언급한 바와 같이 본 가스발생기는 연소실을 연료로 냉각시키는 재생냉각 (Regenerative Cooling) 방식을 적용하였다. 본 방식에서는 연소실 냉각을 위한 냉각 채널이 가스발생기의 축 방향으로 형성되어 벽면을 구성하는 형상을 갖도록 하였다.
성능/효과
145%로 나타났다. 또한 이 외피 부의 소성 변형률은 0(zero)으로 탄성 영역 내에서 작동하고 있으므로 본 구조 해석 결과로부터 가스발생기의 재생냉각 챔버가 구조적으로 안정함을 확인하였다.
여러 가지 공정을 통해 제작이 성공적으로 이루어졌으며, 최종 개발 성능 및 기능 특성 확인을 위해 총 다섯 차례의 연소시험이 진행되었다. 시험 결과를 통해 본가스발생기가 안정적인 점화 및 연소 특성과 발생 연소가스의 온도분포 및 평균 온도 특성이 개발 요구 규격을 만족하는 것으로 판단하였다.
이와 같은 조건에서 열 해석 결과를 Table 2에 나타내었다. 연소 가스 온도를 1063 K으로 가정한 상태에서 냉각 채널 벽면의 최대 온도는 507 K로 구리 합금 채널에서 탄화수소연료의 coking 온도인 560 K보다 낮으며, Ibar정도의 압력 손실로 연소실 냉각은 문제가 없는 것으로 판단되었다.
연소시험은 총 5회가 실시되었으며 온도와신호 값은 유량의 신호값은 1kHz로 동압 및 가속도는 50kHz의 Sampling Rate로 측정되었다. 가스발생기 출구에서 여섯 개의 열전대를 이용온도 결과를한 연소 가스 온도결과를 Fig.
09%로 냉각 채널에서 많은 소성변형이 발생하였음을 알 수 있다. 이와 같은 소성 변형은 재생냉각 챔버의 기하학적인 특성에 의하여 나타나는 현상으로 실제 재생냉각 챔버의 내압을 견딜 수 있도록 하는 냉각 챔버 외피부의 Node5와 Node6에서의 최대 유효변형률은 0.142%와 0.145%로 나타났다. 또한 이 외피 부의 소성 변형률은 0(zero)으로 탄성 영역 내에서 작동하고 있으므로 본 구조 해석 결과로부터 가스발생기의 재생냉각 챔버가 구조적으로 안정함을 확인하였다.
를 사용하였다. 해석 결과로 최대 유효 변형률(Max. Effective Strain)은 Fig. 2에서 나타낸 Node 1에서 1.46%로 나타났다. 이 Node 1에서 유효소성변 형률(Effective Plastic Strain)은 1.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.