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문제 정의
- 본 연구에서는 가스발생기 재생냉각 챔버의 구조해석을 위하여 사용 재료에 대해서 상온 및 고온 인장시험, 그리고 물리적 특성 시험을 수행하여 필요한 데이터를 확보하고 이 데이터들을 이용하여 탄-소성 구조해석을 수행하였다.
가설 설정
- 5 sec 까지는 연료가 재생냉각 채널을 통해 유동하는 시간으로 이 시간 동안에는 연소가 일어나지 않는다. 연소가 시작되는 0.5 sec에서 0.8 sec 까지는 천이구간(transient period)으로 이 구간에서 경계조건들은 선형적으로 변화한다고 가정하였다(5~8).
제안 방법
- 가스발생기 재생냉각 챔버 구조해석은 냉각 채널의 크기가 서로 다른 4가지 형상에 대하여 수행하였다. 냉각 채널의 두께와 높이는 모두 동일 하나 냉각 채널의 리브와 폭이 서로 다른 형상이다.
- 가스발생기 재생냉각 챔버 제작 재료인 STS316L의 열/구조해석에 필요한 비열, 열전도계수 그리고 열팽창계수를 얻기 위하여 물리적 특성 시험을 수행하였다. 비열 및 열전도도 측정 시험은 LFA 427 장비를 사용하여 KS L 1604-2002 규격에 따라 레이저 플래시 법으로 측정하였으며 열팽창계수는 Linseis L76 장비를 사용하여 측정하였다.
- 가스발생기 재생냉각 챔버에 대하여 탄-소성 구조해석을 수행하였다. 설계점 작동조건에서 4가지 형상의 챔버에 대하여 수행하였으며 연소압력과 가스온도가 가장 높은 탈설계점에서 또한 4가지 재생냉각 챔버 형상에 대하여 탄-소성 구조 해석을 수행하였다.
- 가스발생기 재생냉각 챔버에 대한 구조해석을 수행하였다. 고온의 열하중과 압력을 받는 챔버의 탄-소성 구조해석을 하기 위하여 가스발생기 챔버 제작 재료인 STS316L 재료에 대하여 상온및 고온에서 인장시험을 수행하였으며 물리적 특성 시험을 통하여 비열, 열팽창률, 그리고 열전도도 데이터를 획득하였다.
- 가스발생기의 제작에 사용할 STS316L의 기계적인 물성 값을 얻기 위하여 상온 및 고온에서 인장 시험을 수행하였다. STS316L 재료는 가스발생기의 헤드부와 재생냉각 챔버의 내측 구조물의 설계 및 제작에 사용하고 STS329J1은 재생냉각 챔버의 외피 구조물에 사용한다.
- 가스발생기 재생냉각 챔버에 대한 구조해석을 수행하였다. 고온의 열하중과 압력을 받는 챔버의 탄-소성 구조해석을 하기 위하여 가스발생기 챔버 제작 재료인 STS316L 재료에 대하여 상온및 고온에서 인장시험을 수행하였으며 물리적 특성 시험을 통하여 비열, 열팽창률, 그리고 열전도도 데이터를 획득하였다.
- 본 연구에서 열/구조해석에 사용한 경계조건들은 Table 4과 Table 5에 나타내었다. 구조해석은 총 4가지의 냉각 채널 형상에 대하여 가스발생기의 작동 조건에 따라 설계점과 작동 조건이 가장 심한 탈설계점을 설정하여 해석하였다. 탄-소성 구조해석에는 MSC/Marc 상용 유한요소해석 프로그램을 사용하였다.
- 냉각채널의 폭과 리브의 두께가 서로 다른 4가지 형태의 가스발생기 챔버에 대하여 구조해석을 설계점과 탈설계점에서 수행하였다. 해석 결과 냉각 성능이 가장 좋은 type Ⅲ 형상에서 냉각채널의 온도가 가장 낮으며 이에 따라서 구조물이 받는 열하중이 감소하여 냉각채널에서 발생하는 소성변형률 또한 가장 작게 나타났다.
- 단축 인장 시험에 사용한 장비는 Instron사의 모델 8801 장비를 사용하였다. 변형률 측정은 게이지 길이(gage length)가 25.0 mm인 익스텐소메타(extensometer)를 사용하였다. 인장시험 시편은 상온의 경우 ASTM E8M 규격에 따라 제작하였으며 고온용 시편은 ASTM E21 규격에 따라 제작하였다(3).
- 따라서 가스발생기의 재생냉각 챔버에 사용하는 재료들의 상온뿐만 아니라 온도 증가에 따른 재료의 기계적인 물성 값들이 구조 설계를 수행하는데 필요하다. 본 연구에서는 이러한 데이터들을 얻기 위하여 STS316L 재료에 대하여 인장시험 온도를 373 K ~ 873 K까지 100 K씩 증가시켜 수행하였다.
- 가스발생기 재생냉각 챔버에 대하여 탄-소성 구조해석을 수행하였다. 설계점 작동조건에서 4가지 형상의 챔버에 대하여 수행하였으며 연소압력과 가스온도가 가장 높은 탈설계점에서 또한 4가지 재생냉각 챔버 형상에 대하여 탄-소성 구조 해석을 수행하였다. 해석결과, 설계점 작동조건에서 냉각 채널의 최대 온도는 506.
- 냉각 채널의 구조해석에 필요한 재료의 물성 값들은 상온 및 고온 인장시험과 물리적 특성시험을 통하여 얻은 결과를 사용하였으며 재생냉각 챔버의 외피구조물인 STS329J1의 상온 및 고온에서의 기계적인 물성 값들과 물리적인 특성 값들은 류철성 등(3)이 재료시험을 통하여 얻은 데이터를 사용하였다. 열 해석에 필요한 경계조건 값들은 유동해석을 통하여 얻었다. 본 연구에서 열/구조해석에 사용한 경계조건들은 Table 4과 Table 5에 나타내었다.
- 이 브레이징 공정에 의해 사용하는 재료가 열적으로 영향을 받아 재료의 기계적인 특성 값들이 변화할 수 있다. 이 기계적인 특성 변화의 정도는 수치적인 계산으로알 수 있는 것이 아니기 때문에 재료시험을 통하여 구하였다.
대상 데이터
- 가스발생기의 제작에 사용할 STS316L의 기계적인 물성 값을 얻기 위하여 상온 및 고온에서 인장 시험을 수행하였다. STS316L 재료는 가스발생기의 헤드부와 재생냉각 챔버의 내측 구조물의 설계 및 제작에 사용하고 STS329J1은 재생냉각 챔버의 외피 구조물에 사용한다. 이들 STS316L과 STS329J1 재료는 액체 로켓 연소기 제작 재료로도 사용하고 있는 재료이다.
- 가스발생기 재생냉각 챔버에서 내측 구조물인 STS316L은 내산화성이 좋은 재료이며 외피 구조물은 고온에서 브레이징 특성이 좋을 뿐만 아니라 가스발생기의 연소압력을 견딜 수 있도록 하는 구조물이므로 STS329J의 항복응력 값이 STS316L에 비하여 크다. 내측 구조물인 STS316L 은 연소기의 재생냉각 챔버처럼 사각 단면 형태의 냉각 채널을 갖고 있다. 이 냉각 채널 내부에는 냉각을 위하여 추진제의 연료로 사용하는 냉각 유체가 고압으로 유동하기 때문에 구조적인 안정성을 갖기 위해서는 냉각 채널 사이의 리브 (rib)가 외피 구조물인 STS329J1에 고정되어야한다.
- Table 3은 구조해석에 사용한 냉각 채널의 형상을 나타내었다. 냉각 채널의 구조해석에 필요한 재료의 물성 값들은 상온 및 고온 인장시험과 물리적 특성시험을 통하여 얻은 결과를 사용하였으며 재생냉각 챔버의 외피구조물인 STS329J1의 상온 및 고온에서의 기계적인 물성 값들과 물리적인 특성 값들은 류철성 등(3)이 재료시험을 통하여 얻은 데이터를 사용하였다. 열 해석에 필요한 경계조건 값들은 유동해석을 통하여 얻었다.
- 단축 인장 시험에 사용한 장비는 Instron사의 모델 8801 장비를 사용하였다. 변형률 측정은 게이지 길이(gage length)가 25.
- 가스발생기에서 생성된 가스 온도는 연소기의 연소가스에 비하여 비교적 낮다. 본 연구에 사용한 가스발생기 연소가스 온도는 약900 K이다. 만약 이 가스의 온도가 증가하면 터보펌프의 효율은 증가하지만 높은 온도 때문에 터빈 블레이드가 열적으로 손상될 수 있다.
- 일반적으로 이종추진제를 사용하는 가스발생기가 단일추진제를 사용하는 가스발생기보다 광범위하게 사용되고 있다(2). 본 연구에 사용한 가스발생기는 액체산소와 케로신을 사용하는 이종추진제 방식의 가스발생기이다. 국내에서 개발 하는 연소기와 가스발생기의 제작을 위하여 여러 종류의 재료들을 사용하고 있으며 이들 재료들의 기계적/물리적인 특성 값들은 구조물의 제작 공정에 필요한 고온 열처리 때문에 그 특성 값들이 변화할 수 있다.
이론/모형
- 가스발생기 재생냉각 챔버 제작 재료인 STS316L의 열/구조해석에 필요한 비열, 열전도계수 그리고 열팽창계수를 얻기 위하여 물리적 특성 시험을 수행하였다. 비열 및 열전도도 측정 시험은 LFA 427 장비를 사용하여 KS L 1604-2002 규격에 따라 레이저 플래시 법으로 측정하였으며 열팽창계수는 Linseis L76 장비를 사용하여 측정하였다.
- 0 mm인 익스텐소메타(extensometer)를 사용하였다. 인장시험 시편은 상온의 경우 ASTM E8M 규격에 따라 제작하였으며 고온용 시편은 ASTM E21 규격에 따라 제작하였다(3).
- 구조해석은 총 4가지의 냉각 채널 형상에 대하여 가스발생기의 작동 조건에 따라 설계점과 작동 조건이 가장 심한 탈설계점을 설정하여 해석하였다. 탄-소성 구조해석에는 MSC/Marc 상용 유한요소해석 프로그램을 사용하였다.
성능/효과
- 가스발생기 챔버에서 연소가스의 압력을 견딜 수 있도록 하는 외피구조물의 최대 변형률은 설계점과 탈설계점 모두에서 약 0.13% ~ 0.16%이며 연소 종료 후 노드 5와 노드 6에서 소성 변형 률이 0(zero)으로 나타났다. 이러한 결과는 가스발생기 내측구조물의 냉각 채널부는 열하중과 내부 압력에 의하여 소성변형을 하지만 외측구조물은 설계점과 탈설계점에서 작동하는 동안 탄성 영역에서 변형함을 알 수 있다.
- 고온 열처리 후 상온 인장시험 결과 STS316L의 최대응력(maximum engineering stress) 평균값은 558 MPa이며 0.2% 오프셋한 평균 항복응력 값은 226.2 MPa으로 나타났다. Table 1은 STS316 재료의 상온 인장시험 결과이다.
- 따라서 구조적으로는 4가지 형상의 가스발생기 재생냉각 챔버 모두 안정함을 알 수 있다. 그러나 앞에서 언급하였듯이 내측구조물의 소성 변형률과 피로수명을 고려하면 type Ⅲ가 가스발생기의 재생냉각 챔버 구조물로 가장 적합함을 탄-소성 구조해석을 통하여 확인하였다.
- 이러한 결과는 가스발생기 내측구조물의 냉각 채널부는 열하중과 내부 압력에 의하여 소성변형을 하지만 외측구조물은 설계점과 탈설계점에서 작동하는 동안 탄성 영역에서 변형함을 알 수 있다. 따라서 구조적으로는 4가지 형상의 가스발생기 재생냉각 챔버 모두 안정함을 알 수 있다. 그러나 앞에서 언급하였듯이 내측구조물의 소성 변형률과 피로수명을 고려하면 type Ⅲ가 가스발생기의 재생냉각 챔버 구조물로 가장 적합함을 탄-소성 구조해석을 통하여 확인하였다.
- Table 2는 물리적 특성 시험을 통하여 얻은 STS316L의 데이터이다. 시험결과 열팽창률은 시험온도 1273 K까지 선형적으로 증가하는 경향을 보여주었으며 비열 및 열전도도는 573 K이후 증가율이 더욱 커지기 시작하며 특히 673 K부터 급격한 증가를 보여준다.
- Figure 1에 고온 인장시험을 통하여 얻은 응력-변형률 곡선을 나타내었다. 시험결과 인장시험 온도를 273 K에서부터 873 K까지 증가시킴에 따라 STS316L 재료의 0.2% 오프셋 항복응력은 초기 184.9 MPa에서 141.1 MPa로 감소하였다. 류철성 등(4)이 재료시험을 통하여 얻은 STS329J1 재료는 873 K에서 급격하게 항복응력 값이 감소하는 특징을 보여준다.
- 해석 결과 냉각 성능이 가장 좋은 type Ⅲ 형상에서 냉각채널의 온도가 가장 낮으며 이에 따라서 구조물이 받는 열하중이 감소하여 냉각채널에서 발생하는 소성변형률 또한 가장 작게 나타났다. 이러한 구조해석 결과로부터 가스발생기의 재생냉각 챔버를 구조적으로 가장 안정하게 하기 위해서는 유동해석을 통하여 냉각 성능이 가장 좋은 냉각 채널 형상을 선정하고 선정된 냉각 채널에 대하여 구조해석을 수해하여 열하중과 내압에 구조적으로 안정함을 확인함으로서 최적의 가스발생기 재생냉각 챔버를 설계할 수 있음을 확인하였다.
- 냉각채널의 폭과 리브의 두께가 서로 다른 4가지 형태의 가스발생기 챔버에 대하여 구조해석을 설계점과 탈설계점에서 수행하였다. 해석 결과 냉각 성능이 가장 좋은 type Ⅲ 형상에서 냉각채널의 온도가 가장 낮으며 이에 따라서 구조물이 받는 열하중이 감소하여 냉각채널에서 발생하는 소성변형률 또한 가장 작게 나타났다. 이러한 구조해석 결과로부터 가스발생기의 재생냉각 챔버를 구조적으로 가장 안정하게 하기 위해서는 유동해석을 통하여 냉각 성능이 가장 좋은 냉각 채널 형상을 선정하고 선정된 냉각 채널에 대하여 구조해석을 수해하여 열하중과 내압에 구조적으로 안정함을 확인함으로서 최적의 가스발생기 재생냉각 챔버를 설계할 수 있음을 확인하였다.
- Figure 4와 5는 설계점과 탈설계점에서 연소시간에 따라 재생냉각 챔버의 각각의 노드점들에서 유효변형률의 이력을 나타내었다. 해석 결과 설계점 작동조건에서 노드 1의 유효변형률이 type Ⅰ과 type Ⅱ에서 0.0151340과 0.01514550으로 거의 비슷한 변형률 크기를 나타났으며 노드 2에서는 type Ⅰ이 가장 높은 결과를 보여준다. 이러한 결과는 type Ⅰ의 냉각 채널 형상이 냉각 채널의 폭이 가장 크고 온도 또한 가장 높기 때문에 나타난 현상으로 볼 수 있다.
- 설계점 작동조건에서 4가지 형상의 챔버에 대하여 수행하였으며 연소압력과 가스온도가 가장 높은 탈설계점에서 또한 4가지 재생냉각 챔버 형상에 대하여 탄-소성 구조 해석을 수행하였다. 해석결과, 설계점 작동조건에서 냉각 채널의 최대 온도는 506.9 K ~ 539.4 K 의 분포가 나타났다. 4가지 형상에서 type Ⅰ 형상의 냉각 채널이 가장 높은 온도가 나타났다.
후속연구
- 국내에서 개발 하는 연소기와 가스발생기의 제작을 위하여 여러 종류의 재료들을 사용하고 있으며 이들 재료들의 기계적/물리적인 특성 값들은 구조물의 제작 공정에 필요한 고온 열처리 때문에 그 특성 값들이 변화할 수 있다. 또한 추진기관 구조물이 고온, 고압에서 작동하는 특성을 고려할 때 신뢰성 있는 구조 설계를 수행하기 위해서는 재료시험을 수행하여 작동환경에서 필요한 데이터를 얻고 그 데이터를 구조설계에 반영해야한다.
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