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문제 정의
- 암 플랜지가 A-286이고 수 플랜지, 볼트, 와셔가 INCONEL 718인 경우에 열팽창 계수가 A-286이 더 커서 극저온에서 체결력 저하로 기밀 성능 저하가 예상된다. 따라서 극저온에서 열수축에 따른 체결력 저하를 보상할 만큼 체결력을 높여 증가시키는 방안을 생각해 볼 수 있다.
제안 방법
- 1차 성능시험은 SUS 316L 실을 사용하여 플랜지간 중심축이 일치하게 조립하여 수행하였다.
- 구조해석을 토대로 시제품을 제작하여 성능시험을 통해 설계를 검증하였다. 메탈 실은 SUS 316L과 SUS 321로 제작하였다.
- 구형 플랜지는 액체산소를 작동유체로 하여 최대 예상 작동 압력(MEOP) 10 ㎫, 배관내경 96㎜, 최대 2.5°의 허용 체결 각도 등의 설계요구 조건을 토대로 설계되었다.
- 구형 플랜지는 최대 작동 압력에서 플랜지 체결에 필요한 체결력으로부터 1개 볼트에 필요한 체결력과 체결 토오크를 계산하여 설계 하였으며 최대 예상 작동 압력과 작동 온도, 파괴압력 조건에서 유한 요소 해석을 수행하였다.
- 2에서 볼 수 있듯이 플랜지와 5곳에서 접촉하여 기밀을 유지할 수 있도록 되어 있다. 구형 플랜지는 축 정렬 불일치가 되어 조립되더라도 기밀을 유지할 수 있도록 구형(Spherical)의 볼트와 와셔를 사용하여 결속력의 평형을 유지할 수 있도록 하였다. 설계된 구형 플랜지는 결합부품 간 축 정렬 불일치가 발생하더라도 플랜지 결합이 가능하도록 설계되어 있어 엔진 공급계 결합 자유도를 증가시켜 벨로우즈를 대체할 수 있다.
- 이러한 코팅은 마찰계수를 줄여주는 동시에 표면 거칠기에 대한 특별한 관리 없이 높은 기밀 성능을 유지할 수 있게 한다. 구형의 볼트와 와셔에는 황화몰리브덴 코팅을 하여 마찰력 감소를 통해 체결과 분리가 용이하도록 하였다.
- 극저온 기밀시험은 플랜지를 액화질소에 담근 후 플랜지 내부를 헬륨으로 가압하여 안정화 된 후 가압을 중지하고 압력 강하량을 측정하는 방식으로 수행하였다. 안정화 된 후 20분간 압력 강하량을 측정한 결과 압력이 일정히 유지되어 극저온에서도 기밀성능이 유지됨을 확인 할 수 있었으며 이러한 시험방법이 유효함을 확인 할 수 있었다.
- 상온 기밀시험 시 압력 강하량 측정뿐 아니라 가압가스인 헬륨의 누설량을 정량적으로 계측하기 위해 Fig. 6과 같이 수중포집장치를 제작해 시험하였다.
- 액체 로켓 엔진의 극저온 고압 배관과 개폐밸브, 터보펌프와의 연결에 사용할 목적으로 구형 플랜지를 설계, 제작하여 기밀시험과 강도시험을 통해 성능을 검증하였다.
- 엔진 공급계 극저온 산화제 주 배관과 개폐밸브, 터보펌프와의 연결에 사용할 목적으로 내경 98㎜, 작동압력 10 ㎫, 결합 부품 간 최대 2.5°의 축 중심 오차에서도 조립이 가능한 구형 플랜지(Spherical Flange)를 설계하고 시제품을 제작하여 성능을 검증하였다.
- 제작된 구형 플랜지는 상온 내압시험(Proof Test), 상온 기밀시험, 극저온 기밀시험, 상온 기밀시험, 상온 내압시험, 상온 파괴강도시험(Burst Test) 순으로 성능시험이 수행되었다. 각각의 시험조건과 사용유체를 Table 1.
- 설계된 플랜지에 대하여 최대 예상 운영 압력(MEOP) 조건과 파단압력(Burst Pressure) 조건에서 FE 방법으로 안전계수를 계산하였다. 최대 예상 운영 압력 조건에서는 극저온 항복 및 인장 강도 기준으로, MEOP의 두 배의 압력인 파단 조건에서는 상온 기준으로 안전계수를 구하였다.
- 플랜지는 탈 장착 등에 의한 재사용 시에도 기밀을 유지할 수 있어야 하기 때문에 1개의 플랜지를 사용하여 모든 시험을 수행하여 기밀성능 변화여부를 검증할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 구형 플랜지는 암 플랜지의 구형 안내면을 따라 구형 돌출부를 갖는 수 플랜지가 중심축의 반경 방향으로 회전이 가능하여 결합 부품 간 중심축이 불일치하더라도 조립이 가능한 구조로 되어 있다. 극저온 산화제인 액체산소에 대하여 기밀을 유지할 수 있도록 금속 소재의 실을 사용하였다. 금속 실은 Fig.
- 구조해석을 토대로 시제품을 제작하여 성능시험을 통해 설계를 검증하였다. 메탈 실은 SUS 316L과 SUS 321로 제작하였다.
- 따라서 수 플랜지는 배관소재, 암 플랜지는 연소기 산화제 개폐밸브와 터보펌프 산화제 출구 소재와의 용접성을 고려하여 소재를 선택하여야 한다. 수 플랜지의 소재는 배관 소재로 고려중인 INCONEL 718을 선정하였으며 암 플랜지는 연소기 산화제 개폐밸브와 터보펌프 산화제 출구 소재로 고려중인 A-286을 선정하여 용접에 문제가 없도록 하였다.
- 극저온 환경에서 기밀을 유지하기 위해 결합 부품간의 선형 변형률의 차이가 30%를 초과하지 않는 것이 유리하다. 엔진공급계 극저온 산화제용 실로 추천되는 SUS 316L과 SUS 321을 선정하였다[2]. 체결용 볼트와 와셔는 수 플랜지 소재와 동일한 INCONEL 718을 선정하였다.
- 엔진공급계 극저온 산화제용 실로 추천되는 SUS 316L과 SUS 321을 선정하였다[2]. 체결용 볼트와 와셔는 수 플랜지 소재와 동일한 INCONEL 718을 선정하였다.
데이터처리
- 유한 요소 구조 해석은 상용 프로그램인 Abaqus v6.9를 사용하였고 3차원 2차 솔리드 요소가 사용되었다. 해석 모델은 대칭성을 고려하여 1/24 모델이 사용되었으며 내압과 내압에 의한 분리력 하중, 볼트 체결력, 온도에 따른 물성 변화가 고려되었다.
이론/모형
- 설계된 플랜지에 대하여 최대 예상 운영 압력(MEOP) 조건과 파단압력(Burst Pressure) 조건에서 FE 방법으로 안전계수를 계산하였다. 최대 예상 운영 압력 조건에서는 극저온 항복 및 인장 강도 기준으로, MEOP의 두 배의 압력인 파단 조건에서는 상온 기준으로 안전계수를 구하였다.
성능/효과
- 1차 시험에서 사용된 SUS 316L 실을 SUS 321로 교체하여 2차 시험을 수행하였으며 시험 결과 모두 개발 규격을 만족함을 확인하였다.
- 20분간의 상온 기밀시험 결과 압력 20분간 압력이 유지됨을 확인할 수 있었으며 버블도 관찰되지 않아 기밀성능을 만족함을 확인 하였다.
- 3차 시험은 SUS 321 실을 사용하여 Fig. 8과 같이 최대 허용 조립각으로 구형 플랜지를 조립한 후 1, 2차 시험과 동일한 시험을 수행하였으며 모두 개발규격을 만족함을 확인할 수 있었다.
- 개발된 구형 플랜지는 결합 부품 간 중심축이 최대 2.5°의 오차가 있어도 플랜지 조립이 가능하며 기밀을 유지할 수 있다.
- 구조 해석 결과 운용 조건에서 항복이 발생하지 않았으며 INCONEL 718의 극저온 항복 강도에 대하여 1.34의 안전계수를, A-286에 극저온 항복 강도에 대하여 1.48의 안전계수를 가진다.
- 시험 전 후 볼트 길이변화가 없는 것으로 보아 볼트의 항복이 발생하지 않은 것으로 판단된다. 상온 내압시험 결과 압력이 유지되고 가압유체인 물이 외부로 새어나오지 않음을 확인하였다.
- 시험 종류 후 Fig. 7과 같이 구형 플랜지를 분리하여 미리 준비한 게이지 확인한 결과 브리넬링이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
- 극저온 기밀시험은 플랜지를 액화질소에 담근 후 플랜지 내부를 헬륨으로 가압하여 안정화 된 후 가압을 중지하고 압력 강하량을 측정하는 방식으로 수행하였다. 안정화 된 후 20분간 압력 강하량을 측정한 결과 압력이 일정히 유지되어 극저온에서도 기밀성능이 유지됨을 확인 할 수 있었으며 이러한 시험방법이 유효함을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 구형 플랜지는 엔진 조립 자유도를 증가시켜 엔진 제작 및 조립 시 발생하는 오차를 보상해 주는 기능을 하는 호스나 벨로우즈 같은 유연배관을 대체할 수 있다. 개발된 구형 플랜지는 엔진 개발단계인 지상시험용 로켓엔진에서 유용하게 적용될 것으로 판단된다.
- 제작된 구형 플랜지의 경우 일반 플랜지와 달리 대응하는 암, 수 플랜지간 체결 중심축이 설계상의 최대 체결 한계각 내에서 임의의 각도로 조립 될 수 있다. 따라서 대응하는 플랜지 간 중심축을 일치하게 하여 조립한 경우 뿐 아니라 최대 체결 한계각으로 조립하여 기밀성능 변화 여부를 검증하여야 한다.
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