터보펌프방식 액체로켓엔진 개발의 일환으로 터보펌프 출구로부터 연소기와 가스발생기의 산화제 밸브에 이르는 액체산소 고압 배관부 기술개발모델(TDM)에 대한 기본설계를 수행하였다. 액체산소 고압 배관부는 직관, 곡관, 벨로우즈, 분기구, 오리피스, 플랜지 및 단열재로 구성되어 있다. 작동 환경, 무게, 제작성을 고려하여 소재를 선정하였다. 요구 유량과 차압 조건을 고려하여 유동해석을 통해 각 구성품의 크기와 위치를 선정하였다. 작동 온도와 최대 예상 작동 압력을 고려하여 각 구성품에 대한 기본 설계를 수행하였으며 구조해석을 통해 안전율을 평가하였다.
터보펌프방식 액체로켓엔진 개발의 일환으로 터보펌프 출구로부터 연소기와 가스발생기의 산화제 밸브에 이르는 액체산소 고압 배관부 기술개발모델(TDM)에 대한 기본설계를 수행하였다. 액체산소 고압 배관부는 직관, 곡관, 벨로우즈, 분기구, 오리피스, 플랜지 및 단열재로 구성되어 있다. 작동 환경, 무게, 제작성을 고려하여 소재를 선정하였다. 요구 유량과 차압 조건을 고려하여 유동해석을 통해 각 구성품의 크기와 위치를 선정하였다. 작동 온도와 최대 예상 작동 압력을 고려하여 각 구성품에 대한 기본 설계를 수행하였으며 구조해석을 통해 안전율을 평가하였다.
A basic design for a Technical Development Model (TDM) of liquid oxygen lines from the turbopump exit to the oxidizer valves of the combustion chamber and the gas generator was conducted to develop a turbopump-fed liquid rocket engine. The TDM is composed of straight lines, elbows, bellows, a branch...
A basic design for a Technical Development Model (TDM) of liquid oxygen lines from the turbopump exit to the oxidizer valves of the combustion chamber and the gas generator was conducted to develop a turbopump-fed liquid rocket engine. The TDM is composed of straight lines, elbows, bellows, a branch, an orifice, flanges and a heat insulator. Materials were determined by consideration of operation conditions, weight constraint and manufacturing procedures. The size and the location of each component were determined by flow analysis of the required flowrate and the pressure loss. Basic designs of the components were conducted by consideration of the operating temperature and the maximum expectation operating pressure. The safety factors were evaluated by structural analysis of design of each component.
A basic design for a Technical Development Model (TDM) of liquid oxygen lines from the turbopump exit to the oxidizer valves of the combustion chamber and the gas generator was conducted to develop a turbopump-fed liquid rocket engine. The TDM is composed of straight lines, elbows, bellows, a branch, an orifice, flanges and a heat insulator. Materials were determined by consideration of operation conditions, weight constraint and manufacturing procedures. The size and the location of each component were determined by flow analysis of the required flowrate and the pressure loss. Basic designs of the components were conducted by consideration of the operating temperature and the maximum expectation operating pressure. The safety factors were evaluated by structural analysis of design of each component.
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문제 정의
터보펌프방식 로켓엔진 공급계 중 터보펌프 후단의 고압 액체산소 배관부의 기술개발모델에 대한 기본설계를 수행하였다. 작동환경을 고려하여 소재를 선정하여 구성품을 설계하고 배치하였다.
한국형발사체의 로켓엔진 후보로 거론되고 있는 터보펌프방식 75톤급 액체엔진과 관련된 연구가 활발히 진행 중이며 그 일환으로 터보펌프 산화제 출구로부터 연소기와 가스발생기의 산화제 밸브에 이르는 엔진 공급계 액체산소 고압 배관부 기술개발모델에 대한 기본 설계를 수행하였다.
제안 방법
벨로우즈는 내부에 김벌링을 갖는 형태로 3겹의 주름관으로 설계하여 기밀을 유지하도록 설계하였으며 외부 구속링과 금속판을 두겹의 나선형 형태로 감아 반경방향 강도를 보강하였다.
연소기 배관에서 가스발생기 배관으로의 분기구를 설계하여 가스발생기 배관의 압력손실을 줄일 수 있도록 설계하였다.
이러한 기능을 수행하는 요소로 구형 플랜지(Spherical Flange)와 벨로우즈가 있다. 연소기측 산화제 밸브와 배관을 연결하는 요소로 구형 플랜지로 설계하였으며 오리피스 설치를 위한 오리피스 플랜지, 터보펌프와 배관의 연결에는 일반 플랜지를 설계하였다.
요구 유량과 차압 조건을 만족시킬 수 있도록 상용 유동해석 프로그램을 사용하여 오리피스 사이즈와 설치 위치, 분기구의 형상 등을 결정하였다[4, 5].
작동환경을 고려하여 소재를 선정하여 구성품을 설계하고 배치하였다. 유동해석을 통해 요구 유량과 차압 조건을 만족시킬 수 있도록 구성품의 크기와 설치 위치를 검증하였다. 설계된 구성품에 대한 구조해석을 수행하여 안전기준을 만족함을 확인하였다.
터보펌프방식 로켓엔진 공급계 중 터보펌프 후단의 고압 액체산소 배관부의 기술개발모델에 대한 기본설계를 수행하였다. 작동환경을 고려하여 소재를 선정하여 구성품을 설계하고 배치하였다. 유동해석을 통해 요구 유량과 차압 조건을 만족시킬 수 있도록 구성품의 크기와 설치 위치를 검증하였다.
대상 데이터
KSR-Ⅲ에서 SUS 316L을 사용하여 배관을 개발한 경험이 있으나 점차 엔진이 고압 대형화되는 추세를 고려하여 기술개발 차원에서 배관의 주요소재로 Inconel 718을 선정하였으며 가스발생기 측 소구경 배관의 경우 SUS 316L을 선택하였다.
미국은 시스템 압력이 낮은 Saturn Ⅴ의 F-1/J-2 엔진은 CRES 321과 AL 6061-T6을, 시스템 압력이 높은 SSME는 Inconel 718을 배관의 주요소재로 사용하였다. NASA는 배관 무게 최적 설계를 위한 소재로 배관외경이 1.
이론/모형
배관의 내경은 유량과 유속, 허용압력손실 등을 고려하여 선정하였으며 배관의 두께는 Barlow 공식[9]으로부터 안전계수(SF)를 고려하여 다음과 같이 계산하였다.
성능/효과
유동해석을 통해 요구 유량과 차압 조건을 만족시킬 수 있도록 구성품의 크기와 설치 위치를 검증하였다. 설계된 구성품에 대한 구조해석을 수행하여 안전기준을 만족함을 확인하였다.
설계된 벨로우즈의 주름관과 김벌 구속링에 대하여 MEOP 작동조건에서 구조해석을 수행하여 안전율을 평가하여 안전기준을 만족함을 확인하였다.
설계된 플랜지에 대하여 MEOP 작동조건에서 구조해석을 수행하여 안전율을 평가하여 안전기준을 만족함을 확인하였다.
후속연구
그러나 각 구성품에 가해지는 힘은 배관 형상에 영향을 받기 때문에 전체 배관 구성에 대한 구조해석이 요구된다. 추후 전체 배관부에 대한 구조해석을 수행한 후 그 결과를 구성품에 반영하여 상세설계한 후 제작과 시험을 통해 해당 기술을 검증할 계획이다.
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