접수일(2008년12월17일), 수정일(1차 : 2009년 6월 5일, 2차 : 2009년 6월 17일, 게재 확정일 : 2009년 7월 1일)
* 터보펌프팀/pmj@kari.re.kr ** 터보펌프팀/smjeon@kari.re.kr
*** 터보펌프팀/shyoon@kari.re.kr **** 터보펌프팀/jhkim@kari.re.kr
산화제펌프 스태틱 실 극저온 기밀시험
박민주*, 전성민**, 윤석환***, 김진한****
Cryogenic leak test of LOX pump static seals
Min-Joo Park*, Seong Min Jeon**, Suk Hwan Yoon***, Jinhan Kim****
Abstract
Casing leak tests using three kinds of static seals are performed by simulating test section for a 75 ton thrust class turbopump under ambient and cryogenic temperature environment. As results of application of Conical, PTFE, and C static seals to leak tests, even though they all work in normal temperature condition, only the PTFE and C static seals show good sealing performance in cryogenic condition. However, the Conical static seal fails because of the different thermal expansion rates due to the use of different materials in a LOX pump. It is found that unlike the PTFE and C static seals with sealing surfaces in axial direction, the sealing surface of the Conical static seal is in radial direction that may cause leak when the casings thermally shrink in radial direction. Especially, the C static seal reveals excellent sealing performance even for a used seal.
초 록
75톤급 터보펌프 개발을 위해 터보펌프 실 부위를 모사한 시험기를 제작하여 3종의 스 태틱 실에 대한 상온 및 극저온 환경 기밀시험을 실시하였다. Conical 스태틱 실, PTFE 스 태틱 실, C 스태틱 실을 적용한 기밀시험 결과 상온에서 기밀이 유지되더라도 산화제펌프 의 이종 소재 사용에 따른 열수축률의 차이로 인해 PTFE 스태틱 실과 C 스태틱 실에서만 극저온 기밀이 유지되었고 Conical 스태틱 실에서는 극저온 기밀 유지에 실패하였다. 이는 기밀 면이 축방향인 PTFE 스태틱 실, C 스태틱 실과는 달리 Conical 스태틱 실의 기밀 면 이 반경방향이므로 케이징의 반경방향 수축 시 기밀 면에 틈새가 생기기 때문인 것으로 파악된다. 더욱이 C 스태틱 실은 시험기 분해 후 재사용하여도 극저온 기밀이 유지되는 우수한 특성을 보였다.
키워드 : 터보펌프(turbopump), 산화제펌프(LOX pump), 기밀시험(leak test), 스태틱 실(static seal), 극저온(cryogenic)
1. 서 론
액체로켓엔진용 터보펌프는 추진제인 연료와 산화제를 연소실로 공급하는 목적으로 사용된다.
터보펌프는 추진제의 고압 조건을 만족해야하며 중량의 제한도 따라야 한다. 특히 산화제펌프의 경우 극저온 환경에서 작동이 이루어져야 하므로 상온에서와는 달리 케이징류, 볼트류 및 스태틱 실에 저온 수축이 발생한다. 따라서 산화제펌프 저온 수축에 따른 형상 변형에 대해 설계시 고려 되어 각각의 소재가 선정되었다. 또한 터보펌프 경량화를 위해 연료펌프 입구 케이징의 소재를 알루미늄으로 선정한 바 스테인레스 강 소재인 산화제펌프와 체결되는 플랜지 실 부위에 대한 저온 수축에 따른 작동 유체의 누설 여부에 대한 검증이 반드시 필요하다. 만약 케이징 사이의 실 부위가 제 기능을 다하지 못해 액체산소가 누설 될 경우 예기치 않은 발화로 액체로켓 엔진시스 템 전체의 실패로 직결될 수 있으므로 실 부위의 설계는 매우 중요하다.[1,2]
실의 종류로는 피스톤과 같이 두 실 면 사이 에 상대적인 운동이 있는 부품에 적용되는 다이 나믹 실과 상대 운동이 없는 부품에 적용되는 스 태틱 실로 나뉘는데 터보펌프의 케이징간 플랜지 조립부에는 상대 운동이 없으므로 스태틱 실이 적용된다.[3] 일반 산업용 스태틱 실로 주로 사용 되는 고무 O-ring 대신 고압, 극저온 산화제 환 경에 적용 가능한 메탈 실을 사용하였다.
기 개발된 저추력급 30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 케이징의 스태틱 실은 이미 극저온 환 경 기밀시험을 통하여 기밀성능을 검증한 바 있 다. 현재 개발중인 75톤급 터보펌프는 30톤급 터 보펌프에 비해 케이징 형상 치수 증가에 따른 실 의 내, 외경 크기 증가 및 케이징 이종 소재간 열수축률 차이로 인하여 작동 유체의 누설 여부 에 대한 검증이 필요하다. 본 눈문에서는 75톤급 산화제펌프의 실 부위를 모사한 실 시험기를 제 작, 극저온 환경에서의 기밀시험을 수행하여 실 부위 설계의 타당성을 검증하였다.
2. 스태틱 실 기밀시험
산화제펌프의 실 부위 누설 여부 검증을 위하 여 직경이 가장 큰 스태틱 실 장착 부위인 입구 케이징(스테인레스 강)과 볼류트 케이징(스테인레 스 강) 사이 플랜지 부위 그리고 산화제펌프 볼 류트 케이징(스테인레스 강)과 연료펌프 입구 케 이징(알루미늄) 사이 플랜지 부위를 모사하여 2 종의 실 시험기를 제작하였다. 산화제펌프, 연료 펌프와 동일한 형상 치수 및 소재를 이용하여 설 계에 맞추어 제작된 2종의 실 시험기를 사용하여 상온 및 산화제펌프의 작동 온도 조건을 모사한 극저온 액체 질소 환경에서 기밀시험을 실시하였다.
2.1 스태틱 실 비교
상온 및 극저온 기밀시험에 사용한 실은 Conical 스태틱 실, PTFE 스태틱 실 및 C 스태 틱 실로써 3종의 실에 대해 각각 기밀 유지 여 부, 실의 재사용 가능 여부 등을 파악하였다. 3 종의 스태틱 실에 대한 비교는 다음과 같다.
2.1.1 Conical 스태틱 실
기존 러시아 설계 개념 및 30톤급 액체로켓엔 진용 터보펌프에 적용한 Conical 스태틱 실은 탄 성 복원을 갖도록 설계되어 저온 수축에 따른 보 상이 고려된다. Conical 실의 형상은 다음과 같다.
그림 1 Conical 스태틱 실 형상
케이징에 Conical 스태틱 실을 장착한 후 설계 토크로 볼트를 체결하여 플랜지를 밀착시켰을때 스태틱 실 주변에 생기는 응력과 변형을 알아보 고자 ‘ABAQUS' 프로그램을 이용하여 2차원 축 대칭 유한요소 구조해석을 실시하였다.
그림 2 스태틱 실 장착 부위 격자 생성
그림 2는 산화제펌프 볼류트 케이징과 연료펌 프 입구 케이징에 스태틱 실을 장착한 상태와 스 태틱 실 인접부위에 대해 격자를 집중적으로 나 눈 확대도를 나타낸다.
그림 3 실 부위 응력 분포 및 변형량
그림 3은 해석결과의 일례로서 스태틱 실 부 분의 응력 분포와 소성 변형량을 보여준다. 응력 은 주로 항복응력 수준에서 멈춰 있는 것으로 보 인다. 또한 주로 스태틱 실에 소성 변형이 일어 나며, 접촉면에 국부적으로 높은 소성 변형량이 나타나지만 연료펌프 알루미늄 케이징쪽의 소성 변형량은 매우 극미한 영역으로서 실제 조립시 케이징의 주요 치수가 변하지는 않을 것으로 예 상된다.
초기 설계안인 Conical 스태틱 실 각도 60°에 대한 기밀시험 후 실의 탄성 복원력을 증가시키 고자 실 각도를 57°, 51°로 설계변경, 제작하여 각각 기밀시험을 수행하였다. 실의 내경, 외경이
고정되어 있고 실의 각도를 줄임에 따라 상대적 으로 실의 높이가 높아지게 된다.
Conical 실 60 도
Conical 실 57 도
Conical 실 51 도
형태
높이 4.3 mm 4.72 mm 5.64 mm 표 1 Conical 스태틱 실 각도에 따른 높이
2.1.2 Energized PTFE 스태틱 실
서방에서는 항공우주, 원자력, 반도체분야 및 고온, 극저온, 초고압, 초진공 등 극한의 사용 환 경에서 엄격한 기밀을 요하는 중요 부위에 PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실을 널리 사용한다. 그 림 4는 PTFE 스태틱 실 형상을 보여준다.
그림 4 PTFE 스태틱 실 형상
기밀 특성이 우수한 고성능 energized PTFE 스태틱 실은 마찰계수가 낮고 내마모성, 내화학 성이 뛰어난 U자 형태의 PTFE 자켓이 Inconel 금속 스프링을 감싸는 형태로 되어 있다. PTFE 스태틱 실이 실 부위에 장착되면 압축된 스프링 은 원래 상태로 돌아가려는 탄성 복원력에 의해 PTFE 자켓 립(lip)을 실 면에 밀착시켜 작동 유 체가 누설되지 않도록 밀폐를 위한 차단벽을 생 성한다. 여기에 다시 작동 유체 압력이 가해져 U-자켓이 벌어지므로 그만큼 밀폐력이 증가한다.
작동 유체 압력이 높고 실 단면이 클수록 실에
작용하는 힘이 커지고 따라서 립의 밀착력이 커 진다. 또한 PTFE 스태틱 실은 PTFE 소재가 갖 는 저마찰계수 및 내마모성으로 인해 케이징과 접촉되는 케이징 실 부위를 보호한다. PTFE는 기체 투과율이 낮고 극저온 특성이 매우 우수하 다. 극저온 환경에서 기밀 면 부위 표면 조도는 실의 성능에 큰 영향을 미치는데 PTFE 스태틱 실 적용시 케이징 기밀 면 요구 조도는 Ra 0.2㎛
로서 C 스태틱 실 적용시 기밀 면 요구 조도인 Ra 1.6～3.2㎛보다 비교적 높은 조도 조건을 만 족하여야 하는 단점이 있다.[3]
2.1.3 Energized C 스태틱 실
그림 5는 C 스태틱 실 형상을 나타낸다.그림 5 C 스태틱 실 형상
Energized C 스태틱 실은 C자 형태의 알루미 늄 자켓 안에 알루미늄 소재를 보호하는 Inconel 라이닝이 있고 그 내부에 나선형태의 헬리컬 스 프링이 촘촘히 감겨있다. C 스태틱 실의 주요 특 성 중 하나는 플랜지 소재보다 큰 연성을 갖는 자켓이 탄성을 갖는 헬리컬 스프링과 플랜지 기 밀 면 사이에서 변형을 하여 기밀을 유지한다는 점이다. 헬리컬 스프링의 코일들은 뛰어난 스프 링 탄성 복원력을 가지며 각각 독립적으로 작용 하므로 플랜지의 기밀 면 표면이 불균일하거나 압력, 온도 변화에 의한 플랜지 면의 변형에도 뛰어난 기밀 특성을 갖는다.
그림 6 C 스태틱 실 특성 곡선
그림 6은 압축과 해제에 따른 C 스태틱 실의 특성 곡선을 보여준다. x축은 C 스태틱 실의 변 형량(mm)이고 y축은 단위 길이당 원주위에 가해 지는 압축 하중(N/mm)을 나타낸다. 각 기호에 대한 정의는 다음과 같다.
Y0 조립시 기밀이 유지되기 시작하는 최소 하중 Y1
조립 후 해제 시 누설량이 허용치를 넘어 실 제 기밀 유지가 이루어지지 않는 하중 Y2
C 스태틱 실이 최적 압축 변형량을 갖게 하 는 최적 하중
e0 하중 Y0 에서의 변형량 e1 하중 Y1 에서의 변형량 e2 하중 Y2 에서의 변형량 ec
스프링이 손상되어 누설이 생기기 시작하는 압축 한계
표 2 특성 곡선 기호 정의
그림 6에서 보는 바와 같이 C 스태틱 실 장착 후 조립시 누설량이 허용치 이내로 들어와 실이 기밀을 유지하는 구간은 (Y0)이상 (Y2)이하이다.
조립 하중을 해제했을때 C 스태틱 실의 탄성 회 복량은 (e2-e1)이다.[4]
2.2 시험기 설계
산화제펌프 입구 케이징과 볼류트 케이징의 소재는 고강도 석출경화계 스테인레스 강이고 연 료펌프 입구 케이징 소재는 스테인레스 강에 비
해 평균 열팽창계수가 대략 2배 정도 큰 고강도 알루미늄 합금이다.[5] 또한 산화제펌프 케이징 사이에 장착되는 실의 재질은 기존 30톤급 터보 펌프에서 적용했던 연질의 오스테나이트계 스테 인레스 강이고 산화제펌프와 연료펌프 케이징 사 이인 후방에 장착되는 실은 연료펌프 입구 케이 징 소재보다 강도가 낮은 연질의 알루미늄 합금 소재를 사용하여, 스태틱 실 장착 후 플랜지간 볼트 체결시 알루미늄 케이징에 손상이 가지 않 도록 하였다. 케이징간 볼트, 너트 체결시 토크 렌치를 이용하여 설계 조임 토크까지 순차적으로 증가시키며 조립하였다.
터보펌프 본품과 동일한 소재, 형상 치수로 실 부위를 모사하여 2종의 실 시험기를 제작하 여 기밀시험을 수행하였다. Conical 스태틱 실 기밀시험 후 PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실을 적용하여 다시 상온 및 극저온 기밀시험을 수행 하였다. PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실이 장착 되는 틈새는 Conical 스태틱 실의 틈새 형상과 다르므로 시험기의 실 부위를 위 2종의 실에 맞 게 설계 변경하고 수정가공을 하였다. Conical 스태틱 실 적용 실 부위 형상 및 설계 변경된 실 부위에 대한 볼트 체결 전/후의 형상은 그림 7, 8, 9와 같다.
그림 7 Conical 스태틱 실 조립 전/후
그림 8 PTFE 스태틱 실 조립 전/후
그림 9 C 스태틱 실 조립 전/후
2.3 시험 방법
그림 10은 산화제펌프 실 시험기를 이용한 상 온 및 극저온 기밀시험 개념도이다. 실 시험기 내부에는 터보펌프 본품과 같은 형상으로 실 부 위가 모사되어 있다. 시험기에는 기체 질소의 가 압 라인과 해압 라인이 구성되어 있고 시험기 내 부 압력 측정을 위해 압력 센서와 연결되는 라인 이 장치해 있다.
그림 10 상온 및 극저온 기밀시험 개념도
2.3.1 상온 기밀시험
극저온 환경에서의 기밀시험을 수행하기에 앞 서 상온에서의 기밀 유지 여부를 확인하였다.
실 시험기를 상온에서 물로 채운 수조에 넣고 실 시험기 내부에 기체 질소(GN2)로 20 bar, 10 분간 가압하여 수면 위로 올라오는 기체 방울의 유무로 기밀 유지 여부를 파악하였다. 또한 실 시험기 내부 압력을 측정하는 압력 센서의 수치 가 떨어지지 않고 그대로 유지되는 것을 확인함
으로써 기밀 유지 여부를 판단하였다. 실 시험기 조립시 볼트의 최종 설계 토크 수치에 이르기까 지 토크 렌치를 이용하여 순차적인 조임 토크값 을 적용하고 원주 방향으로 플랜지 간극을 확인 하였다. 이는 실 면을 원주 방향으로 균일하게 눌러주지 않을 경우에 국부적으로 실 면이 떠서 누설이 발생할 가능성이 있기 때문이다.
2.3.2 극저온 기밀시험
극저온 기밀시험 방법은 위의 상온 기밀시험 방법과 동일하나 실제 산화제펌프의 작동 환경인 극저온 환경을 모사하기 위하여 실 시험기를 극 저온 액체 질소(LN2) 수조에 잠기게 하여 외부 냉각을 하였다. 액체 질소가 안정화되면 실 시험 기 내부에 기체 질소(GN2)로 가압을 하는데, 기 체 질소가 시험기 내부에서 극저온 환경으로 인 하여 액화되어 시험기 내부를 채울 때까지 압력 이 계속 감소하므로 안정화되어 압력이 더 이상 떨어지지 않을 때까지 기다린 후 시험을 진행하 였다. 20 bar 부근에서 시험기 내부 압력이 유지 되기 시작하면 5분간 내부 압력의 유지를 확인함 으로써 누설이 없음을 판단하였다.
터보펌프 실매질 시험 후 시험기 상태가 양호 한 경우에는 터보펌프를 스탠드에 그대로 장착한 상태에서 장기간 동안 몇 회의 반복 실매질 시험 을 하기도 한다. 또한 터보펌프 내부 점검이 필 요할 때에는 터보펌프를 스탠드에서 탈착하여 시 험기 분해 후 부품에 대한 면밀한 검사를 하고 재조립하여 다시 실매질 시험을 수행한다. 따라 서 실 시험기를 분해하지 않고 해동과 냉각을 반 복하며 기밀 유지 여부를 살펴보았고 실 시험기 분해 후 소성 변형된 실을 재사용하였을 때에도 기밀 유지가 가능한지 알아보았다.
매 극저온 기밀시험 후 냉각된 실 시험기는 상온에서 해동한 후 충분한 퍼지를 통하여 건조 를 해야 한다. 상온 환경에서 건조의 미흡으로 실 틈새에 결빙이 생겨 누설이 발생할 수 있기 때문이다.
시험 전, 후 측정한 스태틱 실 장착 부위 플랜 지의 치수를 비교하여 케이징의 변형 여부도 확 인하였다.
그림 11은 산화제펌프 실 시험기를 이용한 극 저온 기밀시험 모습을 보여주고 있다.
그림 11 실 시험기 극저온 기밀시험
3. 상온/극저온 기밀시험 결과
3.1 Conical 스태틱 실
스테인레스 강 케이징-스테인레스 강 케이징 (산화제펌프 입구 케이징-볼류트 케이징)과 스테 인레스 강 케이징-알루미늄 케이징(산화제펌프 볼류트 케이징-연료펌프 입구 케이징) 시험기에 대해 각각 기밀시험을 실시하였다. 상온 및 극저 온 기밀시험 방법에 따라 실 시험기에 실 각도 60도인 스태틱 실을 각각 장착하고 토크렌치를 사용하여 설계된 최종 체결 토크까지 순차적으로 조립, 플랜지 사이 밀착을 확인한 후 시험기 내 부를 가압하였다. 시험결과 상온 환경에서는 모 두 이상이 없었으나 극저온 환경에서 스테인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 사이 실 부위에서 누 설이 있음을 확인하였다. 이종 소재간 케이징의 저온 수축에 따른 실 틈새 증가가 Conical 스태 틱 실의 탄성 복원력보다 커 기밀 유지가 되지 않는 것으로 판단된다. 따라서 실의 높이를 증가 시켜 실의 탄성 복원력을 증가시키고자 Conical 스태틱 실의 각도를 57도와 51도로 변경하여 2 차, 3차 상온 및 극저온 기밀시험을 수행하였다.
스테인레스 강 케이징-스테인레스 강 케이징 시 험기에서는 실의 각도에 상관없이 상온 및 극저 온 환경에서 기밀이 잘 유지되었다. 그러나 스테 인레스 강 케이징-알루미늄 케이징 시험기에서는 알루미늄 소재 스태틱 실의 각도를 57도, 51도로
변경하였을때 상온에서는 기밀이 유지되었지만 극저온 환경에서는 여전히 기밀 유지가 되지 않 음을 확인하였다. 각각의 시험 후 케이징 변형 여부를 파악하고자 실 시험기를 분해하여 케이징 의 실 장착부위 치수를 측정하였으나 시험 전, 후의 치수 변화는 없었다.
그동안 30톤급 터보펌프에 적용되어 사용되었 던 Conical 스태틱 실의 적용시 실 및 케이징의 소재에 따라 서로 다른 극저온 기밀시험 결과를 보여준다. 동일한 스테인레스 강 소재가 적용된 산화제펌프 입구 케이징과 볼류트 케이징은 저온 수축량이 같으므로 상온 뿐만 아니라 극저온 환 경에서도 기밀이 유지되는 결과를 볼 수 있었다.
그러나 이종 소재가 적용된 산화제펌프와 연료펌 프 사이 실 부위는 극저온 환경에서 실의 탄성력 을 증가시키기 위한 Conical 스태틱 실 각도의 변경에도 관계없이 항상 누설이 발생하였다. 이 는 터보펌프 경량화를 위해 연료펌프의 소재가 그간 30톤급에서 개발해온 스테인레스 강에서 고 강도 알루미늄 합금으로 변경됨에 따라 극저온 환경에서의 소재간 열수축률 차이로 인한 것으로 판단된다. Conical 스태틱 실과 케이징간의 기밀 면인 Conical 스태틱 실 내경, 외경 면은 알루미 늄 케이징의 반경방향 수축시 더 이상 케이징과 의 접촉을 유지할 수가 없어 누설이 발생할 수 있다. 또한 연료펌프 알루미늄 케이징에 손상을 주지 않게 하기 위해 알루미늄 소재 실을 사용하 였는데, 그동안 사용해온 스테인레스 강 실에 비 해 알루미늄 실은 약 1/3 정도의 탄성계수값[5]
을 가지므로 복원 탄성력이 떨어져 극저온 환경 에서 기밀 유지 역할을 제대로 하지 못하는 것으 로 파악된다.
3.2 Energized PTFE 스태틱 실
알루미늄 Conical 스태틱 실 장착시 극저온 환 경에서 산화제펌프와 연료펌프사이 실 부위에 누 설이 있었으므로 서방에서 주로 사용하는 PTFE 스태틱 실을 적용하여 스테인레스 강 케이징-알 루미늄 케이징 시험기에 대해 상온 및 극저온 기 밀시험을 수행하였다. PTFE 스태틱 실을 장착한 후 Conical 스태틱 실 시험과 동일한 방법으로 1
차 기밀시험을 진행한 결과 상온 및 극저온에서 기밀이 유지됨을 확인할 수 있었다.
시험기를 분해하지 않고 PTFE 스태틱 실이 장 착된 상태 그대로 해동 및 재냉각 후 실을 재사 용할 때에도 기밀이 유지되는지를 알아보았다.
이를 위해 1차 시험 후 냉각된 시험기를 해동한 후 시험기를 분해하지 않고 충분히 건조시켰다.
완전 건조시킨 실 시험기의 2차 기밀시험 결과 상온 및 극저온에서 기밀이 유지되었고 동일한 방법으로 수행한 3차, 4차 시험에서도 상온 및 극저온 기밀유지에 성공하였다.
이종 소재 케이징간 열수축률 차이로 인해 각 각 수축이 일어나 기밀 면 틈새가 벌어지게 되는 데 기밀 면이 반경방향인 Conical 스태틱 실은 케이징의 반경방향 수축시 더 이상 기밀 면을 유 지할 수 없어 누설이 발생한다. 그러나 PTFE 스 태틱 실의 경우 내부 Inconel 스프링의 탄성 복 원력이 외부 PTFE 자켓 립을 축방향으로 밀착시 켜 축방향 기밀 면이 형성된다. 또한 알루미늄 케이징이 축방향 수축을 하면 외부에서 두 케이 징을 결합하는 스터드 볼트도 역시 수축하여 두 케이징 사이를 밀착시킴으로서 실의 축방향 틈새 증가를 보상한다.
이번에는 시험기 분해 후, 재조립시 이미 사용 하여 소성 변형된 PTFE 스태틱 실을 장착하여 PTFE 스태틱 실을 재사용하여도 기밀 성능을 유 지하는지 알아보았다. 시험결과 상온 환경에서는 기밀이 유지되었으나 극저온 환경에서는 기밀 유 지에 실패하였다.
3.3 Energized C 스태틱 실
C 스태틱 실의 적용 및 재사용시 기밀 유지 여부를 확인하고자 앞의 PTFE 스태틱 실 적용 시험과 동일한 시험 조건 및 방법으로 스테인레 스 강 케이징-알루미늄 케이징 시험기에 대해 기 밀시험을 수행하였다. 시험기 분해없이 C 스태틱 실 장착 상태를 유지하며 해동 2회를 포함한 총 3회의 상온 및 극저온 기밀시험을 수행한 결과 기밀 유지에 성공하였고, 시험기의 완전 분해 후 소성 변형된 C 스태틱 실을 재사용한 상온 및 극저온 기밀시험도 성공하였다.
C 스태틱 실도 PTFE 스태틱 실과 같이 케이 징과의 축방향 접촉면이 기밀 면이어서 케이징의 축방향 수축을 실 내부의 energized 스프링이 보 상해준다. 동일한 크기의 실 틈새 형상에서 실을 재사용한 경우 C 스태틱 실 사용시에만 극저온 기밀이 유지되는 것으로 보아 실의 탄성 복원력 은 C 스태틱 실이 PTFE 스테틱 실보다 더 우수 한 것으로 판단된다.
Conical 실 PTFE 실 C 실 형 상
소 재 알루미늄
- 외부자켓 : PTFE - 내부스프링 : Inconel
- 외부라이닝 : 알루미늄 - 내부라이닝 : Inconel - 내부스프링 : Nimonic90 기밀면
요구조도 Ra1.25㎛ Ra0.2㎛ Ra1.6～3.2㎛
탄성복원력 반경방향 축방향 축방향
상온기밀 ○ ○ ○
극저온기밀 × ○ ○
실장착 상태 유지 재사용
기밀
상온 - ○ ○
극저온 - ○ ○
시험기 분해후 재사용 기밀
상온 - ○ ○
극저온 - × ○
표 3 3종 스태틱 실 비교
표 3에 3가지 종류의 스태틱 실(Conical 스태 틱 실, PTFE 스태틱 실, C 스태틱)의 기밀시험 결과를 비교 및 정리하였다. Conical 스태틱 실 은 극저온 기밀시험시 누설이 발생하였으므로 재 사용시의 누설 여부에 대한 시험은 수행하지 않 아 결과를 나타내지 않았다. 앞에서 기술한 바와 같이 스태틱 실 장착 후 상온 및 극저온 환경 기 밀시험, 스태틱 실 재사용시의 상온 및 극저온
환경 기밀시험 등 여러가지 기밀시험을 수행한 결과 C 스태틱 실과 PTFE 스태틱 실은 산화제 펌프의 스태틱 실로 적용이 가능하다는 결과를 얻을 수 있었다.
4. 결 론
이상에서 75톤급 터보펌프용 케이징 실 부위 모사 시험기에 대해 3가지 종류의 스태틱 실 (Conical 스태틱 실, PTFE 스태틱 실, C 스태틱 실)을 적용하여 극저온 환경에서의 기밀 유지 여 부 시험을 수행하였다.
75톤급 터보펌프에서 새롭게 적용된 이종 소 재간 케이징에서는 이미 30톤급 터보펌프에서 검 증된 Conical 스태틱 실이 기밀 유지에 실패하였 음을 확인하였다. 이는 극저온 환경에서 이종 소 재간의 열수축률 차이로 인해 실 틈새가 증가하 고 이로 인하여 Conical 스태틱 실의 기밀 면인 내경, 외경 면이 케이징과 제대로 접촉을 유지하 지 못했기 때문으로 판단된다.
PTFE 스태틱 실 및 C 스태틱 실의 경우 상온 및 극저온 기밀시험에서 누설이 없음을 확인하였 고 시험기 분해없이 수회의 해동 및 재냉각 과정 을 통하여 기밀이 유지됨을 확인하였다. 기밀 면 이 반경방향이어서 케이징 구조상 실 틈새 보정 을 못하는 Conical 스태틱 실과 달리 PTFE 스태 틱 실 및 C 스태틱 실은 축방향으로 기밀 면이 형성되므로 내부 스프링의 탄성 복원력 및 스터 드 볼트의 축방향 수축이 케이징의 축방향 수축 을 보상한다.
시험기 분해 후 소성 변형된 실을 재사용한 기밀시험에서는 C 스태틱 실이 PTFE 스태틱 실 에 비해 극저온에서 기밀이 유지되는 우수한 특 성을 보였다.
참 고 문 헌
1. 김진한, “국내 터보펌프 개발 현황”, 한국추진 공학회지, 제12권, 제5호, 2008, pp.73-78
2. 곽현덕, 전성민, 김진한, “고추력 터보펌프용 추진제 혼합 방지 실 개발”, 한국윤활학회지, 제24권, 제6호, 2008, pp.349-354
3. Catalog of SAINT-GOBAIN(Inc.), "Omni Seal Handbook"
4. Catalog of Garlock(Inc.), "HELICOFLEX Spring Energized Seals"
5. The Materials Information Society, ASM Handbook(Metals Handbook), the United States of America, 2000, pp.45, pp.871
