한국추진공학회 2009년도 추계학술대회 논문집 pp.29~33 2009 KSPE Fall Conference
* 종신회원, 한국항공우주연구원 ** 정회원, 한국항공우주연구원 연락저자, E-mail: [email protected]
75톤급 가스발생기 연소시험을 위한 시험장 개선 및 수류시험
강동혁** ․ 임병직* ․ 안규복* ․ 서성현**․ 한영민*․ 최환석**
Rocket Engine Test Facility Improvement for Hot Firing Test of 75 ton-f Class Gas Generator and Cold Flow Test
Donghyuk Kang ․ Byoungjik Lim* ․ Kyubok Ahn* ․ Seonghyeon Seo**․
Yeoung-Min Han*․ Hwan-Seok Choi**
ABSTRACT
On the basis of the development experience of a gas generator for the 30 ton-f thrust liquid rocket engine combustor a Subscale Ground Firing Test Facility was designed and fabricated for a gas generator for the 75 ton-f thrust liquid rocket engine combustor. The Subscale Ground Firing Test Facility developed is going to be used to develop 75 ton-f class gas generator.
Acquired data and test technique from this facility will be used to develope the high performance liquid rocket engine combustor and the Ground Firing Test Facility. This report describes the improved Subscale Ground Firing Test Facility for 75 ton-f class gas generator and results of the cold flow test.
초 록
30톤급 가스발생기 개발 경험에서 습득된 기술을 바탕으로 75 톤급 액체로켓용 가스발생기를 개발 하기 위한 소형연소시험장 개량이 이루어졌다. 개량된 시험설비는 75톤급 가스발생기 개발에 활용될 예정이며, 이를 통해 획득한 자료와 개발된 시험평가 절차와 기법을 토대로 고성능 로켓엔진 개발과 실물형 시험평가 설비 개선에 활용될 것이다. 본 논문에서는 75톤급 가스발생기 개발을 위해 개량된 시험설비와 수류시험 결과를 제시한다.
Key Words: Liquid Rocket Engine (액체로켓엔진), Subscale Ground Firing Test Facility (소형연소시험 설비), Gas Generator(가스발생기), High Performance Liquid Rocket Engine (고성능 로 켓엔진), Cold Flow Test (수류시험)
1. 서 론
한국항공우주연구원(이하 항우연)에서는 소형
위성발사체(KSLV-I) 개발사업의 일환으로 개방 형 사이클을 채택한 30톤급 액체로켓엔진 개발 을 진행하였으며, 액체로켓엔진에 연료와 산화제 를 공급하기 위한 방법으로 터보펌프 국산화개 발이 이루어지고 있다[1-2]. 터보펌프에서 터빈은 고온, 고압의 작동유체를 팽창시켜 펌프 구동을 위한 축 동력을 만들어내게 되는데, 터빈에 고 온, 고압의 작동유체를 공급하기 위하여 우주발 사체용 액체추진 로켓시스템에 가장 널리 사용 되고 있는 것이 가스발생기 사이클이다. 액체로 켓엔진에 연료와 산화제를 공급하기 위한 터보 펌프의 터빈을 작동시키는 가스발생기 개발은 단일분사기, 축소형 가스발생기, 실물형 가스발 생기를 순차적으로 설계 및 제작하여 수류시험 과 연소시험을 통해 개발되어진다. 가스발생기 개발을 효율적으로 하기 위하여 개발비용과 기 간을 단축하고, 또한 개발에 따른 위험부담을 줄 이기 위해 성능평가가 이루어지며 성능평가를 위한 시험설비의 구축은 필수적이다[3-4]. 현재 한국항공우주연구원은 가스가압식 수평형 지상 연소시험설비(Rocket engine Test Facility: ReTF) 를 원내에 준공하여, 액체로켓엔진 개발을 위한 수류 및 연소시험들이 수행되고 있으며, 또한 실 물형 연소시험설비와 동일한 구성을 갖는 소형 연소시험장도 구축되어있다[5]. 소형연소시험장 은 연소기 개발 과정에서 발생하는 여러 설계변 수의 적용이 실물형 연소시험설비 보다 용이하 여 다양한 시험대상과 각종 시험 기법의 개발을 통한 개발 초기의 비용과 위험부담을 줄일 수 있다.
소형연소시험장에서 액체산소와 케로신을 추 진제로 하는 30톤급 가스발생기 개발을 위해 8 기의 축소형 가스발생기 시제와 11기의 실물형 가스발생기를 제작하여 총 105회의 시험이 수행 되어 졌으며, 75톤급 가스발생기 개발을 위한 시 험장 개량이 이루어졌다.
2. 소형연소시험설비
소형연소시험설비는 추진제공급시스템, 제어계
측시스템, 부대설비로 구분되어진다. 추진제공급 시스템은 추진제를 시험대상과 조건에 맞게 공 급하기 위해 산화제공급시스템, 연료공급시스템, 냉각수공급시스템, 질소공급시스템, 점화시스템 등으로 구성되며, 제어계측시스템은 추진제 공급 시스템의 제어와 계측을 하는 제어 및 계측시스 템으로 구성되어진다. 부대설비는 소음저감 설비 및 안전설비 등으로 구성되어있다. 소형연소시험 설비의 구성을 Table 1에 나타내었다.
항목 세 부 사 항
추진제공급시스템
액체산소 공급/배출시스템 Kerosene 공급/배출시스템 질소 공급/배출시스템 점화 시스템
센서 냉각 시스템 제어/계측시스템 제어 시스템
계측 시스템
부대설비
소음감쇠장치 추력측정장치
안전설비 및 탈지설비 Table 1. Subsystems of Ground Firing Test Facility
소형연소시험장은 앞에서 언급한 바와 같이 KSR-Ⅲ개발을 위해 1998년에 준공되었고, 2004 년 설비 고압화 이후 30톤급 가스발생기 개발을 위한 일련의 시험이 수행되었다. 본 논문의 주제 에 해당하는 75톤급 가스발생기 개발을 위한 시 험장 개량 부분에 대해서는 다음 장에서 상세히 언급하고자한다.
3. 설비개선
가스발생기의 개발을 위해서는 상부 시스템인 엔진에 대한 요구 조건이 정해져야 하며, 이에 따라 각 하부 시스템인 연소기, 가스발생기, 터 보펌프 등의 개발 요구조건 및 규격이 결정되게 된다. 최종적인 규격이 결정되면 시험설비는 개 발하는데 필요한 시험을 수행하기 위한 설비 점 검을 통하여 개선 작업이 이루어진다.
3.1 75톤급 가스발생기 규격
75톤급 가스발생기의 개발 요구 조건의 기본 적인 사항은 30톤급 가스발생기와 유사하지만 추력 증가에 따라 추진제 유량이 거의 3배가 증 가하였다[6]. 75톤급 가스발생기의 개발 요구조 건의 기본적인 사항을 30톤급 가스발생기와 비 교하여 Table 2에 제시하였으며, 증가된 추진제 유량에 따른 추진제 공급시스템의 개선과 부대 설비 등의 개량 작업이 수행되었다.
Item 30 ton-f 75 ton-f Oxidizer LOx LOx
Fuel Jet A-1 Jet A-1 O/F Ratio 0.321 0.321 Chamber Pressure (bar) 57.8 58 Total Mass Flow Rate (kg/s) 4.40 12.68
LOx Mass Flow Rate (kg/s) 1.07 3.08 Fuel Mass Flow Rate (kg/s) 3.33 9.60 Table 2. Specifications of a 75 ton-f gas generator
3.2 추진제 공급시스템 개량
Table 2에서 이미 살펴본 바와 같이 75톤급 가스발생기는 30톤급 가스발생기와 비교하여 추 진제 공급량이 크게 증가하였다. 산화제공급은 기존 시스템의 추가적인 개량작업 없이 시험수 행이 가능하지만, 연료공급 라인은 런탱크로 부 터 가스발생기로 공급되는 라인이 1“로 구성되 어 발생되는 차압은 60 bar이며, 증가된 유량을 맞추기 위해서는 런탱크 가압압력이 높아져야하 는 위험성이 있어 배관 수정이 이루어졌다. 이에 따라 기존의 런탱크를 사용하여 공급라인의 개 량이 이루어졌는데 기존 런탱크의 노즐목 크기 는 1“로서 설계점 조건 시 노즐목에서 유속은 23.5 m/s로 cavitation 발생에 따른 과도한 압력 손실 증가는 없을 것으로 판단되어, 연료공급 라 인은 런탱크 하단에서 연료공급 종단밸브까지 1”파이프에서 2“로 변경하고 종단밸브 또한 2”
로 교환하였다. 또한 공급배관 변경과 압력이 증 가되어 터빈유량계와 질유량계가 2“의 모델로 변경이 이루어졌다. 연료유량은 venturi 대신 종
단밸브 전단에 오리피스를 설치하여 유량을 제 어하였다. 2”로 개량된 라인의 유속은 설계점 조 건에서 대략 6 m/s, 연료 런탱크 노즐목에서 걸 리는 차압은 30톤급 가스발생기 시험에서 3 bar 정도였고, 유량이 대략 3배가 되므로 차압은 9배 로 증가 대략 25 bar 정도로 예상된다. 연료 런 탱크를 제외하고 배관이 수정되어 배관 차압들 은 기존과 거의 유사할 것이며, 시험 수행은 무 리가 없을 것으로 판단된다. Fig. 1은 연료 런탱 크 하부의 변경된 연료라인을 나타낸다.
Fig. 1. Fuel line
3.3 소음기 개량
가스발생기 연소시험을 수행하는 과정에서 연 료 과농의 미연가스가 발생되는데, 이는 외부 폭 발의 위험성이 매우 크기 때문에 미연가스 처리 설비가 추가되었다. 미연가스 처리 방법에는 외 부에 가스토치를 사용하여 연소시키는 방식이 있는데, 현재 시험장에는 이를 적용하기 어려워 기존 설비인 소음기와 저수조를 개량하였다.
소음기는 길이방향으로 4군데에서 초당 64 kg/sec의 물이 연소가스 온도 저감 및 soot제거 를 위해 분사가 이루어지며, 분사된 물을 처리하 기 위한 2개의 저수조가 설치되어있다. 미연가스 는 질소를 사용하여 연소가스를 희석시켜 처리 하였는데, 1차적으로 소음기로 유입되는 공기를 차단하기 위해 소음기와 가스발생기 노즐을 벨 로우즈 형태의 덕트와 연결하고, 소음기 내부로 액체질소를 분사하는 1“배관 2개를 구성하였다.
액체질소는 소형연소시험장의 고압질소제조설
비에 연결되어 있는 액체질소 저장탱크에서 공 급받게 된다. 공급되는 유량은 자체 승압밸브에 의해 가압되는 저장탱크 압력에 의해 결정된다.
일정 수준으로 가압된 상태에서 자동밸브를 사 용하여 액체질소를 소음기 내부로 공급하여 연 소시험 전에 소음기 및 저수조를 질소 분위기 만들어 미연가스에 의한 폭발을 방지하도록 하 였다. 액체질소 공급을 효율적으로 하기 위하여 공급배관은 저유량과 대유량의 두 가지 모드로 운영이 가능하며 분사 전에 기화되는 것을 막기 위해 단열작업을 하였다. Fig. 2는 가스발생기와 노즐의 연결된 모습을 보여준다.
Fig. 2. Configuration of the gas generator and the duct
4. 가스발생기 장착 및 수류시험
변경된 설비의 제어 및 유체역학적인 특성을 파악하기 위한 수류시험을 수행하였다. 수류시험 을 통해 획득된 자료는 실제 연소시험을 수행하 기 위한 기본 자료로 사용하고 실제 연소시험에 준하는 시험 과정을 수행함으로써 장비 및 설비 의 검증도 병행할 수 있는 중요한 시험이다.
4.1 가스발생기 장착
본 시험에 사용된 가스발생기는 개발 초기의 비용 및 시간을 절약하기 위해 조립형으로 제작 되었는데 분사기 헤드, 실린더 부 그리고 노즐부 의 3부분으로 나눌 수 있다. Test Stand에 장착
하기 위해 각각의 단품을 하나로 조립하는 과정 이 필요하며, Test Stand에 장착 시 종단밸브와 헤드의 연결은 가능한 단거리로 하여 데드 볼륨 에 의한 연소시험 종단 시 손상 위험을 줄이는 것이 필요하다. Fig. 3은 소음기와 가스발생기 노즐을 연결시키기 전 가스발생기가 Test Stand 에 장착된 모습을 나타낸다.
Fig. 3. Configuration 75ton-f gas generator
4.2 수류시험
수류시험은 연소시험과는 달리 연소기 내부의 압력이 없는 상태로 진행되기 때문에 1차적 차 압을 고려하여 설계된 유량이 정상적으로 공급 되는 것을 확인하는 것이 중요하다. Fig. 4, 5는 실제 연소압에서 설계 유량을 공급하기 위한 차 압을 계산하기 위한 시험 결과로 연료와 산화제 라인의 압력 값을 나타내고 있다. 수류시험 결과 설비 차압이 연료 12.0 bar, 산화제는 28.0 bar로 산화제가 연료보다 현저히 높게 계측된 것은 산 화제의 유량 조절을 venturi를 사용하기 때문에 수류시험 시에는 venturi 후단 압력이 없는 상태 로 진행되어 cavitation이 발생했기 때문이다.
또한 cyclogram을 설정하기 위해서는 추진제 도달시간을 알아야 하는데 Fig. 6에 고주파 센서 를 사용하여 측정한 시험 결과를 제시하였다. 연 료는 종단 밸브를 5.0초, 산화제는 5.3초에 open 신호를 보내 추진제가 연소기헤드에 도달되는 시간이 연료와 산화제 각각 0.49, 0.21 초로 계측 되어 연소시험을 위한 cyclogram을 설정하는 데 이터로 사용되었다.
Fig. 4. Pressure of Main Kerosene
Fig. 5. Pressure of Main LOx
Fig. 6. Pressure of Kerosene / LOx
5. 결 론
75톤급 가스발생기를 개발하기 위하여 추진제 공급시스템, 부대시설 등의 개선작업을 통하여 시험장 개량이 이루어졌다. 시험설비의 개량은 30톤급 가스발생기의 개발 기술력을 바탕으로 세밀한 부분까지 시험설비 개량에 적용함으로서 보다 완벽한 시험설비로 개량이 되었다. 개량된 소형연소시험설비는 75톤급 가스발생기 개발에 활용될 예정이며, 이를 통해 획득한 자료와 개발 된 시험평가 절차와 기법을 고성능 로켓엔진 개 발과 실물형 시험평가 설비 개발에 활용될 것이 다.
참 고 문 헌
1. 서성현, 임병직, 안규복, 한영민, 최환석, “터 보펌프 환경에서 가스발생기 연소특성”, 2008 춘계학술발표회 논문집, 2008, pp.
719-722
2. 최환석, 서성현, 김영목, 조광래, “추력 30톤 급 액체산소/케로신 로켓엔진 연소장치 개 발(Ⅱ)-가스발생기”, 한국항공우주학회지, 2009. 10, pp. 1038-1047
3. 한영민, 조남경, 정용갑, 김승한, 문일윤, 박 성진, 이광진, 고영성, 김영한, 이강엽, 김형 모,이수용, 이대성, “액체로켓엔진 지상 연소 성능 시험설비”, 한국항공우주학회 춘계학술 발표회, 2002, pp. 459-466
4. 강동혁, 임병직, 문일윤, 서성현, 한영민, 최 환석, “액체로켓엔진 연소기 지상연소시험설 비 운영관리 기술”, 한국추진공학회 추계학 술발표대회. 2006. 11, pp.157-162
5. 김승한, 임병직, 한영민, 설우석, 이수용, 문 일윤, “액체산소/케로신 소형로켓엔진 연소 시험설비”, 한국추진공학회 추계학술대회 논 문집, 2004. 11, pp. 166-169
6. 안규복, 서성현, 한영민, 최환석, “75톤급 액 체로켓 엔진 가스발생기 설계 및 제작”, 한 국항공우주학회 춘계학술대회 2008.
