Vol.14, No.5, pp.66-72 (2020)
11.. 서서 론론
산업 전반에서 다양한 목적으로 유량 제어의 필요성 이 요구된다. 베르누이 방정식으로부터 유도된 유량 관
계식 Eq. 1을 살펴 볼 때, 비압축성 유체일 경우 유량 을 제어하는 방법은 유량 제어 면적을 바꾸는 방법과 전·후단 압력차를 변화시키는 방법 두 가지가 있다.
Eq. 1
대표적으로 많이 사용되는 차압식 유량 조절 기구로 는 오리피스와 캐비테이션 벤추리가 있다. 두 방식 모
증기발생기 내 냉각수 분사 노즐로의 냉각수 공급 방법에 관한 연구
오정화
1·신민규
1·조영석
1·고영성
1†1충남대학교 항공우주공학과
Study on the cooling water supply method to the cooling water injection nozzle in the steam generator
Jeong-hwa Oh
1, Min-kyu Shin
1, Young-seok Cho
1and Young-sung Ko
1,†1Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University
Abstract
In this study, a method for increasing the initial water supply was employed to protect the water injection nozzle by the flame when supplying the water to the steam generator. During the initial steam generator test, the flow rate was controlled by using the only venturi, but cooling water was not supplied to the combustion chamber at the beginning of combustion, thereby resulting in damage to the water nozzle. To solve this problem, a venturi and an orifice were configured in parallel to increase the initial supply flow rate to form a differential pressure between the water manifold and the combustion chamber. Venturi and orifice supply sequences were established through the water flow tests, and combustion tests were conducted for final verification. Consequently, a continuous supply of the cooling water at the beginning of combustion was achieved, and the experiment was successfully performed without damaging the cooling water nozzle.
초 초 록록
본 연구에서는 증기발생기 내부로 냉각수 공급 시 화염에 의한 냉각수 분사 노즐 손상이 없도록, 초
반 냉각수 공급량을 늘리는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 초기 증기발생기 시험 시 벤추리만 사용하 여 유량을 제어하였는데, 초반 유량 안정화 구간 동안 연소실 내부로 냉각수 공급이 되지 않아 냉각수 노즐의 손상이 발생하였다. 이를 해결하기 위해 벤추리와 오리피스를 병렬로 구성하여, 초반 공급 유량 을 늘림으로써 냉각수 매니폴드와 연소실 사이 차압을 형성시켜 냉각수를 공급하였다. 수류시험을 통해 벤추리와 오리피스 공급 시퀀스를 확립하였으며, 최종 검증을 위해 연소실험을 진행하였다. 실험 결과 연소 초반 지속적으로 냉각수를 공급하는 것을 확인하였으며, 냉각수 노즐 손상 없이 성공적으로 실험 을 수행하였다.Key Words : Cavitation Venturi(캐비테이션 벤추리), Orifice(오리피스), Liquid Rocket Engine(액체로켓엔
진), Steam Generator(증기발생기)Received: Apr. 21, 2020 Revised: Jun. 09, 2020 Accepted: Jun. 30, 2020
† Corresponding Author
Tel: +82-042-821-6688, E-mail: [email protected]
Ⓒ The Society for Aerospace System Engineering
두 압력 차이를 통해 원하는 유량을 공급한다는 점에 서는 원리가 동일하지만, 캐비테이션 벤추리는 목에서 공동현상(Cavitation)이 일어나 초킹(Choking)되기 때 문에 후단압에 관계없이 일정한 유량을 보낼 수 있다.
즉, 캐비테이션 벤추리에서
는 유체의 포화증기압력 으로, 25 ℃ 물일 경우 약 0.03 bar[1]이다. 이는 전 단압
에 비하면 무시 가능할 정도로 작은 압력이므 로,
에만 관계하여 유량 조절이 가능하게 된다. 특 히 액체로켓엔진 시스템은 정상 상태를 기준으로 설계 되나, 점화초기에는 연소실 압력이 대기압 상태이기 때문에 유량 제어를 위해 오리피스를 사용하게 되면 추진제가 과잉 공급되어 하드스타트가 일어날 위험이 존재하게 된다[2]. 이러한 점 때문에 액체로켓엔진 유 량 조절을 위해 캐비테이션 벤추리가 많이 사용되며 관련된 해석 및 실험적 연구가 2000년대부터 국내에 서 수행되어왔다[3-5].
본 연구는 연소가스에 물을 분사시켜 증기를 발생시 키는 장치인 증기발생기 개발 과정 초반에 발생한, 냉 각수 공급 과정에 있었던 문제를 해결하고자 진행되었 다. 증기발생기는 극초음속 추진기관이나 로켓엔진 고 공환경모사 실험 설비에서 이젝터 구동용 엔진으로 사 용되며, 가스발생기를 모사하기 위한 엔진으로도 사용 된다[6,7]. 본 연구에서 사용한 증기발생기는 고공환 경모사 실험 설비의 이젝터 구동용 엔진 목적으로 개 발되었다. 증기발생기는 고공시험 설비 운용 측면에서 핵심적인 부품으로, DLR (German Aerospace Center)[8], NASA (National Aeronautics and Space Administration)[9]에서도 관련 연구를 수행하 였다. 하지만 본 연구에서 다루고 있는 공급 시퀀스 문제의 경우 개발 노하우이기 때문에 거의 공개되지 않는 것으로 보인다.
Figure 1은 본 연구에서 사용한 증기발생기의 개략 도를 나타낸 것으로, 액체산소와 95% 에탄올을 추진 제로 사용하는 연소기에 냉각수를 공급하여 증기를 발 생시키는 장치이다. 따라서 연소기 내부에 냉각수 분 사 노즐이 배치되어 있어, 연소 초반 냉각수 공급이 원활하지 못할 경우 연소 화염에 의해 노즐이 손상을 입을 위험이 있다. 초기 증기발생기 테스트 시 냉각수
Fig. 1
Schematic of Steam GeneratorFig. 2 Initial Combustion Test Result (Only
Venturi)Fig. 3 Thermal Damage of Water Injection Nozzle
at Initial Test유량 제어를 위하여 벤추리만을 사용하였는데, 초반 연소 압력이 형성될 때 냉각수 매니폴드 압력과 연소 실 압력이 동일하게 상승하였다. Figure 2는 벤추리로 만 냉각수 유량을 제어했을 경우 연소 실험 압력 데이 터를 나타낸다. 이 때 연소 초반(1 s ~ 1.8 s 구간) 압 력 차이 없이, 동일한 곡선으로 압력이 형성 되었다.
벤추리를 통해 공급된 냉각수가 매니폴드에 충분히 압
력을 형성하기 전에 연소압이 형성됨으로써, 냉각수 매
니폴드와 연소실 사이 압력 차이를 형성하지 못했다는
것을 의미한다. 그 결과 순간적으로 냉각수 분사 노즐
이 화염에 노출되는 문제가 발생하였다. Figure 3은 당시 증기발생기에서 화염이 발생한 순간과 이로 인해 냉각수 분사 노즐이 열 손상을 입은 모습을 나타낸다.
이를 해결하기 위하여 캐비테이션 벤추리와 오리피 스를 병렬 연결하여 일정 구간 공급 유량을 늘림으로 써, 충분한 차압을 형성시켜 냉각수를 공급할 수 있는 방안을 구상하여 연구를 진행하였다. 이는 벤추리는 후류의 연소실 압력과 무관하게 유량이 제어되기 때문 에, 초기 공급량을 늘리기에 적절한 오리피스를 병렬 로 사용하여 연소 초기의 압력이 낮을 때 냉각 유량을 충분히 확보하기 위함이다.
22.. 이이론론적적 배배경경 및및 설설계계
22..11 이이론론적적 배배경경
유체의 연속 방정식 및 베르누이 방정식은 Eq. 2-3 과 같이 나타낼 수 있다.
Eq. 2
Eq. 3
본 연구에서 다루는 유체는 비압축성 유체이므로, 밀 도 변화가 크지 않기 때문에
인 것으로 가정 하면 베르누이 방정식을 Eq. 4-5와 같이 표현할 수 있다.
Eq. 4
Eq. 5
실제 측정되는 부피 유량은 마찰 손실 등으로 인해 이 론적인 값과 차이가 있기 때문에 교정 작업을 통해 얻 어지는 유출계수
를 도입한다[5]. 즉 Eq. 6과 같이 나타낼 수 있으며, 이를 질량 유량으로 나타내면 최종 적으로 Eq. 7과 같이 표현할 수 있다. 전술한 바와 같
이 유체의 밀도가 일정할 때 유량을 결정하는 것은 목 면적과 압력 차이임을 의미하며, 이 식을 통해 벤추리 와 오리피스를 설계하게 된다.
Eq. 6
Eq. 7
22..22 벤벤추추리리 및및 오오리리피피스스 설설계계//제제작작
본 연구에서 사용한 증기발생기의 운용 조건을 Table 1에 나타내었다. 고공환경모사 실험 설비의 이 젝터 구동용 엔진 사용 목적으로 설계되었으며, 이에 대한 자세한 내용은 참고문헌[6]에 기재되어 있다.
Equation 7을 통하여 이에 해당하는 냉각수 유량을 보내기 위한 벤추리 및 오리피스를 설계하였다. Table 2는 설계 결과 벤추리 및 오리피스 직경과 가압 압력 을 정리한 것이다. 냉각수 공급량을 늘려서 냉각수 매 니폴드 안정화 시간을 단축하기 위하여, 오리피스를 통한 유량은 2 kg/s가 되도록 설계하였다. 이에 따른 오리피스 후단 압력
는 20 bar이다.
Chamber Pressure 20 bar
Mass Flow Rate
LOx 0.358 kg/s 95% Ethanol 0.318 kg/s Water 1.059 kg/s Table 1 Operating Conditions of Steam Generator
Value
[bar]
[bar]
Throat Diameter
[mm]
[kg/s]
Venturi 70
*4 1.059
Orifice 20 6.5 2.0
* S aturation Vapor Pressure of Water at The Temperature
Table 2 Design Conditions for Water Injection
33.. 수수류류 실실험험 및및 연연소소 실실험험
33..11 실실험험 장장치치
Figure 4는 실험을 위한 냉각수 공급 P&ID(Piping and Instrument Diagram)를 나타낸다. 고압 공기를 사용하여 냉각수 탱크를 가압하는 방식으로, 공급 라인 은 오리피스와 벤추리를 병렬로 하여 라인을 구성하였 다. Hoffer사 터빈유량계(0~1.83 l/s)를 이용하여 유량 을 계측하였으며, 오리피스 라인의 경우 유량 2 kg/s 로 유량계 계측 범위를 넘어가기 때문에, 설계 유량을 공급하는 벤추리 라인에만 유량계를 장착하였다.
여기서
은 벤추리와 오리피스의 전단압력을 의미 한다.
는 오리피스의 유량을 결정짓는 후단압력이면 서, 냉각수 매니폴드의 압력을 의미한다.
는 벤추리의 후단압력이다. 전술한 바와 같이 이는 물의 포화증기압이며, 거의 0 bar에 가까운 압력으로 변하 지 않기 때문에 벤추리의 유량은
에만 의존하여 조 절된다.
는 연소실의 압력을 의미한다.
33..22 수수류류 실실험험
연소실험에 앞서 벤추리와 오리피스 공급 시퀀스 확 립 및 제작된 벤추리와 오리피스 검증 목적으로 수류 실험을 진행하였다. 수류 실험은 다음과 같은 세 가지 단계로 진행하였다.
(1) 벤추리 공급 실험 (2) 오리피스 공급 실험
(3) 벤추리+오리피스 공급 실험
먼저 Fig. 5는 벤추리로만 공급하였을 때 수류실험 결과를 나타낸다. 밸브 오픈 후 매니폴드 최대 압력 형성까지 1.8 s가 소요되었으며, 안정화 시 압력은 6.8 bar로 형성되었다. 이 때 유량은 1.07 kg/s로 설 계 유량이 안정적으로 공급됨을 확인하였다. Figure 6 은 오리피스로만 공급할 시 압력 형성 곡선을 나타낸 다. 이 때 유량은 직접 무게를 재어 계측하였으며, 재 현 실험결과 2 kg/s로 확인되었다. 매니폴드 압력 형 성 시간은 0.17 s로, 벤추리로만 실험하였을 때보다 안정화 시간이 훨씬 단축된 것을 확인할 수 있다.
Fig. 4
Water Supply FacilityFig. 5
Water Test (Only Venturi)Fig. 6 Water Test (Only Orifice)
Fig. 7 Cyclogram for Venturi + Orifice Test
Figure 2에서 연소압력 안정화시간이 약 0.8 s였던 것을 고려하여, 벤추리와 오리피스 오버랩 구간은 1 s 로 하는 것으로 결정하였다. Figure 7은 실험 결과를 바탕으로 선정한 냉각수 공급 시퀀스이다. 벤추리와 오리피스 밸브를 동시에 오픈하고 1초 후에 오리피스 밸브는 닫으며, 그 후 벤추리로 설계 유량을 공급하는 시퀀스이다.
Fig. 8 Water Test (Venturi + Orifice)
Figure 8은 벤추리와 오리피스 동시 실험 결과이 다. 밸브 오픈 후 매니폴드 최대 압력 형성까지 0.4 s 소요되었다. 오리피스로만 공급할 때 보다 형성 시간 이 늘어났는데, 공급 유량이 늘어남에도 불구하고 오 리피스로만 실험할 때보다 압력 형성 시간이 늘어난 이유는 냉각수 탱크 가압용 레귤레이터의 유량 계수 근처에서 운용하였기 때문이다. 따라서 가압압력이 감 소하여 압력 형성 시간이 더 늘어난 것으로 판단된다.
하지만 오버랩 구간 1 s 내에서 안정화되기 때문에, 이로 인한 문제는 없을 것으로 판단하였다. 냉각수 밸 브가 열리고 나서 0.3 s 이후부터 냉각수 매니폴드 압 력이 형성되기 시작하는데, 이는 그 때부터
와
사이 차압을 형성하여 냉각수가 연소실로 공급되는 것 을 의미한다. 연소가 시작되기 전 물이 미리 공급될 경우 증기발생기에 무리가 갈 수 있기 때문에, 연소 시작 0.3 s 전에 냉각수 공급 밸브를 open 하는 것으 로 최종 연소 시퀀스를 확립하였다. 유량의 경우 안정 적으로 설계 유량을 공급하는 것을 확인할 수 있었으 며, 전술한 바와 같이 벤추리 라인에만 유량계를 설치 하였기 때문에, 오리피스를 통해 공급된 유량은 데이 터에 나타나지 않았다.
33..33 연연소소 실실험험
수류실험을 통해 정해진 냉각수 공급 시퀀스를 바탕으 로 연소실험을 진행하였다. 연소실험 조건은 Table 1과 같으며 총 연소시간은 10 초 동안 진행하였다. Figure 9 는 스탠드에 증기발생기가 장착된 모습을 나타낸다.
Figure 10은 실험 결과 압력 그래프를 나타낸 것이다.
Fig. 9 Combustion Test Facility
Fig. 10
Combustion Test Results수류 시험 결과와 동일하게 밸브 오픈 후 0.3 s 뒤부 터 냉각수 매니폴드 압력이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 연소실 압력 형성 시 냉각수 매니폴 드와 연소실 압력 사이에 압력 차이를 형성한 것을 확 인할 수 있다. 이는 냉각수가 연소실 내부로 공급되고 있다는 의미로, 연소 초반 화염으로 인한 냉각수 노즐 손상 없이 성공적으로 실험을 진행하였다고 판단할 수 있다. 실제로 실험 후 육안 검토 결과 냉각수 노즐손 상 흔적이 없음을 확인하였다.
벤추리와 오리피스 오버랩 구간 동안 설계 유량보다 많은 냉각수가 연소실 내부로 공급된다. 본 연구에서 사용한 증기발생기의 경우 고공환경모사 시험 설비에 서 이젝터 구동용 엔진으로 사용되므로, 사용 목적 상 구조적으로 견디는 한계 내에서는 설계 유량보다 많은 유량이 공급되어도 문제되지 않는다. 하지만 많은 유
량이 공급될 경우 문제가 있는 설비라면, 오리피스를 통한 유량을 적절히 조절하여 설비를 구성해야 할 것 으로 판단된다.
44.. 결결 론론
본 연구에서는 캐비테이션 벤추리와 오리피스를 병 렬 연결하여 사용하는 방안에 대한 연구를 진행하였 다. 증기발생기 운용 시 냉각수 공급 설비를 대상으로 하였으며, 벤추리만 사용하여 유량 제어 시 공급된 냉 각수가 매니폴드 정상 압력을 형성하기 전에 연소압이 형성됨으로 인해, 냉각수 공급이 되지 않는 문제를 해 결하기 위한 목적으로 진행하였다. 본 연구를 통해 얻 은 결론을 정리하면 다음과 같다.
(1) 벤추리와 오리피스를 병렬 구성하여 냉각수를 공 급할 경우, 중첩되는 구간에서 설계 유량보다 많은 유 량이 공급된다. 따라서 오리피스를 통한 공급 유량은 냉각수 매니폴드 설계 압력 이상 올라가지 않는 한계 에서 결정해야 한다.
(2) 벤추리와 오리피스를 통한 공급 시퀀스는 수류시 험을 통해 결정한다. 이 때 동시에 오픈하는 중첩 구간 은 연소 압력 안정화 시간을 고려하여 선정한다. 또한, 연소가 시작되기 전 물이 미리 공급될 경우 증기발생 기에 무리가 갈 수 있으므로, 냉각수가 공급되는 시점 은 연소가 시작되는 시점으로 한다.
연소실 압력이 형성되는 곳 내부로 냉각수를 공급해 야하는 상황일 경우, 이상과 같이 벤추리와 오리피스 를 병렬 구성하여 초반 냉각수가 공급되지 않는 문제 를 해결할 수 있음을 확인하였다. 이 때 사용자는 위 와 같은 점을 고려하여 공급 설비를 구축 및 운용한다 면 성공적으로 설비를 운용할 수 있을 것으로 판단된 다.
후 후 기기
본 연구는 충남대학교 자체연구과제 사업의 지원을
받아서 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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