Kamijo Kenjiro - 제 5장, LE-7 엔진 액체산소 터보펌프 개발 - LE-7 액체산소 터보펌프의 설계

LE-7 액체산소 터보펌프의 1차 설계는 경량화는 일단 뒤로 미루어 두고, 성능과 기능에 중점을 두었다. LE-5의 액체산소 터보펌프와 동일하게 NAL이 기본설계를 수행하고 상세설계와 제작은 IHI가 이행하였다. 

액체산소 터보펌프의 중요 구성품은 주 액체산소 펌프와 예연소기용 액체산소 펌프의 임펠러, 가스터빈, 베어링, 축 씰 등이 있다. 

1. 펌프 설계

주 액체산소 펌프는 흡입 성능을 향상시켜주는 인듀서를 주 펌프 임펠러 직전에 설치할 필요가 있었다. 인듀서, 2개의 임펠러(주연소기, 예연소기용), 터빈 동익, 베어링과 축 씰 등의 여러 가지 조합 방법을 생각해 보았다.

2개의 원심 펌프 임펠러는 이전의 소형 고압 액체산소 펌프의 선행 연구 성과를 이용하여 니켈계 초 내열합금을 적용하였다. 주 펌프 임펠러의 설계에 대해서는, 제작의 용이함을 중시하여 3차원 형상을 직선으로 표현하는 루르 드 서페이스 방식을 도입하였다.

루르 드 서페이스 방식으로 나타낸 LE-7 액체산소 터보펌프 임펠러

블레이드와 베인의 형상을 결정하기 위한 유체역학적 계산은 규슈 대학(九州大学)의 '세노 아츠토시(妹尾泰利)' 교수(현재 명예교수)가 개발한 프로그램을 사용하였다.

이전에 언급하였던 바와 같이, LE-5 엔진의 액체수소 터보펌프(NASDA 담당)의 축 진동이 큰 문제가 될 때 진동 대책에 있어 유효하다고 판단되는 구조의 액체수소 펌프 시험이 실시되었다. 이 액체수소 펌프의 작동 특성이 양호하였기 때문에 LE-7 액체산소 터보펌프에도 동일한 구조를 적용하였다. 여기까지 선행연구에 감사함을 느꼈다.

NAL 에서 NASDA와 동시기에 시험하고 있던 고압 액체수소 펌프 시제 도면
인듀서 - 베어링 - 펌프 임펠러 - 베어링 구조이다

그 다음 괴로워했던 문제는 주 연소기용 펌프의 임펠러(출구압력 20 MPa)와 예연소기용 펌프 임펠러(출구압력 30 MPa)의 배치였다. 주 연소기용 펌프 임펠러에서 예연소기용 펌프 임펠러까지 펌프 내부에 설치된 안내 베인을 통하여 직접 예연소기 펌프 임펠러 입구에 결합하는 구조를 생각하였다. 

저자가 생각하였던 펌프 임펠러 배치 방식과 유사하다고 추정되는, SSME의 액체수소 터보펌프 임펠러 배치

이 구조의 경우, 예연소기 펌프의 출구 압력을 축 씰이 고스란히 받아내야만 하는 구조가 되어, 극히 높은 압력을 견딜 축 씰이 필요했다. 이러한 상황을 피하기 위하여 양 펌프의 임펠러를 서로 배면을 바라보게 등지게 배치하여 구성된 구조를 설계했다. 이 구조에 대해서는, 주 연소기용 펌프의 출구 압력을 축 씰이 용이하게 견딜 수 있어 축 씰의 설계가 쉬워진다. (당연한 이야기겠지만 축 씰 설계는 씰의 압력 차이가 클 수록 어려워진다)

서로 반대쪽을 바라보도록 위치한 주연소기용 임펠러와 예연소기용 임펠러

2. 터빈 설계

가스 터빈의 설계에서는, 초기에는 회전하는 동익과 터빈 디스크를 일체형으로 설계하고(블리스크 형태), 가스를 분출하는 노즐을 원주 방향으로 몇 군데에 배치한 부분 분사 터빈(Partial admission turbine) 형식으로 설계하였다. 하지만, 시동 시의 터빈 가스로부터의 열 충격과 부분분사 터빈 팁에서의 되돌아가는 급격한 압력 변화의 반복으로 인하여 모든 터빈 동익에 원주 방향으로 규칙적인 균열이 형성되었다.

초기 설계에 사용된, 부분 분사 노즐 + 일체형 블리스크 형식의 터빈

이것을 억제하기 위해, 효율을 약간 희생하여 부분 분사 터빈을 노즐이 원주 구간에 연속적으로 배치된 완전분사 터빈(Full admission turbine)으로 교체하였고, 터빈 동익과 터빈 디스크가 작은 부품을 통해 결합되는 크라스마스 트리 형식을 사용하였다. 이 방식으로 균열 문제를 해결하였다. 

변경 후의 분리형 터빈 동익, 디스크 분리 형식의 터빈

동시기에 미국 SSME 엔진 터보펌프의 터빈 동익에서도 균열이 발생하였다는 소식을 전해들어서, 액체수소/액체산소 로켓엔진들 사이에는 공통되는 문제가 있다는 것을 인식하였다.

SSME 터보펌프의 터빈 블레이드

위에서 언급된 '크리스마스 트리' 방식이란, 터빈 블레이드와 디스크 사이의 연결 부위가 바로 위 사진의 SSME 터보펌프의 터빈 블레이드와 같은, 크리스마스 트리 형상의 구조물로 맞물리는 형식을 의미한다. 대형 가스터빈들에는 이러한 방식이 널리 쓰인다 - 역자 주

3. 회전축 씰 설계

펌프 측의 액체산소와 터빈 측의 수소 과농 가스를 완전히 분리시키는 씰의 구조에 대해서는 몇 가지 구조들을 거듭하여 생각해 보았으나 그림 5.5에 도시한 것과 같이 헬륨 퍼지 씰 직전에 위치한 2개의 플로팅 링 씰 사이에 고압/저온 수소 가스를 주입하는 방법(극저온 수소 퍼지 씰)의 장점에 주목하였다.

극저온 수소 퍼지 씰의 구조
오른쪽 고온의 터빈 구동 가스를 저온 수소로 막아내는 방식

터빈 측의 플로팅 링 씰을 통과한 저온 수소 가스가 터빈측으로 누출되도록 하기 위해 씰의 재질로 널리 사용되던 카본을 사용하는 것이 가능해졌다. (아무래도 고온 수소 환경에서는 카본도 열화 문제를 피할 수 없는듯 하다) 더욱이, 씰 시스템 전체가 저온성능을 유지하기 위하여 축 씰에 없을 수가 없는 열변형을 억제하는 것이 가능해진다.(아무래도 뜨거운 터빈 가스가 차가운 수소 가스에 막혀버리니깐)

 거기에 더하여 그림 5.5에 보이는 바와 같이, 헬륨 퍼지 씰의 접촉면을 형성하는 씰 라이너의 직경을 키워, 유체력을 이용하는 동압력 세그먼트 씰의 특징을 추분히 구현 가능해짐에 따라 카본의 내구력이 보존된다(세그먼트 씰의 내부 라이너도 카본이다. 이러한 축의 회전 각속도로 인한 동압력을 이용하는 씰들의 경우 회전 각속도가 커질수록 씰의 차압도 커진다) 머리를 쥐어짠 설계가 어떻게 중요하게 되었는지 생각하게 된 사건들이었다.

미국 SSME의 경우 저온 수소 가스 퍼지 씰을 사용하지 않고 고온에 견디는 세라믹을 적용한 플로팅 링 씰을 샐로 개발하여 적용하였다. 따라서, 씰 시스템 전체가 고온이 되어 씰 부품의 변형을 최소로 억제하는 설계가 필요해짐에 따라 베어링부터 터빈의 오버행 부분이 비교적 커지게 되었다.

비교용 SSME의 액체산소 터보펌프. 비교적 긴 오버행이 특징.

1986년부터 1987년까지 2차 설계분 액체산소 터보펌프(그림 5.6)를 제작하였다. 1989년(헤이세이 원년) 실물 엔진에 탑재할 시제 터보펌프를 제작하였다. 해당 터보펌프는 회전축계는 원형 터보펌프와 극히 동일하였으나 엔진에의 설치를 고려한 터보펌프였다.

2차 설계 후의 터보펌프

첨언

저서에 나온 씰 시스템의 형상과 논문에서 언급된 씰 시스템 형상은 좀 다르다. 논문에서 언급된 구조는 아래와 같다.

기존의 터빈 측 플로팅 링 씰 두 개의 사이로 들어가던 극저온 수소 가스가 외측 터빈 플로팅 링 씰 - 터빈 라비린스 씰 사이로 들어가도록 바뀌어 있다. 이렇게 하여 16.7 MPa 의 기체 수소는 단계적으로 압력을 낮춤과 동시에 일부는 벤트되고, 플로팅 링 씰 2개를 통과하여 압력이 낮아진 상태로 헬륨 퍼지 씰을 만나 퍼지된다.

참고문헌

液体酸素ターボポンプ用セグメントシールの密封特性, NAL TR-1130

水素脆性試験裝置の試作とLE-7タービン材料(Inconel 718, MAR-M 247 LC DS)の高温高圧水素中での引張り特性, NAL TR-1092