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| LE-7의 산화제 터보펌프. 사진에서 Impeller라 서술되어 있는 것이 산화제 펌프 임펠러이고, 임펠러와 후면 케이싱 사이의 공간이 밸런스 피스톤 챔버이다. |
1. 밸런스 피스톤에서의 문제 발생 - 밸런스 위치 전진
최초 제작 공시체로 시험을 실시하여, 액체산소 펌프 밸런스 피스톤의 밸런스 위치가 계산 결과보다 펌프 입구 측에 더 가까워졌다. 최악의 경우, 과도한 부하로 인하여 베어링의 파손이나 펌프 임펠러와 케이싱 사이의 접촉 등의 문제도 떠올랐다.
그 원인은 펌프 임펠러 후면 슈라우드와 여기에 마주보고 있는 케이싱의 사이의 공간을 형성하고 있는 밸런스 피스톤 챔버의 압력이 설계계산치보다 큰 폭으로 증가하였기 때문이었다. 그런데, 이 설계계산치에서 원인을 찾는 것은 불가능했다.
원인규명을 단념하고 펌프 임펠러 후면 슈라우드에 6개의 밸런스 홀을 뚫었다. 이 밸런스 홀에서, 밸런스 피스톤 챔버 내의 액체산소는 펌프 임펠러 입구부로 되돌아가, 밸런스 피스톤 챔버의 압력을 낮추어 밸런스 점의 위치는 대강 설계점으로 되돌아왔다. 하지만, 이 댓가로 펌프 효율은 수% 저하되었다.
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| 저서에서 언급되는 밸런스 홀 개념도. 소형 고압 액체산소 펌프 부분에서 언급되었다. |
2. 시험용 소형 고압 펌프에서도 같은 문제가 발생하였다!
이후, 고압 펌프의 연구자료 취득을 목적으로 시작한 소형 고압 액체산소 펌프의 시험 중 밸런스 피스톤에서 문제가 발생하였다. 펌프 정지 시에 펌프 임펠러가 입구 측으로 과하게 이동하여 전면 슈라우드와 케이싱이 접촉하는 사고가 발생한 것이었다. 다행스럽게도, 이 시험에서는 펌프 작동유체가 액체산소였지만 큰 손상은 면했다.
조사 결과, 정상상태 운전 시의 밸런스피스톤 위치는 의도한대로였다. 하지만, 정지 시의 회전수 저하 환경 하에서 밸런스 피스톤 챔버의 압력이 내려가지 않아 펌프 임펠러를 펌프 입구측으로 미는 힘이 과대해졌다. 해석 결과, 정지 시에 펌프 임펠러의 후면 슈라우드와 펌프 작동유체 사이의 유체 마찰로 일어난 발열로 인하여 밸런스 피스톤 챔버 내부의 입력 저하를 늦추고 있었다는 것이 판명되었다.
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| 저서에서 언급되는, 소형 고압 액체산소 펌프. 밸런스 홀을 갖추고 있으며 펌프 후면 슈라우드 - 케이싱 사이 공간이 밸런스 피스톤 챔버이다. |
3. LE-7의 펌프에서는 무엇이 문제였을까?
LE-7 액체산소 펌프 후면 슈라우드에 추가 가공된 밸런스 홀은, 밸런스 피스톤 챔버 내부의 압력을 낮추어 펌프 임펠러와 케이싱의 접촉 가능성을 배제하는 결과를 과져왔다. 이후, 펌프 축추력 연구에 수많은 성과를 낸 요코하마 국립대학(横浜国立大学)의 쿠로카와 준이치(黒川淳一) 교수에게, LE-7 의 액체산소 터보펌프 축 추력 설계를 의뢰하였다.
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| LE-7 액체산소 펌프 내부 형상 개략도. 밸런스 피스톤 챔버 내부에 볼트 머리가 존재한다. |
밸런스 피스톤 챔버 내부의 압력이 계산치보다 커진 원인은 그림 5.7에 도시한 밸런스 피스톤 챔버 내부의 볼트 머리(원형 홈 내부 중간에 위치함)가 유체의 원주 방향 속도를 늦추어, 그 결과 압력이 설계치보다 높아지게 된 것이 원인으로 규명되었다. (유체의 전압이 보존될 때, 유체의 동압 즉 속도가 느려지면 유체의 정압은 올라간다. 그리고 밸런스 피스톤은 정압을 이용하는 시스템이다 - 역자 주)
4. 저자의 평
이 사건이 밸런스 홀을 추가 가공하기 전에 규명되었더라면 볼트 머리의 영향을 없애(아마 홈을 메우거나 접시머리 볼트를 썼을 것이다 - 역자 주) 밸런스 홀의 추가 가공은 이루어지지 않았을 것이라고 생각한다. 만약, 그대로 개발이 진행되었을 경우 펌프 임펠러와 케이싱의 접촉사고, 최악의 경우 액체산소 펌프의 폭발 등의 사고가 일어났을지도 모른다.
통상적으로 불충분한 해결 이후 대책이 세워지지만, 그 경우 시간에 쫒기면서 불안정한 요인이 완전히 해결되지 않은 그대로 해당 대책을 사용하게 된다. 하지만 이번엔 이것이 오히려 좋은 결과를 가져다 주었다.
상당히 만나기 어려운 행운을 만났던 것이다.
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