Kamijo Kenjiro - 제 4장, 고압 펌프 선행연구 - 액체수소 펌프

1. 고압 액체수소 펌프 

이 시험(고압 액체산소 펌프) 후, 그림 4.4와 같은 액체수소용 2단 원심 펌프 시제 시험이 행해졌다. 펌프의 사양은 회전수 80,000 RPM, 차압 26 MPa, 유량 43.9 L/s 였다. 시제에 대해 특히 주목할 만한 것은 펌프 측 베어링의 위치와 축 씰에 플로팅 링 씰을 적용한 것이었다. 이번에는, 구조를 검토한 결과 발화할 가능성이 없는 액체수소에 의한 냉각작용이 기대되기 때문에 플로팅 링 씰을 적용하였다.

그림 4.4. 고압 액체수소 펌프 시제 단면도. 
베어링이 인듀서 - 전방 임펠러 사이에 위치한 것과, 구동축 측의 세 개의 플로팅 링 씰(フローテングリングシール)에 주목.

2. 고압 액체수소 펌프의 효율 측정

플로팅 링 씰을 적용하였기 때문에 베어링을 냉각하고 외부로 방출되는 펌프 작동유체의 양이 줄어들어 이전에 언급한 효율 측정법은 필요 없어졌다. 압축성을 무시할 수 있는 시험조건에서 구한 단열 효율과 펌프 효율의 비교를 그림 4.5에 나타내었다. 양자가 잘 일치되는 것을 볼 수 있다.

따라서, 간편한 효율측정법을 정립하는 것이 가능했다. 나아가, 제 1장의 식 (7)에서 제시한 참값에 가까운 효율(𝝶tr) 은 단열효율을 이용하여 용이하게 구할 수 있으므로 압축성이 큰 액체수소 펌프의 효율측정법도 정립하는 것이 가능했다.

그림 4.5. 고압 액체수소 펌프의 단열 효율과 펌프 효율의 비교.
둘이 거의 일치함을 알 수가 있다.

엔트로피 - 엔탈피 선도. 식 7을 이해하는데 도움이 된다.

식 7.
위의 엔트로피 - 엔탈피 선도와 비교해 보면 ∑𝞭his,i 는 선도 상에서 대각선 점선으로 나타난 부분을 적분한 것이라는걸 알 수 있다.

첨언 - 참고 문헌으로부터

원문에서는 고압 액체수소 펌프에 대한 설명이 부족하여 참고 문헌에서 찾은 자료로 보충한다. 참고 문헌과, 참고 문헌에서의 설명은 아래와 같다.

ロケット用高圧液酸・液水ポンプの研究

펌프 임펠러는 티타늄으로 제작되었으며, 티타늄의 강도로 결정되는 접선 방향 속도로부터 임펠러 1개당 낼 수 있는 압력은 150 ~ 180 kgf/cm^2 정도로 예상되었다. 하지만 펌프 출구 압력이 275 kgf/cm^2 정도는 되어야 하므로  원심 임펠러 두 개로 구성하였다. 이 때문에 원심 임펠러는 베어링 사이에 위치하게 되어, 인듀서와 1단 임펠러 사이에 배치할 베어링을 위한 입구 정익을 설치하게 되었다.

고압 액체산소 펌프와 동일하게 밸런스 피스톤 매커니즘으로 축 추력을 조정하였으며, 축 씰로는 펌프의 압력이 높기 때문에 저널 베어링의 원리를 이용한 플로팅 링 씰 세 개를 적용하였다. 

고압 액체수소 펌프의 시험은 실매질인 액체수소가 아니라 액체질소로 수행하였다. 구동 전기모터의 제약(아마도 NASDA의 650 kW 짜리를 사용한 듯)으로 인하여 펌프 토출압력의 최대치는 17.5 MPa 로, 설계값인 27 MPa에 비하면 꽤 낮았다. 하지만 성능시험 결과로부터 액체수소 시험에서도 사용할 수 있는 성능추정 방법을 정립하였다.

그림 7로부터 펌프 출구 온도는 입구 온도 대비 약 12 K 정도 상승한 것을 알 수 있다. 이것은 액체질소의 압축과 펌프의 마찰손실 등으로 인한 온도상승이다. 극저온 유체의 이러한 성질을 이용하면 액체수소 펌프 내부에서의 압축 과정을 추정하는 것이 가능해진다. 

그림 7. 실매질인 액체수소가 아닌 액체질소로 시험한 결과.
펌프의 압력 상승에 따라 펌프 출구 온도도 함께 상승하는 것을 알 수 있다.

액체질소 시험으로부터 펌프 효율을 구할 수 있었는데, 이것을 압축기 등의 성능 측정에 사용하는 단열효율과 같다고 판정하고, 액체수소의 압축과정을 엔탈피 - 엔트로피 선도 위에 표시한 결과가 그림 8과 같다. 점선은 등엔트로피 변화이며, 실선은 예상되는 압축과정이다. 

0.3 MPa (3.01 kgf/cm^2) 의 액체수소가 2단 원심 펌프에 의해 30 MPa (306 kgf/cm^2)까지 압축된 결과를 등 엔트로피 변화로 판정하면 0.0838/0.0690 = 1.21 의 밀도 상승이 되나, 추정되는 실제 밀도 상승은 0.0750/0.0690 = 1.086 정도로 비교적 작다.  여기서, 펌프 출구에서의 액체수소 온도는 49K 정도로 입구(약 21 K)에 비하면 28 K 정도로 높아질 것이라고 추정하였다.

그림 8. 펌프 입구 조건과 출구 조건, 그리고 그 사이에서의 압축 과정을 엔탈피 - 엔트로피 선도에 나타낸 결과.
펌프 출구의 온도(49 K) 선도와 엔탈피 선도의 교점을 찾고, 그곳까지의 압축 과정을 추정하여 진 효율을 구하였다.

정리하자면 극저온 유체가 펌프를 통과할 시 여러 원인으로 온도가 상승하는 것을 이용, 펌프 출구 온도를 엔탈피 - 엔트로피 선도에 반영하여 실제 효율을 구해나간다는 것이다. 여기서 펌프 입구과 출구 양 지점 사이에서의 온도는 적절히 추정하여 선도에 반영, 효율 추정에 활용한다.

3. 대형 액체산소/액체수소 엔진 개발 선언

NASDA는 상기의 고압 펌프 연구의 진행상황에 주목하고 있었다. 소형 고압 액체산소 펌프 시험 후인 1982년 여름, 우주개발위원을 맡은 후 NASDA 이사장에 취임한 야마우치 마사오(山内正男) 씨가 NASDA의 가쿠다 로켓개발 센터를 방문하였다. NAL과 NASDA 직원 앞에서, "NASDA는 1단용 액체산소/액체수소 엔진을 개발한다." 라고 선언하였다. 깜짝 놀라 순간 내 귀를 의심하였으나 그 뒤의 간담으로부터 NASDA는 진심이라는 것을 믿을 수 있었다.

예산이 요구된 원리 연구의 목적을 바꾸어 고압 펌프 연구를 시작해 버린 것을 부담스럽게 느끼기 시작하던 때에 일어났던 일이었기 때문에, 우리나라의 로켓 개발에 도움이 되는 선행 연구가 되었던 것에 기쁘게 생각하고, 잊지 못했던 추억이 되었다.

한 마디

이번 에피소드에서는 개인적으로 의외의 사실들을 많이 알 수 있었다. 이전 고압 액체산소 펌프 부분에서는 펌프 제작에서의 어려움도 나름 심도 있게 다루었는데 이번 고압 액체수소 펌프에서는 그러한 점이 거의 다루어지지 않았다. 아무래도 저자는 액체산소의 산화성과 필수적으로 들어가는 추진제 혼합방지 씰에 대해서 깊은 궁리를 하였고, 그러한 내용을 신경쓰지 않아도 되는 액체수소 펌프는 액체산소 펌프보다는 비교적 쉽게 개발했던 것이 아닐까 추정한다. 사실 이 고압 액체수소 펌프 이전에도 LE-5의 액체수소 펌프에 사용될 수 있는 시제 소형 액체수소 펌프를 제작하여 실제 시험도 수행한 경험이 있었다.

플로팅 링 씰의 경우 이전 LE-5의 액체산소 펌프에 적용하여 큰 실패를 맛보고 해당 씰을 플로팅 링 씰의 일종인 세그먼트 씰로 바꾸어 시험하였다는 사실을 이전에 언급한 적 있다. 세그먼트 씰은 플로팅 링 씰과 달리 씰 표면에 무늬가 파여있어 씰 자체의 성능은 플로팅 링 씰보다 우수할 것이라고 짐작했는데, 여기서 언급된 내용으로는 액체산소 펌프 시험에서 사용한 효율 측정법을 적용할 필요가 없을 정도로 누설이 적었다는 점에서 세그먼트 씰보다 성능이 우수했음을 알 수 있다. 막연하게 플로팅 링 씰은 축과 일정 부분 틈새가 존재할 수밖에 없고 단순한 실린더 형상이라 자동 조심 효과를 제외한다면 씰 자체의 성능은 타 씰 대비 낮을 것이라고 지레짐작한 것을 반성해야겠다고 느꼈다. 여기서 개인적으로 LE-5의 액체산소 펌프에 적용했던 플로팅 링 씰이 어땠길래 실패했다고 표현했는지 궁금해진다. 터보펌프 폭발은 LE-7 이전까진 없었다고 했는데...

또, 저기서 극저온인 액체수소의 냉각 작용을 기대하여 플로팅 링 씰을 적용하였다고 했는데, 이것과 비슷한 이야기를 KSLV-II 의 75, 7톤급 엔진 터보펌프 축계 설계를 수행한 연구자들로부터 들은 적 있다. KSLV-II의 터보펌프들은 추진제 혼합방지 씰에 플로팅 링 씰의 일종인 스플릿 카본 링 씰을 사용하는데, 얼핏 생각하기로는 가연성 물질인 카본으로 이루어진 씰 링이 축과 마찰이라도 한다면 즉시 액체산소와 반응, 발화할 수도 있을것이라 생각하기 쉽다. 하지만 카본은 다공성 물질로, 카본 링 내부에 액체산소가 침투하여 냉각작용을 한다고 하였다. 따라서, 어느정도 마찰하더라도 액체산소로 냉각되어 발화점 이상의 온도로 올라가지는 않는다고 한다. 

저 연구 이후 저자를 포함한 일본의 터보펌프 연구자들도 플로팅 링 씰과 액체산소 터보펌프의 부조화를 해결하여 LE-7 부터는 액체산소 터보펌프에 플로팅 링 씰을 사용하고 있다.