LE-7A 엔진 액체수소 터보펌프의 축 진동 문제 해결

이전 글에서는 LE-7 엔진 액체수소 터보펌프의 축 진동 문제 해결과 관련된 글을 썼다. 시제 개발 과정에서 베어링에 댐퍼 적용, 회전체 결합 방식을 스플라인 조인트에서 커빅 조인트로 수정, 축계의 강성 증가 등등 여러 방법들을 적용하고 나서야 축 진동 문제가 해결되었다.

이후인 LE-7A 에서는 전체적으로는 LE-7과 같은 축계 구성을 사용하였으나, 액체수소 터보펌프 터빈의 구동 동력이 상승하고 터빈 블레이드 팁에서의 누설 유동이 유발하는 힘으로 인하여 터빈 디스크의 1차 고유진동수 영역에서 자려진동 문제가 발생하였다.

오늘 쓸 글은 이 문제해결 방식에 대한 내용이다. 국내 논문에서는 본 적 없기 때문에 추후 개발 과정에 참고가 될 수도 있을것같다. 해당 논문의 제목은 아래와 같다. 저자는 내가 번역했던 회고록의 저자인 카미죠 켄지로（上條謙二郎）이다.

"ロケットの液体水素ポンプ"

이를 위해 우선 LE-7 계열 액체수소 펌프의 축 씰 계통에 대해 알아보아야 한다. LE-7과 7A 모두 터빈 측에 메카니컬 씰 외에도 카본 링 플로팅 링 씰이 적용되어 있다. 그냥 그림만 보기에는 2단 펌프 후단으로부터 누설된 액체수소가 터빈 측 베어링을 냉각시키고 플로팅 링 씰 및 메카니컬 씰을 지나 터빈으로 누설된다고 생각하기 쉽다. 하지만 그런 구조가 아니라, 오히려 같은 엔진의 액체산소 펌프가 채용한 구조와 유사한 구조를 사용한다.

LE-7의 액체수소 터보펌프 절개 모델. 파랗게 표시한 부분에 플로팅 링 씰이 위치한다.

논문의 저자인 카미죠 켄지로의 저서에서 언급된 LE-7 액체산소 터보펌프의 추진제 혼합방지 씰 계통 그림.
터빈 측에 위치한 두 개의 플로팅 링 씰 사이로 저온의 수소 가스가 들어간다.

다른 논문에서 언급된 액체산소 터보펌프의 추진제 혼합방지 씰 계통.
여기서는 터빈과 플로팅 링 씰 사이로 저온 수소 가스가 주입되는 것으로 묘사되어 있다.

LE-7 시리즈의 액체산소 펌프는 공통적으로 터빈 측 플로팅 링 씰에 고압/극저온의 기체 수소를 작동 유체로 사용한다. 이렇게 구성한 이유는 혼합 방지 씰 계통으로의 터빈으로부터의 열 전달을 막아 해당 계통의 성능 저하를 방지하기 위함이었다. 일종의 에어 커튼을 설치했다고 볼 수 있다.

LE-7 시리즈의 액체수소 펌프의 경우도 유사한 목적으로 설계되었다고 생각된다. 하지만, 베어링의 냉각을 위해 씰의 작동 유체가 기체수소가 아닌 고압 액체수소라는 점이 차이점이다. 아무래도 2단 임펠러 후방의 밸런스 피스톤 오리피스를 지난 액체수소의 압력이 베어링을 지나 후방의 씰들에서까지 터빈 작동유체인 고온 수소과농 가스의 압력보다 높게 유지되리라고 장담하진 못했던 모양이다.

왼쪽이 기존 LE-7 까지 사용된 플로팅 링 씰 구조, 오른쪽이 개량된 7A 에서 사용되는 구조이다.
7에서는 정직하게 축 중심을 향하여 액체수소가 유입되나 7A 에서는 접선 방향, 축 회전 방향과 반대 방향으로 유입된다.

액체수소는 2개의 플로팅 링 씰 사이로 주입되며, 주입 유로는 축 대칭 형상으로 이루어져 있다. LE-7 에서는 이 유로가 정직하게 축 중심을 향해있었다. LE-7A 에서는 해당 유로를 플로팅 링 씰과 접선 방향으로 수정하였다. 이러한 구조로 씰 내부를 흐르는 액체수소의 선회 속도를 늦춰 자려진동 영역과의 분리 여유를 확보하였다고 한다.

플로팅 링 씰은 씰 내부의 선회하는 축과의 마찰로 인해 선회하는 작동 유체가 편심 영역을 만났을 때 느려지는 속도로 인해 상승하는 정압으로 편심의 반대 방향으로 축을 밀어내는 성질이 있다. 이러한 거동은 축의 회전 속도가 빨라지면 강하게 나타나는데, 따라서 내부 유동의 회전 속도가 빠르면 빠를수록 강성도 높아진다고 할 수 있다.

플로팅 링 씰과 유사한 원리인 저널 베어링의 편심 시 압력(정압)분포.
편심되어 좁은 쪽에서 정압이 높게 형성됨을 알 수 있는데, 따라서 그림 상에서 아래에서 위로 축을 들어올리는 힘이 작용한다.

LE-7A의 경우에는 이러한 원리를 역으로 이용하여 씰 내부 작동유체의 선회 속도를 축 회전 방향과 반대 방향으로 주입하는 방식으로 늦추어 강성을 낮춘 방식이라고 생각된다. 플로팅 링 씰 전단에 디스월러 등 유동의 선회를 방해하는 장치가 있으면 씰의 강성 저하나 불안정 거동의 원인이 된다는 사실은 알고 있었는데, 오히려 이러한 방식으로 강성을 낮추어 불안정 문제를 해결했다는 것을 실제로 보니 참 신기하다는 생각이 든다.

여러모로 일본의 LE-7 계열 엔진 터보펌프의 개발 과정은 공개된 자료들이 많아서 한국의 추후 100톤급 터보펌프와 같은 사례에도 유사한 문제 발생 시 적용해 볼 만한 방식을 알려주는 것 같다.