최근에 일본의 터보펌프와 관련하여 좋은 논문들을 담은 학회지를 입수했다.
일본 터보기계협회(ターボ機械協会, Turbomachinery Society of Japan)의 협회지로, 터보기계와 관련된 일본의 논문들이 올라왔다. 물론 수록된 논문은 절대 다수가 일본어로 쓰여있다.
이들 중 2022년 7월호의 특집이 '로켓 분야 터보기계 개발의 현 상황과 전망(ロケットとこれに関わるターボ機械の開発の現状と展望)' 으로, 해당 호에 액체로켓엔진의 터보펌프 및 전기펌프와 관련된 논문들이 대거 실려있었다.
나는 여기서 '로켓 재사용을 위한 회전축 씰 기술(ロケット再使用に向けた軸シール技術)' 이라는 논문을 읽고 번역 및 리뷰하였다. 저자는 이글 공업 주식회사(イーグル工業株式会社)의 키쿠치 류(菊池 竜) 이다.
이글 공업에서는 과거 LE-5 엔진 개발 시부터 터보펌프의 회전축 씰을 개발 및 납품한 바 있다.
논문에서 언급된 터보펌프의 회전축 씰은 크게 접촉식 씰과 비접촉식 씰로 나뉘어져 있다. 이들 방식에 따라서 씰의 차압, 밀봉성, 수명 등이 갈린다. 터보펌프에서는 이들 씰들을 여러 종을 조합하여 원하는 성능을 발휘하도록 한다.
1. 비접촉식 씰 - 플로팅 링 씰이 낫다
비접촉실 씰로는 라비린스 씰, 웨어링 링 씰, 플로팅 링 씰 등이 언급되어있었는데 웨어링 링 씰이 특성상 씰의 치면이 웨어링 링 내부로 파고들어가 작동하는 형식이라 접촉식 씰로 분류될 줄 알았던 나로서는 의외였다.
공통적으로 차압 측면에서 접촉식 씰들 대비 우수하다.
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| 웨어링 링 씰 과 라비린스 씰이 조합된 형식 |
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| 플로팅 링 씰의 예시 |
이들 씰들 중에서 플로팅 링 씰이 가장 좁은 간극을 가지도록 설계할 수 있어, 라비린스 씰 대비 차압 측면에서 우수하다고 언급되었다.
이 이유는 회전축과 씰 내면 사이를 흐르는 유체의 로마킨 효과(Lomakin Effect)때문으로, 편심 발생 시 더 좁은 간극 측에서 더 높은 정압이 형성되어 이로 인해 더 넓은 간극 쪽으로 회전축을 밀어내기 때문이다. 이러한 효과를 한국에서는 '자동 조심 효과' 라고 한다. 이로 인해 플로팅 링 씰에 작용하는 회전체동역학적 유체력은 회전축계의 안정성을 증가시키는 방향으로 작용한다.
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| 플로팅 링 씰에 작용하는 회전체동역학적 힘 성분들 - 합력이 휘돌림(Whirling)을 막는 방향으로 작용하도록 묘사되어 있다 |
여기서 짚고 넘어가야 하는건, 언급된 플로팅 링 씰은 카본제 씰 링 외부에 회전축과 동일한 재질의 금속제 링을 열박음하여 제작한 씰로 극저온에서의 열팽창 계수 차이로 인한 간극 변화를 막은 형식이다. 따라서 동구권 및 한국에서 보이는 임펠러 전/후면(LE-5의 액체산소 펌프의 웨어링 링 씰 위치와 같다.)에 적용된 전 금속제 플로팅 링 씰과는 좀 다르다.
물론 동구권 설계, 적어도 한국의 설계에서도 회전축(정확히는 추진제 혼합방지 씰)에 카본제 플로팅 링 씰을 사용중이다.
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| 카본제 내부 씰 링 - 금속제 외부 씰 링으로 구성된 회전축 씰용 플로팅 링 씰 - 회색으로 묘사된 카본 링과 흰색으로 묘사된 외부 금속제 링이 잘 보인다. |
2. 접촉식 씰 - 동압 교환으로 부상시키는 형식 필요
접촉식 씰로는 세그먼트 씰과 메카니컬 씰 계열이 언급되었다. 공통적으로 비접촉식 씰 대비 밀봉성이 높으나, 마찰이 일어나는 구조로 수명이 짧으며 차압이 낮다.
세그먼트 씰은 LE-5 부터 일본 터보펌프의 추진제 혼합방지 씰로 사용되어왔다. 해당 씰은 카본제 원호(세그먼트)들 몇 개가 씰 링을 형성하고, 외부를 가터 스프링이 둘러싸 원형을 유지한다. 가터 스프링의 존재로 특정 세그먼트가 마모되더라도 회전축 라이너와의 밀착이 유지된다.
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| 세그먼트 씰 계열 씰의 개략도 - 외부에 가터 스프링이 존재하며 카본 링이 여러개로 나뉘어져 있음에 주목 |
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| LE-7의 추진제 혼합방지 씰로 적용된 세그먼트 씰 |
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| LE-5 엔진 액체산소 터보펌프(개량 전 모델)의 터빈 가스 씰(추진제 혼합방지 씰 - 터빈 사이) 라이너 - 세그먼트 씰이 적용되었으며, 세그먼트와 회전축 라이너가 접촉한 흔적이 검은 줄로 나타난다. |
세그먼트 씰은 구조상 비접촉식 씰과 같은 높은 차압을 감당할 수 없다. 따라서 카본 링 내부에 고압 측으로부터 저압 측 직전까지 유로를 파 놓아 카본 링 - 라이너 간 접촉부가 감당해야 하는 부하를 경감시킨다.
유로만으로 부하를 감당하기 힘든 조건(ex. 터보펌프처럼 초고속 회전, 산업용 대비 비교적 고차압 조건)에서는 아예 씰 링 내면에 복잡한 홈을 파 특정 회전수 이상에서는 라이너로부터 부상하도록 한다. 여기서 이 홈 구조를 '레일리 스텝(Rayleigh Step)'이라 한다. 레일리 스텝으로 씰 내부를 흐르는 유체가 감속되어 동압 교환으로 부상되도록 하는 구조이다. 따라서, 특정 회전수 이하까지는 누설이 거의 없이 일정하게 유지되다 특정 회전수 이상부터는 회전수에 따라 누설량이 선형적으로 증가한다.
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| 개량 전 LE-5 엔진 액체산소 터보펌프의 세그먼트 씰 형상 왼쪽부터 추진제 혼합방지 씰, 터빈 가스 씰 |
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| 레일리 스텝의 형상 - 복잡한 유로 형상으로, 원주 방향으로 흐르는 유체의 속도성분을 저감시킨다 2차 씰 면(２次シール面)이라 표기된 부분이 저압측으로, 레일리 스텝 외에도 고압측에서 저압측 직전까지의 유로도 존재한다. |
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| 세그먼트 씰의 회전수 - 누설량 그래프(실선이 예측, 점이 실험) 특정 회전수에서 씰의 부상으로 인해 갑자기 누설이 증가하는 모습을 볼 수 있다. |
메카니컬 씰은 회전축의 메이팅 링(주로 금속)과 벨로우즈로 메이팅 링에 밀착되는 정지된 씰 링(주로 카본 계열이 쓰인다)으로 이루어진 구조의 씰이다.
산업용 씰들의 경우 벨로우즈가 고무제 O 링이나 금속 스프링으로 이루어진 경우도 존재하나 고회전, 극저온 조건의 터보펌프에서는 금속 용접 벨로우즈가 사용된다. 이러한 메카니컬 씰은 고회전 환경하에서의 추종성(아마 메이팅 링과의 마찰로도 씰 링이 회전하지 않는다는 의미인듯) 및 내열/내한성이 우수하다.
메카니컬 씰은 작동 중 고압측의 압력으로 인해 씰 링이 고압측에 대해 열리는 방향으로, 쉽게 설명하자면 고압측으로 벌어져서 메이팅 링 - 씰 링 접촉부의 압력 구배가 완만히 떨어지는 형상으로 변형된다. 일본의 경우 LE-5용 메카니컬 씰 개발 시 씰 링의 도심을 형상을 변경시키는 방법으로 이동시켜 작동 시 고압 측에 대해 닫히는 변형이 일어나도록 하여 씰의 성능을 향상시켰다.
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| 개량 전 LE-5 터보펌프의 메카니컬 씰 - 고압 측에 대해 씰 링이 벌어지는 방향으로 변형이 일어남 |
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| 개량 후 LE-5 터보펌프의 메카니컬 씰 - 도심 위치가 이동하여 고압 측에 대해 닫히는 방향으로 변형이 일어남 |
세그먼트 씰과 유사하게, 메카니컬 씰도 마찰로 인하여 마모가 일어난다. 따라서 수명이 짧으며 고 부하 조건에서는 씰 링이 과도하게 마모되어 과도한 누설이 일어날 수 있다.
따라서, 씰 내부로 유입되는 작동유체의 동압 교환으로 인해 정지 시 혹은 저회전 조건에서는 밀착해 있다 작동 중 살짝 부상하도록 하는 시도가 존재한다. 회전하는 메이팅 링 표면에 특정한 패턴을 가공하여 작동유체의 동압이 정압으로 교환되어 씰을 밀어내도록 한다. 여기서 표면의 패턴을 '텍스쳐 패턴(Texture Pattern)' 이라 부르며, 적용된 메카니컬 씰을 '유체 동압 메카니컬 씰(Hydrodynamic Mechanical Seal)'이라 부른다.
해당 방식은 일본에서는 산업용으로 실용화되었으며 터보펌프의 경우에는 현재 개발중인 것으로 보인다.
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| 메이팅 링 표면의 텍스쳐 패턴 - 미국의 사례 |
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| 메이팅 링 표면의 텍스쳐 패턴 - 중국의 사례 |
표면 텍스쳐 패턴에는 두 가지 방식이 있다(내가 틀릴 수도 있다). 한 가지는 작동유체를 받아들여 원주 방향 속도를 늦추어 정압을 올리는 방식, 다른 하나는 반대로 작동 유체를 빨아들여 에너지를 부여, 직접 정압을 올리는 방식(펌프와 같다)이다. 특히 고압측에 전자가, 저압 측에 후자가 적용되어 메이팅 링 - 씰 링 면에서의 차압을 줄여 적극적으로 누설을 막는 사례가 최근에 보인다.
아래는 극저온 유체에서 행해진 실제 시험 결과로, 특정 회전수 이상부터는 메이팅 링으로부터 씰 링이 부상하였다고 간주되는 피막비(최소피막두께/표면거칠기의 제곱근)로 이행했음을 알 수 있다.
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| 실제 극저온 유체에서의 시험 결과 |
3. 종합
위의 내용을 종합하여 저자는 아래 표와 같이 씰의 특성을 정리하였다.
비접촉식 씰에 대해서는 플로팅 링 씰이 라비린스 씰 대비 내구도와 최대회전수 측면에서 소폭 열세이나, 다른 특성에 대해서는 우수하다 표현하였다. 따라서 개인적인 생각으로, 저자는 플로팅 링 씰을 회전축 씰로 쓰는 것이 낫다고 평한듯 하다.
접촉식 씰은 씰의 성능은 우수하나 차압, 특히 수명 측면에서 크게 불리하다고 평한 것을 알 수 있다. 메카니컬 씰 계열에 대해서는 유체 동압 메카니컬 씰이 대안이라고 생각하고 있다.
개인적으로 추측하는 일본의 액체로켓엔진 터보펌프 회전축 씰 개발 방향은 아래와 같다.
추진제 혼합방지 씰로 사용되는 세그먼트 씰은 플로팅 링 씰로 대체될 수 있으며(이미 일본 국내에서 사례가 있다), 나머지 추진제와 직접 맞닿는 씰들에 적용될 메카니컬 씰들은 유체 동압 메카니컬 씰이 적용될 듯 하다. 특히나 논문에서 '높은 밀봉성과 장수명을 양립' 이라는 표현이 여러 번 언급된 바 있으므로 씰들에 대해서도 수명이 나름 우선순위인 것을 알 수 있다. 발사체 착륙 후 정비 때마다 씰을 교환해야 한다면 재사용의 의미가 바랠것이다.
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