최초로 실용화된 탄도탄인 나치독일의 V-2(A-4)에는 발터 터빈을 응용한 터보펌프가 적용됐다. 물론 터보펌프를 이용하는 추진제 공급 계통 자체는 V-2와 개발자 폰 브라운 이전 미국의 로버트 고다드가 고안한 바 있으나, 실제 실전에서 사용한 것은 V-2가 최초임을 부정할 수 없다.
현재까지 사용되는 터보펌프들 중에서도 V-2에 적용된 터보펌프 설계 사상을 부분적으로 게승하고 있는 것들이 있다. 특히 어떤 터보펌프 시스템들은 V-2의 발터 터빈까지도 사용중이다.
이번에 알아볼 것은 V-2의 터보펌프와 그 정신적 후계자인 소유즈의RD-107/8엔진용 터보펌프의 축계 구성에 대한 이야기이다.
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| V-2 로켓 |
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| V-2의 직계 후손, 소유즈 |
1. V-2의 터보펌프 축계 구성
V-2의 터보펌프 단면도는 아래와 같다. 왼쪽부터 연료(에탄올)펌프, 터빈(발터 터빈의 산소 + 수증기가 작동유체), 산화제 펌프(액체산소)가 위치해 있다. 펌프 전후면의 압력차로 인한 축 추력 문제를 방지하기 위해 연료(에탄올), 산화제(액체산소) 펌프의 입구를 마주보게 배치했다는 것을 알 수 있다.
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| V-2에 적용된 터보펌프의 단면도[1] |
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| V-2의 터보펌프 절개 모델.[2] 위의 단면도를 좌우반전시킨것과 같다. 즉, 왼쪽이 산화제 펌프, 오른쪽이 연료 펌프이다. |
단면도를 언뜻 보면 연료펌프, 터빈, 산화제펌프가 한 축계에 위치해 있다고 착각할 수도 있다. 그런데 베어링을 잘 보자. 왼쪽의 연료펌프 측에 베어링 두 개가 위치해 있으며, 오른쪽의 산화제 펌프에도 베어링 두 개가 보인다. 분명 단일 축계인것같은데 어쩌다 베어링이 네 개 씩이나 들어갔을까?
그렇다면 터보펌프의 중간, 즉 터빈과 산화제 펌프 사이에 무엇이 있는지 보도록 하자.
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| 위의 사진에서 터빈과 산화제펌프 중간을 클로즈업한 것.[2] 무언가 보인다. |
축이 그대로 이어진 것이 아니라 플랜지와 같은 것으로 접합되어 있다는 것을 알 수 있다. 이건 무엇일까?
이것은 '플렉서블 커플링' 이라는 장치로, 축 추력은 전달하나 축의 변위는 전달하지 않는 형식의 커플링이다.
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| 플랜지 형식 커플링의 종류.[3] 형상 때문에 변위도 전달할것처럼 보이지만, 얼마든지 Flexible 할 수 있다. |
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| 위의 영상과 이 사진의 'COUPLING' 이라는 부품을 비교해 보자. 어떤 형식의 커플링일까? [1] |
간단히 말하자면, 축 추력의 전달을 제외하면 산화제 펌프와 연료 펌프 + 터빈 조립체는 서로 별개의 축계라고 보면 된다. 그러니까, 터빈은 연료펌프가 위치한 축계에서 오버행에 해당하는 위치에 있다.
그리고 저런 형식의 커플링은 축 추력을 전달하기 때문에 양 계통 모두 축 추력을 견디도록 설계할 필요가 없다. 그렇다면 저 축계의 베어링은 어떤 형식일까? 다시 한번 단면도를 보도록 하자.
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| 파랗게 표시한 부분에 베어링이 위치한다. |
연료인 에탄올 계통에는 제대로 'Ball Bearing' 이라 언급되어 볼 베어링이라는 것을 잘 알 수가 있는데, 액체산소 쪽은 볼 베어링같진 않다. 해당 부분에 대한 클로즈업 사진은 아래와 같다.
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| 액체산소 펌프의 베어링들. 펌프 임펠러 전후면에 위치하는 은백색 원통이 베어링이다. [2] |
확실히 볼 베어링은 아니라는 것을 알 수가 있다. 그렇다면 액체산소 펌프를 지지하는 베어링들은 축 추력을 지지하는것도 아니다. 즉, 액체산소 펌프에서 발생한 축 추력도 저 커플링을 통해 연료펌프-터빈 계통으로 전달되어 해당 계통을 지지하는 두 개의 볼 베어링으로 전달된다는 말이다.
아니, 어쩌면 저 두 볼 베어링 중 한쪽에만 축 추력이 집중될 수도 있다. 고온부인 터빈이 존재하여 열 변형으로 인한 축계의 축방향 변위가 생길 수도 있을것이라 추측되는데, 이렇다면 볼 베어링 두 개 모두 케이싱에 밀착되면 작동 시 열 변형으로 인한 베어링 파손 문제가 생길 수 있다. 이럴 경우에는 한 베어링은 케이싱과 헐겁게 맞물리도록 하여 축 방향 변위를 허용할 수도 있다.
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| 위의 추측들을 바탕으로 그린 축계 구성 개략도 |
정리하자면,
- V-2 의 터보펌프는 커플링으로 분리된 축계로 구성되어 있으며, 고온/상온 계통인 연료펌프와 터빈, 그리고 극저온 계통인 산화제 펌프로 분리되어 있다.
- 축계 분리에 적용된 커플링은 축 추력은 전달하나 축의 변위는 전달하지 않는 플렉서블 커플링이다.
- 축 추력을 전달하므로 산화제펌프의 베어링은 축 추력 지지에는 적합하지 않은 형식(롤러 아니면 저널 베어링)이 적용됐다.
개인적인 생각으로 액체산소 펌프에 볼 베어링을 적용하지 않은 이유로는, 극저온 환경에서의 볼 베어링의 변형 문제 때문이라고 생각한다. 극저온에서의 수축으로 인해 베어링의 내부 링과의 접촉각 등이 변화하는데 이걸 설계하는 것이 매우 까다롭다는 이야기를 들은 바 있다.
2. RD-107/8 엔진의 터보펌프 축계 구성
RD-107/8 엔진은 스페이스 레이스 초창기에 소련에서 개발되어 유인 우주비행 등 여러 굵직굵직한 이벤트를 소련이 선점하도록 한 R-7 세묘르카의 1단 엔진이다. 이 R-7은 상단을 더하는 등 개량이 이루어져 현재까지 '소유즈' 라는 이름으로 사용되고 있다. 상단으로 어떠한 상단이 붙는지에 따라 이름이 달라지기도 하는데, 이건 토르-에이블, 토르-델타 등 과거 미국 발사체들도 동일한 점이다.
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| 소유즈 발사체의 1단 엔진인 RD-107 엔진. RD-108과의 구분법은 버니어 엔진의 갯수이다. 4개이면 108, 2개이면 107이다. |
여기서 잠깐, 왜 소유즈가 V-2의 직계 후손인지 의아할 수도 있다. 양자는 서로 연료가 다르다(V-2 :에탄올, 소유즈 : 케로신)
하지만 터보펌프의 구동 방식을 안다면 왜 직계 후손인지 인정할 수밖에 없을 것이다. 양자 모두 터보펌프 터빈을 구동시킬 때 연소실로 들어가는 추진제로 가스발생기를 작동시키는 것이 아니라, 별도의 가스발생기용 추진제를 싣는 구조이다. 양자의 가스발생기는 모두 과산화수소를 촉매와 반응시켜 고온의 산소와 수증기가 혼합된 가스를 발생시키고, 이걸로 터빈을 구동시킨다. 이건 발터 터빈인데, 발터 터빈은 2차 세계대전 당시 태어나 현재까지 창공을 누비고 있다고 보면 된다.
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| V-2의 엔진 스키매틱. 노란색으로 표시된 과산화수소 계통이 존재함을 알 수 있다. 그리고 이건 촉매가 들어있는 가스발생기로 들어가(갈색) 터빈을 구동시킨 후 열 교환기를 지나 배출된다.
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| 실제 RD-107 엔진의 조립 사진.[5] 후방동체 내의 은색 도넛형 물체가 과산화수소 탱크이며, 네 개의 노즐 옆으로 터빈 배기덕트가 보인다. |
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| RD-107/8 엔진의 터보펌프 단면도.[6] |
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| 축계 구성 개략도 |
조상인 V-2에서는 연료펌프와 터빈이 한 계통에 있었는데, 극저온 계통과 상온 + 고온 계통을 나누는데는 성공했지만 고온 산화제 과잉 계통과 연료 계통이 한 축계 내에 인접해버렸다. 물론 극저온(액체산소) - 고온(터빈) 계통이 한 축계 내에 위치함에 따라 발생하는 문제점 - 이 경우 한 축계 내에서 온도구배가 극대화된다! - 을 해결하기 위해 감수한 것이었더라면 이해가 되는 설계지만 RD-107/8 에서 취한 극저온/상온 계통이 아니라 연료/산화제 계통을 분리하는 설계와는 분명 반대된다.
양 축계를 나누는 커플링의 형식도 V-2와는 달라졌다. V-2 에서는 플랜지와 유사한 형태의 플렉서블 커블링을 사용하였으나, RD-107/8 에서는 '스플라인 커플링'을 사용하였다. 스플라인 커플링은 이후 개발되는 소련-러시아 계통 엔진들의 터보펌프에서 찾아볼 수 있는 중요한 특징이다.
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| 스플라인 커플링이 존재하는 축계 예시[7] 가운데의 붉은 부분이 스플라인 커플링이다. |
스플라인 커플링은 축 추력을 전달하지 않는다. 따라서 양 계통 모두 볼 베어링이 존재하여 각 부분의 축 추력을 지지하는 형식이다. 물론 열변형을 고려하여 두 볼 베어링 중 한쪽만 케이싱과 고정되어있을 가능성이 높다. 그래도 볼 베어링 두 개, 혹은 하나만으로 전 계통의 축 추력을 지지해야 하는 V-2의 방식에 비하면 축 추력 지지 측면에서는 더 자유롭다.
적용된 스플라인 조인트는 중공축의 중간으로 스플라인 조인트 부품이 들어가 동력을 전달하는 방식이다. 그런데, 내부의 스플라인 조인트 부품의 길이가 이상하리만치 길어보인다. 언뜻 드는 생각으로는 연료 계통과 산화제 계통 딱 중간에서 스플라인 조인트로 연결하면 될 것 처럼 보인다. 혹시 베어링의 위치 때문일까? 내부 스플라인 조인트 부품과 주 축간의 접촉부가 베어링으로 지지되는 부분에 위치할 수 있도록 말이다.
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| 그림 상에 표시한 스플라인의 각 부분. 파란 빗금이 내부 스플라인 조인트 부품, 연두색 부분이 주 축과 스플라인 조인트 부품의 접촉부이다. |
베어링의 위치와 비교해 보면 연료펌프 측은 임펠러 기준 전방 베어링의 위치에서 접하는 것을 알 수 있으나 산화제펌프 측은 오히려 터빈 쪽의 베어링과 인접해 있음을 알 수 있다. 즉, 베어링 지지부에서 접하도록 설계되긴 하였으나 접촉부가 꽤 먼 곳에 위치해있다. 왜 이러한 설계를 택하였을까?
동력을 전달하는 축은 항상 비틀림 응력을 받게 된다. 이는 터보펌프의 축도 예외없이 해당된다. 따라서, 각 부분에의 동력 분배에 따라 축의 직경이 달라진다.
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| 대학 학부 과정에서 배우는 것들 중 하나.[8] 아마 고체역학 혹은 재료역학 시간에 배울 것이다. 어느 부분에서 큰 비틀림 응력이 발생할까? |
특히 펌프-펌프-터빈 구성인 터보펌프의 경우 터빈에서 멀어지면 멀어질수록 축의 직경이 점차 줄어드는 설계도 존재한다. 미국 로켓다인의 F-1 엔진 터보펌프에서 그러한 모습을 찾아볼 수 있다.
F-1 엔진의 터보펌프를 예로 들면 터빈 근처의 축은 케로신과 액체산소 펌프 모두의 동력을 전달해야 하기 때문에 가장 두꺼우며, 케로신 펌프를 지난 축은 액체산소 펌프에서 소모하는 동력만을 전달하기 때문에 그만큼 축의 직경이 줄어드는 모습을 보인다.
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| 로켓다인 F-1 엔진용 터보펌프의 절개 모델.[9] 터빈 바로 근처의 축 직경과 케로신 펌프를 지난 축의 직경 차이에 주목. |
그렇다면 이제 RD-107/8의 터보펌프로 돌아가보자.
터빈 바로 근처에서는 당연히 케로신 펌프와 액체산소 펌프의 동력 모두를 감당해야 하기 때문에 축의 직경이 클 수밖에 없다. 그렇다면 이후의 동력 분배에 대해서 생각해 보자. 위에서 설명한 내용들로 쉽게 생각할 수 있을 것이다.
만약 스플라인 접촉부가 액체산소 펌프를 지난 곳에 위치해 있다고 생각해 보자. 이렇다면 액체산소 펌프가 위치한 부분의 축은 액체산소 펌프의 동력과 함께 커플링 너머의 케로신 펌프의 동력까지 감당해야 한다. 이렇다면 당연히 축의 직경이 커져야 한다.
반면 스플라인 접촉부가 터빈 바로 근처에 위치해 있다고 생각해 보자. 터빈 바로 근처에서 케로신 펌프를 위한 동력이 이미 빠져나가므로 액체산소 펌프가 위치한 축은 액체산소 펌프의 동력만 감당하면 된다. 이러면 그만큼 축 직경을 줄일 수 있다. 물론 스플라인 부품이 길어짐에 따른 문제를 고려해야겠지만 이런 문제가 해결되었다 가정하면 충분히 매력적이다.
위의 내용에 따르면 RD-107/8의 터보펌프에서 동력의 분배는 아래와 같이 이루어진다.
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| RD-107/8 터보펌프에서의 동력 분배 케로신 펌프를 위한 동력이 액체산소 펌프를 뛰어넘어 전달된다. |
긴 스플라인 덕분에 케로신 펌프를 위한 동력이 액체산소 펌프를 거치지 않고 터빈에서 바로 케로신 펌프로 전달된다는 것을 알 수 있다.
그렇다면 번거롭게 이런 설계를 왜 적용했을까? 축 직경이 줄어들어서 좋다고 했는데 왜 좋은 것일까? 축은 베어링으로 지지되며 베어링의 직경은 축의 직경과 직결된다. 즉, 축의 직경에 따라 사용할 수 있는 베어링은 정해진다.
그런데 여기서, 베어링의 DN 수가 중요해진다. DN 수는 베어링의 직경과 회전수를 곱한 수인데, 직경이 크면 클수록 같은 회전수에서 DN 수가 당연히 커진다. DN수가 무한히 커지면 좋겠지만 회전으로 인해 발생하는 원심력 등의 요인으로 인해 한계 DN 수는 한정되어 있다. 따라서 큰 직경의 베어링일수록 한계 회전수는 낮을 수밖에 없다.
이러한 요인으로 인해 터보펌프와 같은 고속 회전기계의 경우 무조건 큰 직경의 베어링을 선택할 수가 없는 경우가 있다. 이럴 때, 축의 직경이 처음부터 작아서 보다 작은 직경의 베어링을 선택할 수 있다면, 축계 설계에 있어 어려운 점이 하나 사라진다. 이는 축계 설계에 있어서 매우 중요한 사항들 중 하나이다.
아래의 그림 중 오른쪽이 터빈 측 베어링 부근의 확대 모습인데, 추가적으로 스플라인 접합부의 두께를 늘리면서 축의 외경을 줄여, 결과적으로 베어링의 내경을 줄인 설계자의 혜안이 보인다. 만약 스플라인 접합부가 액체산소 펌프를 지난 위치에 존재하였더라면 저러한 설계를 택하기는 많이 어려웠을 것이고, 베어링의 선택에도 어려움이 따랐을지도 모른다.
추가적으로, 액체산소 펌프 위치의 축도 직경이 줄어들어 액체산소 펌프 설계 시의 형상 제약도 많이 완화되었을 것이다. 개인적인 감상이지만, 축계 설계 담당자가 아주 많은 고민을 한 끝에 도출해 낸 형상이라고 생각한다. 베어링 선택 측면에도 이점이 있었겠지만 펌프를 설계하는 수력 설계 담당자도 아마 수혜자들 중 하나일 것이다.
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| RD-107/8 엔진용 터보펌프의 베어링 부근 확대 그림.[6] 오른쪽이 터빈 측 베어링 부근이다. 축의 외경이 한 단계 줄어든 부분에 베어링이 위치해있다. |
유사한 예시로는 SSME의 액체수소 터보펌프 설계안들이 있다. 터빈 전단의 축이 가장 두꺼운 부분에는 알맞는 베어링을 선택하기 어려워 베어링을 터빈의 후단에 위치시키는 설계안도 도출된 것을 알 수 있다.
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| SSME용 액체수소 펌프의 축계 구성품 배치 설계안들[10] |
정리하자면,
- RD-107/8의 터보펌프는 커플링으로 분리된 축계를 채택하였으나, 직계 조상인 V-2와는 달리 스플라인 커플링을 적용하여 각 축계 내에서 축 추력 지지를 수행하도록 하였다.
- 축계 분리의 기준은 추진제이며 이는 극저온 vs 고온 + 상온인 V-2와는 다른 방식이다.
- 스플라인 커플링은 액체산소 펌프 이후가 아니라 터빈 부근에서 접하는 형식으로, 케로신 펌프로의 동력 전달로 인한 액체산소 펌프 축의 직경 증가를 지양한 설계이다.
- 이외에도 베어링의 내경을 줄이기 위한 궁리들이 보이며 이는 축계 설계에 있어 중요한 점들 중 하나이다.
3. 마무리
이렇듯, V-2의 터보펌프 기술은 소련으로 넘어가 소유즈의 RD-107/8 엔진용 터보펌프의 기반이 되었으나, 소련 설계자들은 자신들의 철학에 맞게 계승할 점은 계승하고 보완할 점은 보완하였다. 그리고 소련 설계자들의 방법론은 이후 개발된 엔진들은 물론 한국을 비롯한 타국으로도 전래되어 전수받은 국가들의 터보펌프 기술이 기반이 되었으며, 현재도 성공적으로 하늘을 가르며 우주로 무언가를 올려보내고 있다.이렇듯, 터보펌프의 도면들을 보면서 설계자들이 어떠한 측면에 집중해서 설계했는지 알아보는 과정은 매우 재미있으며, 이후 우리가 할 설계에 있어서의 참고도 된다. '역사는 과거와 현재의 대화' 라고 했는데 필자는 이 구절을 매우 좋아한다. 특히 이런 과정이 과거와 현재의 대화에 잘 걸맞는 과정이라고 생각한다. 왜 당시 설계자들은 이런 설계를 택하였으며, 이후에 이 설계를 본 후대의 설계자들은 어떻게 변형시켜 나갔는가?
물론 필자가 잘못 짚은 부분도 있겠지만 이러한 부분은 차차 피드백을 받으면서 나아질 것이라 믿는다. 나는 진짜로 터보펌프 설계를 해보진 않은 범부에 불과하지만 경험 있는 여러분들의 도움이 있다면 정말 고마울 것이다.
참고 문헌, 자료 출처 :
[3] https://www.ksb.com/en-global/centrifugal-pump-lexicon/article/shaft-coupling-1116320[6] https://abcnews.go.com/Technology/ride-inside-russias-soyuz-spacecraft/story?id=29558631
[7] https://x.com/FFSC_LPRE/status/1802744841291632716
[8] Mura, Andrea & Curà, Francesca Maria & Molfetta, Antonio. (2018). Investigation of bearings overloads due to misaligned splined shafts. Procedia Structural Integrity. 12. 52-57. 10.1016/j.prostr.2018.11.108.
[10] https://airandspace.si.edu/collection-objects/rocket-engine-turbo-pump-cutaway-f-1/nasm_A19751580000
[11] Uchiumi. Rotor Design and Technical Issues of the Turbopump for the Space Shuttle Main Engine. ターボ機械協会, http://hdl.handle.net/10258/00010167
