일본의 3톤급 LCH4/LOX 엔진 터보펌프 개발 - 후처리 전/후의 펌프 임펠러의 성능 비교

일본에서는 2003년, 1톤급 액체메테인/액체산소 엔진용 터보펌프 시제를 제작한 후 LE-8 및 개량형인 재생냉각형 엔진(실제 이 이름으로 불림), 유럽과의 협력으로 개발중인 ACE42R 엔진, 그리고 최근 IHI에서 개발중인 3톤급 익스팬더 사이클 엔진 등 관련 연구가 지속되고 있다.

가장 최근 개발된 3톤급 익스팬더 사이클 엔진(이하 '3톤급 엔진)의 경우 EUCASS와 같은 국제 학회에서 논문이 발표되고 있다. 

해당 엔진은 많은 구성품을 3D 프린팅으로 제작하여 제작 비용과 시간의 절감을 노리고 있으며, 터보펌프도 그러한 기법이 적용되었다. 펌프 임펠러와 케이싱이 3D 프린팅으로 제작되었다.

특히 2019년 발표된 논문에서는 3D 프린팅 후 후처리 전/후의 펌프 임펠러의 성능을 비교하였으며, 터보펌프 시스템 차원에서 시험을 실시한 결과도 제시하고 있다.

IHI 개발 3톤급 익스팬더 사이클 엔진

3톤급 엔진의 성능

터보펌프 성능특성

터보펌프 개략도. 단일 축에 연료와 산화제 펌프가 존재한다.

제작된 터보펌프 사진. 케이싱에서부터 3D 프린팅 특유의 무늬를 확인할 수 있다.

해당 논문에서 후처리 전/후의 임펠러 성능을 비교한 그래프(무차원화 유량-양정 곡선. 드러내고싶지 않은 성능특성을 그래프화할 때 이런 방식을 많이 쓴다.)를 보면 좀 이상한 점을 발견할 수 있다. 후처리 전의 특성곡선은 유량 증가에 따라 양정이 하락하는 일반적인 모습을 보여주고 있다. 하지만 후처리 후에는 유량이 증가할수록 양정도 소폭 증가하는,서지 영역에 진입한 듯한 양상이다.

해당 그래프를 통해서 논문에서는 후처리 전후로 최대 15 % 가량의 양정 차이가 나타났다고 주장하고 있다.

후처리 전/후의 임펠러의 성능 비교 - 초록색이 후처리 전, 주황색이 후처리 후의 특성곡선이다.

유량-양정 특성을 통해서 성능 향상을 보여주기에는 좋다고 생각되나, 학회 발표 시 많은 질문을 받았을 듯한 그래프이다. 그렇다면 왜 이러한 결과가 나왔을까?

추측1 : 양자의 성능 차이가 매우 크다

양자를 정량적으로 비교하기 위해서는 변인 통제가 필요하다. 유체기계의 경우 고정시키는 값은 주로 유량이다. 유량이 다르다면 비교의 의미가 없다. 따라서, 위의 그래프에서 유량(flow ratio)은 양자 모두 동일한 범위라고 보아야 한다.

같은 유량 범위에서 양정은 물론 거동 특성도 다르다는 것은 양자의 성능 특성이 큰 차이를 보인다는 것을 의미한다. 즉, 후처리 전/후의 임펠러는 도저히 같은 임펠러라고 할 수 없을 정도였다는 것이다.

이는 논문에서도 '후처리 전/후의 성능 차이가 크다' 라는 구절로 언급되었는데, 이는 아무래도 그래프에서 보여주는 15 %의 양정 차이 뿐만 아니라 유량도 포함될 가능성이 크다. 유체기계는 작으면 작을수록 효율이 떨어지게 되는데, 이는 작을수록 커지는 경계층 혹은 유동박리 영역의 유로 폐쇄 효과 때문이다. 이는 비단 양정뿐만 아니라 질량유량의 저하도 함께 불러온다. (학위 과정 중 직접 설계하였던 초소형 터보팬 엔진용 팬의 경우 팬 전단의 벨 마우스 유무에 따라 질량유량과 압력비 모두 수십 % 수준으로 큰 폭으로 차이남을 관찰할 수 있었다.)

3D 프린팅으로 출력된 임펠러의 표면 상태가 어느정도인지 가늠이 안 될수도 있다. 해당 논문에서도 표면조도나 후처리 전후의 임펠러 사진을 확인할 수 없다. 다만, 국내에서 이루어진 연구개발 사례를 통해서 확인은 할 수 있다. 3톤급으로 동일한 추력 규모의 전기펌프 사이클 엔진용 임펠러 개발 사례이다.

국내의 전기펌프용 3D 프린팅 임펠러 모습

임펠러 출력 시뮬레이션. 빨간 부분이 서포터이다.

제조 방식 특성상 제작 시 서포터가 존재하게 되며, 서포터를 떼어내기 위한 작업이 이루어진 후의 임펠러도 표면의 상태가 매우 거친 모습을 확인할 수 있다. 이러한 특성은 악화된 익단에서의 유동박리 특성 등으로 인해 원 설계 대비 캐비테이션이 더 높은 입구압 조건에서 시작되는 등 성능 저하를 야기하기에 충분해보인다. 따라서, 논문에서 주장하고자 하는 내용은 설득력있다.

추측2 : 후처리 전후의 정량적인 비교를 위한 선택으로 그려진 그래프

위의 내용과 이어진다. 다시 문제의 그래프를 보도록 하자.

위의 절에서 언급하였다시피 양자의 성능 차이가 심했고, 이는 같은 유량 범위에서의 성능특성도 크게 상이할 정도였다. 후처리 전의 임펠러가 일반적인 우하향하는 유량-양정 그래프 특성을 보일 때, 후처리 후의 임펠러는 해당 질량유량 영역이 너무 낮은 질량유량으로 인해 서지 영역에 해당했다. 

정상적으로 우하향하는 범위에서의 데이터로 비교하면 양자의 차이가 크게 와닿지 않을 수도 있었을 것이다. 또, 이렇게 비교할 시 어느 영역을 무차원화 시 사용할 기준값으로 사용할지 결정하는것도 힘든 일이다. 위의 그래프는 후처리 전 임펠러의 특성을 기준으로 무차원화 값의 기준값을 결정했고, 이를 이용해서 후처리 후의 임펠러의 특성도 비교한 것으로 추정된다.

위의 내용들을 종합해 보면,

1. 후처리 전/후의 특성을 비교한 그래프는 적어도 같은 질량유량 영역에서의 결과로 그려졌다.
2. 후처리 전/후의 임펠러의 성능특성 간 매우 큰 차이가 존재했다. 이는 같은 유량에서 후처리 전의 임펠러가 우하향하는 유량-양정 특성을 나타낼 때 후처리 후의 임펠러는 서지 영역에 위치할 정도였다.
3. 양자를 정량적으로 비교하기 위해 후처리 전의 특성들을 기준으로 후처리 후의 특성을 나타내었다