오늘 쓰는 주제는 저번의 LE-5엔진용 터보펌프 개발에 이어 저자인 Kamijo Kenjiro가 수행하였던 소형 고압 펌프 선행연구에 얽인 이야기에 대한 것이다. 소형 고압 펌프는 LE-5엔진용 터보펌프 개발이 거의 마무리되어갈 쯤에 저자가 소속된 NAL에서 시작되었으며 이후 개발된 LE-7엔진용 터보펌프의 개발에 많은 도움이 되었다고 한다.
여담으로, 해당 사업은 실제 비행에 쓰일 터보펌프를 개발하는 것이 아니었기 때문에 연구에 필요한 예산을 얻어오는데 우여곡절이 있었으며, 설비 용량 부족으로(특히 시험용 모터) 주관 기관인 NAL이 아니라 NASDA의 설비를 빌려 수행되기도 하였다.
1. 소형 고압 액체산소 펌프
1단 원심 펌프로 설계된 소형 고압 액체산소 펌프는 회전수 47,500RPM, 압력상승 25Mpa, 유량 16L/sec의 성능을 낸다. 설계에 앞서 중점적으로 보았던 것은 펌프 임펠러의 재료, 밸런스 피스톤의 구조, 축 씰 등이 있다.
LE-5엔진의 액체산소 펌프 임펠러는 알루미늄 합금으로 만들어졌다. 고압 펌프에서는 1단 펌프로 고압의 압력상승을 구현하여야 하므로 임펠러와 케이싱 간 접촉에 대한 대책을 세우지 않으면 안 되었다. 약간의 저촉이라도 있으면 발화의 접촉이 크므로(가루가 된 알루미늄은 화약의 재료로 쓰일 정도로 폭발성이 강하다) 니켈계 초내열 합금을 적용하고 정밀 주조 기술을 활용하여 제작하였다. 처음 제작하는 고압 펌프 임펠러였지만 제작기술 수준이 충분히 올라왔기 때문에 문제없이 제작되었고 이에 대하여 감사하게 생각하였다고 한다.
또한, 이번에는 축 추력 제어용 밸런스 피스톤 매커니즘을 적용하였는데 이 역시 밸런스 피스톤 오리피스와 임펠러, 케이싱 사이의 접촉을 막기 위한 구조를 궁리하였다고 한다. 하지만 본 책에서는 구체적으로 어떠한 구조인지 설명되어있지는 않았다.
고압 액체산소 펌프의 축 씰 시스템을 위하여 몇 가지의 방식들이 검토되었다. 플로팅 링 실 시스템(KARI의 터보펌프가 주로 사용하는 방식)은 간단하였지만 LE-5용 펌프를 개발하는 과정에서 혼합 방지 씰에 적용하고 시험하면서 좋지 못한 결과를 얻었기 때문에(저자는 '대 실패' 라고 표현하였다) 플로팅 링 씰 시스템의 적용은 단념하였다.
플로팅 링 씰 대신 LE-5에서도 적용된 메카니컬 씰이 적용되었다.
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| 플로팅 링 실 |
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| KARI 75톤급 엔진 터보펌프에 적용된 플로팅 링 씰의 위치 |
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| 플로팅 링 방식의 추진제 혼합방지 씰 |
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| 플로팅 카본 링 |
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| 추진제 혼합방지 씰에 메카니컬 씰이 적용된 예시 : J-2엔진의 액체산소 펌프 |
밸런스 피스톤 오리피스를 통과한 일부 액체산소는 임펠러 뒤의 베어링을 냉각하고, '슬링거'라 불리는 회전체와 라비린스 씰을 통과한 후 구동 모터 쪽 베어링을 냉각한 후 외부로 방출된다. 이 방출 유량은 펌프 전체 유량의 5%정도인데, 씰을 상당히 복잡하게 구성하였음에도 제법 많은 누설량이었다.
고압 액체산소 펌프의 시험은 NASDA의 액체수소 터보펌프 시험 시설에서 실시되었다(LE-5의 액체수소 터보펌프를 NASDA에서 개발함). 고압 펌프는 터빈으로 구동 시키는 것이 일반적인데, 이번 시험에서는 모터를 사용하면서 효율 측정에 필수적인 토크계를 장착하고 시험하는 것이 매우 복잡했다. 전기 동력계(모터)를 사용한 시험에서는 시험체인 소형 펌프 외에도 축 구동력이 최대가 되면서도 대규모에 고가인 장비가 필요해졌다.
이번 시험에서는 고압 펌프의 효율 측정법을 확립하는 것에도 주의를 기울였다. 펌프의 효율을 평가하던 도중, 새로운 과제가 생겼다. 단열 효율이 펌프 효율을 약 5~6% 상회하였던 것이었다. 펌프 작동유체의 압축성으로 인한 영향은 높아 봐야 1% 이하이기 때문에 이 원인을 밝히는 것이 중요했다.
약 5%의 효율 차이와 약 5%의 베어링 냉각 유량(유출되는 유량)사이에 관계가 있다고 추정하고 검토하였다.
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| 'a'가 단열 효율, 'p'가 펌프 효율 |
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| 펌프 임펠러에서의 유체 흐름 |
h1과 h2는 각각 펌프 입/출구의 엔탈피이고 m, dm1, dm2는 각각 펌프에서 나오는 질량, 밸런스 홀을 통과하여 순환하는 질량, 베어링을 냉각하고 외부로 배출되는 질량이다. q는 임펠러의 후면과 유체 사이의 마찰로 인하여 추가되는 단위질량당 엔탈피이다.
펌프의 효율은 펌프 유체가 외부로 유출되는 만큼 효율이 낮아진다. 단열 효율의 경우에는 손실로 발생한 q를 포함한 dm2가 외부로 방출되는 것이기 때문에 그 만큼 손실이 감소하여 겉보기에는 효율이 증가한 것처럼 보이는 것이다.(쉽게 말해 베어링 냉각유량에 포함된 q는 무시되었다는 말이다) 직감으로 이상하다고 느끼긴 하였지만, 이 효율 평가 방법이 올바른 것이라고 생각하였다.
다단 펌프의 경우에는 외부로 누설되는 유량이 아주 적고, 상단에서 하단으로 흐르는 유로만 존재하기 때문에, 단 각각의 효율을 구할 때는 같은 방법이 필요하다고 생각되었다. 이 방법은 LE-7의 2단 액체산소 펌프의 효율을 측정하는데 사용되었다.
2. 소형 고압 액체수소 펌프
소형 고압 액체산소 펌프 시험을 실시한 후에는 2단식의 소형 고압 액체수소 펌프 시험을 실시하였다.
소형 고압 액체수소 펌프는 회전수 80,000RPM, 압력상승 26Mpa, 유량 43L/sec의 성능을 낸다.
시험을 시작하기 전에 특히 주목하였던 부분은 펌프측 베어링 후단의 실에 플로팅 링 씰을 적용한 것이었다. 플로팅 링 씰을 적용하였기 때문에 베어링을 냉각하고 외부로 배출되는 펌프 작동유체 양이 줄어들어 액체산소 펌프의 경우와 같은 효율의 보정이 필요 없게 되었다. 실제로 단열 효율과 펌프 효율이 거의 일치하는 모습을 보였다.
단열효율을 이용하여 용이하게 효율을 구할 수 있게 되면서 압축성이 큰 액체수소 펌프의 효율측정법이 확립되었다.
3. 개인적인 생각
해당 프로젝트에서는 특별한 어려움은 나와있지 않고 펌프의 효율 측정을 어떠한 방식으로 수행할 것 인지가 중점적이었다. 개인적으로 주의 깊게 보았던 부분은 액체 산소 펌프의 효율을 구하는 경우이다.
다단 펌프의 경우에 누설되는 유량이 적어 저러한 방법을 사용해도 된다고 하였는데, 문맥상으로는 단열 효율을 이용하는 것이 좋다고 읽히는데, 이게 다단 펌프의 각 단별 효율을 정의할 때 단열 효율을 사용하자는 것인지 궁금하다.
누설이 충분히 적다면 단열 효율을 사용하여도 되겠지만 누설되는 유량이 적지 않은 경우가 다반사일듯 한데, 그렇다면 누설이 많은 다단 펌프의 경우에는 어떻게 할 지가 궁금하다.
개인적인 생각으로는 아무리 누설이 적다 하더라도 펌프 효율을 사용하는 것이 더 정확하다고 생각한다.
또, KARI와 그 기술의 뿌리가 된 동구권의 경우에는 혼합방지 씰에 플로팅 링 씰과 같은 비 접촉식 씰을 사용하는데, 일본의 경우에는 플로팅 링 씰을 액체수소 펌프의 씰에만 적용하였다. 물론 LE-5 개발 당시에도 기술하였듯이 플로팅 링 씰 적용을 검토하였으나 실패하였다고 하는데, 이건 누설 유량이 많아서일지, 아니면 버퍼 가스가 액체산소측 씰에 유입되어 생기는 문제가 다발해서였는지 궁금해진다.
4. 참고문헌
「ロケットターボポンプの研究開発 --- 35年間の思い出 - 上條 謙二郎
Liquid rocket engine turbopump rotating-shaft seals - NASA SP-8121
75톤급 터보펌프 추진제 혼합 방지 실의 성능 시험 - 전성민, 곽현덕, 박민주, 김진한
