Introduction

현재 한국항공우주연구원에서 개발 중인 한국형 발사체(KSLV-II)는 3단형 액체 엔진을 이용해 추력을 얻게 되며, 1단과 2단 엔진에는 각각 75톤급 액체 엔진이 4기, 1기가 사용되며 3단 엔진에는 7톤급 액체 엔진 1기가 탑재되어 있다. 75톤 및 7톤급 엔진은 터보펌프를 이용하여 고압의 산화제와 연료를 연소기에 공급하게 되며 공급된 연료와 산화제는 연소기에서 높은 온도로 연소되어 비행 중 필요한 추력을 얻게 된다.⁽¹⁾

터보펌프는 저압의 추진제를 원심력으로 가압하여 연소기에 공급하는 회전기계로 가압식 액체 엔진에 비해 높은 효율을 얻을 수 있어 현재 대부분의 액체 엔진 로켓에 사용되고 있다.⁽²⁾ 한국형 발사체 엔진의 터보펌프는 산화제펌프와 연료펌프가 일축으로 구성된 단단 원심형 펌프이며,⁽³⁾ 가스 발생기에서 공급되는 연소 가스로부터 동력을 얻어 펌프를 구동하는 부분 분사형 초음속 충동형 터빈을 사용한다.⁽⁴⁾ 75톤급 터보펌프는 약 10,000 rpm, 7톤급의 경우 약 27,000 rpm의 회전수로 작동하여 산화제인 액체 산소(LOX)와 연료인 케로신(kerosene)을 약 8-12 MPa의 고압으로 연소기에 공급한다. 7톤 및 75톤급 터보펌프는 나로우주센터에서 실매질 시험, 엔진 연소 시험 및 추진기관 종합 연소 시험을 통해 성능 검증을 완료하였으며 현재 2021년 하반기에 발사 예정인 한국형 발사체 검증 모델에 조립되어 최종 발사 점검 시험이 이루어지고 있다.^(5-7)

터보펌프를 구성하는 산화제펌프와 연료펌프는 동일한 구조로 각각 인듀서, 임펠러, 베어링 및 각종 실(seal) 등으로 구성되어 있으며 개략적인 레이아웃 및 설치된 고주파 신호 계측 센서의 위치는 Fig. 1과 같다. 산화제 및 연료펌프는 각각 2개의 베어링으로 로터를 지지하고 있으며 전, 후방 베어링을 냉각하기 위한 누설 유로와 누설 유량을 제어하기 위한 플로팅 링 실(floating ring seal)이 펌프 내부에 설치된다. 장착된 플로팅 링 실은 자중에 의해 터보펌프 로터나 케이싱에 접촉한 상태로 있다가 터보펌프가 작동을 하면 로터의 회전으로 발생하는 유체력에 의해 작동 매질 내에서 부유하게 된다. 이 때 플로팅 링은 외력에 의해 매질 내에서 자유롭게 움직이다가 플로팅 링에 작용하는 유체력이 균형을 이루면서 적절한 편심 위치를 찾은 후, 회전 속도가 증가함에 따라 축 방향의 유체력이 증가하여 결국 펌프 케이싱 벽에 밀착되어 누설 유량을 제어하게 된다.^(8,9) 베어링 냉각을 위한 누설 유량이 큰 경우 베어링의 과열을 억제할 수 있지만 펌프 효율이 감소하므로 베어링 냉각을 위한 최적 유량을 찾기 위해 플로팅 링의 크기, 형상, 간극, 노즈(nose) 위치 등의 다양한 설계 변수를 최적화하여 플로팅 링을 설계해야 한다.

Fig. 1 
Layout of 7-tonf oxidizer pump and installed position of high frequency signal sensors

이와 관련해 Kirk와 Brown⁽¹⁰⁾은 노즈 설계에 따른 플로팅 링에 작용하는 힘에 대한 연구를 수행하였으며, Ha⁽¹¹⁾ 등은 플로팅 링의 누설 및 작동 성능 향상을 위해 원형 단면 구멍 표면을 가지는 플로팅 링의 누설 및 회전체 동역학적 특성을 이론적인 방법과 실험을 통해 살펴보았다. Lee⁽¹²⁾ 등은 플로팅 링의 편심율을 줄이기 위해 범프 포일을 부착한 플로팅 링에 대한 시험을 수행하여 범프 포일 적용 시 플로팅 링의 구동 안정성이 증가하는 것을 확인하였다. Choi⁽¹³⁾ 등과 Kim⁽¹⁴⁾ 등은 플로팅 링 실의 간극이 펌프의 흡입 성능과 수력 성능에 큰 영향을 미치는 것을 수치 해석과 시험을 통해 검증하였다. Mariot⁽¹⁵⁾ 등은 노즈가 있는 플로팅의 작동 안정성 검증을 위해 로터의 진동과 플로팅 링의 거동이 동조화됨을 시험을 통해 확인하였으며, Bae⁽¹⁶⁾ 등은 플로팅 링의 노즈 위치 변화에 따른 터보펌프의 정압 및 압력 섭동 주파수 특성을 조사하여 노즈 위치에 따른 플로팅 링의 안정성을 평가하였다.

이러한 선행 연구를 바탕으로 터보펌프 작동 시 발생할 수 있는 플로팅 링 실의 불완전한 거동은 터보펌프의 입, 출구 압력과 유량의 불안정성을 가져 올 수 있을 뿐만 아니라 심한 경우 플로팅 링 실의 파손으로 인한 터보펌프의 비정상적 작동과 고장을 유발할 수 있음을 확인하였다.

이에 본 논문에서는 플로팅 링 실의 불안정성을 줄이고자 고안된 회전 억제용 플로팅 링 실이 적용된 터보펌프의 실매질 시험에서 계측된 산화제펌프의 가속도 및 압력 섭동에 대한 신호 분석과 플로팅 링의 외관 조사를 수행하였으며, 이를 바탕으로 회전 억제용 플로팅 링 실과 기존 플로팅 링 실의 작동 특성에 대한 비교 분석을 통해 회전 억제용 플로팅 링 실이 적용된 터보펌프의 작동 안정성을 평가하였다.

7톤급 터보펌프 산화제펌프에 적용된 후방 플로팅 링 실의 단면 형상은 Fig. 2와 같으며, 플로팅 링 장착 공간 내에서 자유롭게 병진 및 회전 운동을 할 수 있는 기존 형상과 플로팅 링 외부에 두 개의 핀을 장착하고 펌프 케이싱 내에 핀 홀을 만들어 병진 운동만 가능하게 만든 두 가지 타입의 플로팅 링에 대해 실매질 시험이 수행되었다.

Fig. 2 
Two types of LOX rear floating ring seals

터보펌프가 가동되어 로터가 회전하면 플로팅 링은 로터에 대해 스스로 부상하게 되며 일정 회전수 이상에서 펌프 케이싱 벽면에 접촉하여 누설 유량을 제어하게 된다. 플로팅 링은 그 설계 목적에 따라 높은 회전수의 대용량 펌프의 경우 주로 로터의 진동에 동기화되어 반경 방향으로 쉽게 이동 가능하도록 설계되어 로터의 진동에 의한 파손을 방지하게 되며, 낮은 회전수의 저용량 펌프의 경우 플로팅 링은 펌프 케이싱과 같은 고정된 벽면에 강하게 부착되어 누설 성능이 높아지도록 설계된다.⁽¹⁵⁾ 설계 목적에 따라 플로팅 링의 노즈 제원과 위치가 결정되면 플로팅 링 주변부의 유체압을 추정하여 플로팅 링에 작용하는 힘의 크기를 계산할 수 있으며, 플로팅 링에 작용하는 압축력과 반경 방향의 유체력이 적절히 배분될 때 플로팅 링은 안정적으로 작동하게 된다.

7톤급 터보펌프 산화제 후방 플로팅 링 실은 Fig. 3과 같이 플로팅 링의 우측면에 노즈가 존재하며 노즈의 상단에는 고압의 유체가, 하단에는 저압의 유체가 채워진다. 따라서 노즈의 위치에 따라 플로팅 링에 작용하는 축방향의 힘이 변하게 되며, 노즈의 직경이 커질수록 노즈 방향의 압축력이 증가한다. 플로팅 링의 노즈는 기존의 연구 결과를 바탕으로 플로팅 링 직경의 약 94.79-97.64%의 높이에 위치하며, 이 때 플로팅 링은 터보펌프의 작동 중 펌프 케이싱 내벽에 접촉한 상태로, 로터의 선회 운동으로 발생된 유체력에 의해 반경 방향으로도 쉽게 움직일 수 있도록 설계되었다.⁽¹⁶⁾

Fig. 3 
Pressure distribution on LOX rear floating ring seal

Fig. 4는 7톤급 터보펌프 실매질 시험 설비에서 시험 중인 산화제펌프와 산화제 펌프에 부착된 가속도, 압력 섭동 센서 및 사양을 보여준다. 두 센서 모두 산화제펌프의 작동 환경에 적합한 극저온용 센서가 사용되었고, 가속도 센서(LA104)는 차지(charge) 타입의 센서로 인라인 차지 컨버터(in-line charge converter)와 함께 산화제펌프 2번 베어링 주변에 부착되어 베어링의 진동을 계측한다. 입구(FOIP) 및 출구(FOEP) 압력 섭동 센서는 IEPE(integrated electronics piezo-electric) 타입의 센서로 각각 펌프 입, 출구 배관에 부착되어 산화제의 압력 섭동을 계측한다. 실매질 시험 설비의 고주파 신호 계측 장비는 NI사의 PXIe-4499를 사용하며 25,600 Hz의 샘플율(sampling rate)로 가속도 및 압력 섭동을 기록한다. 계측된 신호는 0.5 초 간격, 주파수 분해능 2 Hz 간격으로 이산 푸리에 변환(discrete fourier transform)을 통해 주파수 분석 작업이 수행되었으며, 가속도 신호는 10-5,000 Hz, 압력 섭동 신호는 10-10,000 Hz 대역통과필터(band pass filter)를 적용하여 실효값(RMS)을 계산하였다.

Fig. 4 
High frequency signal sensors and 7tonf LOX pump

본 논문에서는 7톤급 터보펌프 산화제펌프의 2차 유로에 설치된 플로팅 링 실 주변의 불안정한 압력 섭동과 플로팅 링 실의 마모에 의한 불순물 등으로 발생할 수 있는 터보펌프의 비정상적 작동을 방지하기 위해 고안된 회전 억제용 플로팅 링 실이 적용된 터보펌프의 실매질 시험 결과가 소개되었으며 기존의 플로팅 링 실이 적용된 터보펌프와의 비교, 분석 연구가 이루어졌다.

실매질 시험을 통해 계측된 두 가지 플로팅 링 실에 대한 산화제 펌프의 가속도 및 압력 섭동 신호에 대한 주파수 분석과 실효값이 계산되었으며 시험 후 확보된 플로팅 링 실의 외관 조사를 통해 아래와 같은 결론을 얻었다.

• 1) 플로팅 링 실에 의한 특성 주파수 성분은 가속도 및 입구, 출구 배관 압력 섭동 신호에서 모두 관측이 되며 규칙적인 거동을 보이는 기존 플로팅 링 실과는 달리 회전 억제용 플로팅 링 실은 시험 초기 특성 주파수가 잠시 증가한 후 약 150초까지 불규칙한 거동을 보이다가 사라진다.
• 2) 가속도 신호의 경우 플로팅 링 실의 특성 주파수 성분이 전체 가속도 크기에 비해 매우 작아 가속도 실효값에 영향을 주지 않지만, 압력 섭동 신호의 경우 플로팅 링 실의 특성 주파수 성분이 전체 실효값에서 차지하는 비중이 높으므로 특성 주파수 성분의 유무에 따라 압력 섭동 실효값이 크게 변하게 되며 이를 통해 플로팅 실의 불안정성 유무와 그 강도를 추정할 수 있다. 이러한 특성은 특히 출구 압력 섭동에서 크게 나타난다.
• 3) 플로팅 링에 의한 이상 거동 현상은 터보펌프의 구조 안정성보다는 연소기에 유입되는 추진제의 압력 및 유량 섭동에 주로 영향을 미치며, 산화제펌프 출구 배관에서 계측된 회전 억제용 플로팅 링 실에 의한 압력 섭동은 기존의 플로팅 링 실보다 약 40% 이상 낮게 계측된다.
• 4) 실매질 시험 후 수행된 외관 조사를 통해 회전 억제용 플로팅 링이 기존의 플로팅 링보다 훨씬 양호한 표면 상태를 유지하고 있음이 확인된다.
• 5) 산화제펌프 이차 유로의 유량 제어를 위해 적용된 회전 억제용 플로팅 링은 기존 플로팅 링에 비해 마찰 및 마모에 대한 내구성과 작동 안정성이 우수하다.

본 논문의 연구 결과를 바탕으로 향후 터보펌프 운전 중 발생하는 플로팅 링의 실제 운동 궤적과 이와 연관된 플로팅 링 주변부의 압력 섭동 발생 원리 및 이를 검증할 수 있는 시험 방법에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.