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강도시험을 고려한 75톤급 연소기 노즐부 외피 구조설계
유철성(Chulsung Ryu),이금오(Keumoh Lee),허성찬(Seongchan Heo),곽준영(Junyoung Kwak),최환석(Hwanseok Choi) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12
연소기 제작 후 제작성 및 구조안정성 검증하기 위해서는 연소기 전체 강도시험이 필요하다. 본 논문은 연소기 전체 강도시험 시 노즐부의 구조안정성을 확보하기 위한 외피 구조설계에 대한 내용을 기술하였다. 연소기 강도시험에 적용되는 하중으로부터 구조적인 안정성을 갖는 노즐부 외피 두께를 결정하기 위하여 여러 두께에 대한 구조해석을 수행하였다. 노즐목 보강재를 추가한 설계 안을 포함한 구조해석 결과 연소기 강도시험 조건 하중을 적용하였을 때 노즐목부의 구조적인 변형이 과도하게 발생하는 결과를 보여주었다. 이러한 결과를 바탕으로 새로운 강도시험 절차 및 조건을 제안하여 노즐부와 노즐목부의 구조안정성이 증가되었다. The strength test for a 75-tonf class thrust chamber is essential to verify the workmanship and structural integrity of the design. This paper described the structural design of a nozzle outer jacket to get structural stability under the strength test of the thrust chamber. The numerical analysis for various nozzle outer jacket thickness were preformed to determine the thickness which is structurally stable. The analysis results, including modified design with nozzle throat stiffener, showed that large deformation for nozzle throat area occurs by the strength test load. Based on the results, new strength test procedure and condition were proposed, and the designed nozzle throat and nozzle parts became structurally more stable with the new proposed test procedure and loads.
유철성(Chulsung Ryu),이금오(Keumoh Lee),허성찬(Seongchan Heo),최환석(Hwanseok Choi) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12
75톤급 1단 액체로켓엔진 연소기 챔버에 대한 구조설계를 수행하였다. 연소기 챔버는 고온, 고압의 환경에서 작동되기 때문에 열/구조적으로 안정하게 설계되어야 한다. 75톤급 1단 연소기 재생냉각 챔버의 구조설계를 위하여 연소기의 탈설계점 작동조건, 재생냉각 채널과 챔버의 강도시험 조건을 설정하였다. 설정된 각각의 구조설계 조건에 대한 열/구조해석을 수행하였으며, 그 결과를 바탕으로 구조적으로 안정함과 동시에 무게를 최소화 하는 설계안을 도출하였다. Structural design of a combustion chamber for a 75-tonf class 1st stage liquid rocket engine thrust chamber was performed. The combustion chamber must be designed to have thermo-structural stability at high pressure and high thermal load conditions. The off-design operating condition and strength test conditions for the cooling channel and combustion chamber were established for structural design of the combustion chamber. Thermo-structural analysis were carried out for each structural design conditions and, as the results, structurally stable design with minimum structure weight was derived.
유철성(Chulsung Ryu),이금오(Keumoh Lee),허성찬(Seongchan Heo),최환석(Hwanseok Choi) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5
재생냉각 연소기 확대노즐부 외피 제작을 위한 성형공정 설계에 대한 연구를 수행하였다. 연소기의 확대노즐부는 연소실에 비하여 내부 압력이 낮기 때문에 외피 구조물의 두께가 얇게 설계된다. 따라서 이 구조물은 얇은 판재를 이용한 성형공정으로 제작된다. 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 성형 후 탄성복원을 고려하여 성형치구를 설계하였다. 이 방법을 반복적으로 적용하여 성형치구 형상을 보정함으로써 최종 목표 형상에 부합하는 성형 치구를 설계할 수 있었다. A forming process design was carried out for the manufacturing an outer nozzle shell of a regeneratively cooled thrust chamber. The outer shell of a nozzle expansion section has a very thin structure due to relatively low internal pressure than the combustor section. Therefore the outer nozzle shell structure is manufactured by a thin metal forming process. In this study, a forming tool was designed using a finite elements method with the consideration of springback after forming. Iterative application of the design process enabled to obtain the tooling design compatible to the final nozzle shape.
유철성(Chulsung Ryu),이금오(Keumoh Lee),김종규(Jonggyu Kim),한영민(Yeoungmin Han),최환석(Hwanseok Choi) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5
연소기 챔버 노즐확장부 외피구조물의 성형특성에 대한 연구를 수행하였다. 노즐확장부 외피구조물의 제작에 사용되는 냉간압연 판재가 갖는 이방성 특성을 확인하기 위하여 세 가지 방향의 시편을 제작하여 인장시험을 수행하였으며, 그 결과를 이용하여 Lankford 값을 얻어 구조해석에 적용하였다. 실물형 연소기에 사용될 노즐확장부 외피구조물의 제작 및 성형공정을 통하여 외피구조물의 성형특성을 확인하였으며, 성형으로 얻은 변형률들을 구조해석 결과들과 비교하였다. 본 연구에서 얻은 결과들은 확대비가 더 큰 노즐확장부 제작을 위한 치구 및 성형공정의 설계에 활용될 예정이다. A study on the forming characteristics of outer shell structure for thrust chamber nozzle extension has been performed. In order to identify anisotropy of cold rolled sheet metal, three types of tensile specimens according to the direction to the sheet rolling axis were prepared and tested, and Landford"s values were obtained using the results and applied to structural analysis. Forming characteristics of the outer shell structure of the nozzle extension are investigated through manufacturing and forming of the full scale outer shell structures, and strain values obtained by the forming processes are compared to the numerical analysis results. The results obtained by this study will be utilized to design forming tools and processes for manufacturing other outer shell structures which have a bigger expansion area ratio.
유철성(Chulsung Ryu),이금오(Keumoh Lee),허성찬(Seongchan Heo),최환석(Hwanseok Choi) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5
7톤급 연소기 헤드부에 대한 구조설계를 수행하였다. 액체로켓엔진 연소기 헤드부는 추진제로 사용되는 산화제와 연료에 의하여 고압의 하중뿐만 아니라 추력 하중을 받기 때문에 구조적인 안정성은 매우 중요한 요소이다. 7톤급 연소기 헤드부 구조설계를 위하여 먼저 구조설계 요구조건을 설정하고, 이를 바탕으로 기본형상을 설계하였다. 구조설계에 사용된 재료는 국내에서 개발된 고강도 스테인리스강을 적용하였다. 설계된 기본형상에서 구조적으로 가장 효과적인 형상을 도출하기 위하여 총 12종류의 해석모델에 대하여 구조해석을 수행하고, 그 결과들로부터 구조적으로 가장 안정한 형상을 선정하였다. Structural design of the injector head part of a 7ton class thrust chamber was preformed. Structural stability of an injector head part is a very important factor for a thrust chamber of a liquid rocket engine because it is loaded by high pressure of liquid oxidizer and fuel in addition to thrust load. Structural design requirements were first defined to design the injector head part of the 7ton class thrust chamber and the basic configuration was designed on the basis of the design requirements. A high strength steel that has been locally developed was applied to the injector head part of the thrust chamber. A total of twelve design configurations have been analyzed to select structurally the most stable design configuration.
유철성(Chulsung Ryu),이금오(Keumoh Lee),최환석(Hwanseok Choi) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11
연소기 재생냉각 챔버 노즐확장부의 외피구조물 제작을 위한 성형치구 설계에 대한 연구를 수행하였다. 연소기 챔버에서 두께가 얇은 외피구조물은 판재의 성형을 이용하여 제작한다. 노즐확장부 외피구조물의 성형에서 노즐확장부와 동일한 형상의 치구로 성형하면 성형 후 구조물의 형상이 노즐확장부와 일치하지 않고 탄성복원에 의하여 그 형상이 변화한다. 따라서 노즐확장부 형상과 동일한 형상으로 성형을 완성하기 위해서는 탄성복원을 고려한 성형치구의 설계가 필요하다. 본 연구에서는 초기 성형 후 탄성복원에 의한 노즐형상과 실제 구조물의 형상과의 오차를 없애기 위하여 오차를 보상한 새로운 성형치구용 형상을 생성하였다. 구조해석 결과 설계 수정된 성형치구로 성형하면 노즐 형상과 성형된 구조물과의 형상 오차가 매우 작게 감소함을 확인할 수 있었다. Forming tool design is carried out for a manufacturing a outer shell structure of the nozzle extension of regenerative cooling thrust chamber. The method which manufactures outer shell structure of nozzle extension is a metal forming process using thin plate. Because the configuration of outer shell structure is changed after forming process by springback effect ,the outer shell structure can"t be exactly formed with the same forming tool as configuration of the nozzle extension. Therefore forming tool design considering springback effect is necessary for manufacturing the outer shell structure of the nozzle extension. In this study, new designed forming tool configuration was generated to decrease the errors between nozzle contour and formed structure. The analysis results show that the errors between nozzle contour and formed structure is significantly decreased using the new designed forming tool.