액체질소를 이용한 산화제펌프의 극저온 성능시험

김진선(Jin-Sun Kim),홍순삼(Soon-Sam Hong),김대진(Dae-Jin Kim),최창호(Chang-Ho Choi),김진한(Jinhan Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.4

액체질소를 작동유체로 한 극저온 시험설비를 이용하여 산화제펌프의 성능시험을 수행하였다. 설계회전수의 30~55%영역에서 시험을 수행하였으며, 그 결과를 작동유체로 물을 이용한 상온수류시험의 결과와 비교 분석하였다. 수력성능에 있어서는 회전수에 대한 상사성을 만족시킴으로써 설계회전수인 20000rpm에서의 성능예측을 가능하게 했다. 펌프의 극저온 흡입성능에서는 설계유량에서 극저온 임계캐비테이션 수가 0.012으로 나타났으며, 상온수류시험의 경우는 0.024를 보이면서, 모든 시험회전수와 시험유량영역에서 수류시험의 경우보다 향상된 결과를 보였다. 이러한 향상된 극저온 환경에서의 흡입성능은 극저온 유체에서 펌프의 열역학적인 효과로부터 기인하는 것으로 판단된다. Performance tests of a liquid-oxygen pump were carried out using liquid nitrogen (LN2) as a working fluid in a cryogenic turbopump test facility in Korea Aerospace Research Institute (KARI). The tests were performed at 30-55% of the design rotational speed, and the results were compared with those from a water test. The experimental results confirmed the similarity of the hydraulic performance, which allows the prediction of the pump performance at a design rotational speed of 20,000 rpm. The overall cavitation performance of the pump in the cryogenic environment was better than that in the water environment for all ranges of flow rates and rotational speeds. Critical cavitation number at the design flow rate was determined as 0.012 from the cryogenic test, and as 0.024 from the water test. The improved cavitation performance is due to the thermodynamic effect in cryogenic fluids.

고압의 가압식 액체질소 공급 설비 구축

신민규,오정화,김석원,고영성,정용갑 항공우주시스템공학회 2020 항공우주시스템공학회지 Vol.14 No.5

In this study, a facility was constructed to supply liquid nitrogen to simulate combustion instability in a liquid rocket combustor. The pressurization and supply performances were predicted and verified through different experiments. The liquid nitrogen supply system was composed of a pressurized supply system, and a dome regulator was used to adjust the pressure of the pressurant. A cavitation venturi was used to control the mass flow rate of liquid nitrogen. The condition of liquid nitrogen supply was a mass flow rate of 2.55 kg/s and the venturi inlet pressure was above 100 bar. Based on the initial experiment, it was observed that the predicted amount of the pressurant was not sufficiently supplied and the target pressure was not supplied due to a drop in tank pressure. Through the modification of the established facilities, the target mass flow rate was successfully supplied and the cryogenic liquid nitrogen supply facility was verified. 본 연구에서는 액체로켓 연소기의 연소 불안정 모사를 위해 극저온 유체인 액체질소를 공급하는 설비를 구축하였다. 가압 및 공급 성능을 예측하였으며 실험을 통하여 검증하였다. 액체질소 공급 시스템은 가압식 공급 시스템으로 구성하였으며, 가압제 압력 조정은 돔 레귤레이터를 사용하였다. 액체질소 공급 유량 제어는 캐비테이션 벤추리를 사용하였으며, 액체 질소 공급 조건은 초당 유량 2.55 kg/s, 벤추리 입구 압력은 100 bar 이상이다. 초기 실험 결과 예측된 가압제의 양이 충분히 공급되지 못하여, 탱크 압력 강하가 발생해 목표 유량을 공급하지 못하였다. 구축된 설비의 변경 및 보완을 통하여, 최종적으로 목표 유량 공급에 성공하여 극저온 액체질소 공급 설비를 검증하였다.

한국형발사체 Y-타입 극저온 체크밸브 개발

정용갑(Yonggahp Chung),정승창(Seungchang Jeong) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

액체로켓엔진 추진기관시스템에서는 유체의 역류를 방지하거나 제한하여 한 방향으로만 유체가 흐르게 제어하기 위하여 체크밸브를 사용한다. 한국형발사체(KSLV-II)에서는 추진제인 산화제로는 액체 산소(LOX)가 사용되고 연료로는 케로신이 사용된다. 가압제인 헬륨 가스는 극저온 액체 산소 탱크 내에 설치된 가압제 용기에 저장된다. 본 연구에서는 한국형발사체에 적용되는 Y-타입 극저온 체크밸브 개발에 대해 고찰하였다. The check valves are used to allow free flow in one direction and to prevent or restrict reverse flow in the LRE propulsion system. Liquid oxygen(LOX) as the oxidizer and kerosene as the fuel are used for the propellant in Korea Space Launch Vehicle-II(KSLV-II). The helium gas as the pressurant is stored in pressurant cylinders inside the cryogenic liquid oxygen tank. In this study, the development of Y-type cryogenic check valve for KSLV-II was considered.

액체로켓엔진 극저온 산화제 배관 제작공정 개발

김진형(Jin-Hyung Kim),조황래(Hwang-Rae Cho),방정석(Jeong-Suk Bang),이병호(Byung-Ho Rhee),유재한(Jae-Han Yoo),문일윤(Il-Yoon Moon),이수용(Soo-Yong Lee) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

액체로켓엔진용 극저온 산화제 고압 배관 기술 개발을 위해 시제품을 제작하였다. 기술 개발 시제품은 체결용 플랜지, 직관, 곡관, 벨로우즈, 분기구로 구성하였다. 액체로켓엔진용 극저온 산화제 고압 배관은 터보펌프에서 토출된 고압의 극저온 산화제를 연소기로 공급하는 경로이므로 극저온, 고압의 작동환경에서 구조적 안정성을 가져야 한다. 따라서 본 제작공정 개발에서는 극저온을 고려한 구조해석을 수행하여 적합한 소재를 선정하였으며, 공정개발과 특수공정을 적용하여 시제품을 제작한 후 구조강도 시험을 수행하였다. 본 개발을 통해 액체로켓엔진에 적용되는 극저온 산화재 고압 배관을 위한 기술적 기반과 소재 응용기술, 향후 고성능 대형 액체로켓엔진에 적용하기 위한 공정개발을 완료하였다.

LNGC 디젤기관 크랭크 챔버용 액체질소 불활성가스 시스템에 관한 연구

최부홍,김현수 해양환경안전학회 2012 해양환경안전학회지 Vol.18 No.3

LNGC 주기관의 크랭크 챔버 내 유증기 폭발 방지를 위해 기존의 이산화탄소 가스인젝터가 부착된 오일미스트 감지기 외에 불활성가스 시스템을 설치할 필요가 있다. 특히, LNGC 선박은 액체질소를 손쉽게 확보할 수 있는 장점이 있기 때문에 액체질소를 이용한 불활성가스 시스템을 도입하기 위한 설계 기초 단계로서 해석적 연구를 시행하였다. 또한 액체질소 최소 소모량 시스템을 개발하기 위하여 층상류 모델을 적용하였으며, 층상류 흐름에 미치는 유로관경, 포화압력과 선박동요에 따른 배관 기울기 등의 영향에 대해서도 조사하였다. 또한 질소와 같은 극저온 유체들과 여기에 사용된 예측 모델과의 비교 검토를 통하여 극저온 유체에 대해서도 모델의 유효성을 검증하였으며, 액체질소 불활성가스 시스템의 액체질소를 가스로 상변환 시키는데 소요되는 가열기의 열부하도 예측할 수 있었다. It is necessary to install the inert gas system(IGS) for preventing fire and explosion in LNGC main diesel engine crankcase besides oil mist detector(OMD) unit with CO2 gas injector. Therefore, to design the liquid nitrogen IGS, analytical work is conducted for predicting the heat input load of liquid nitrogen heater with two-phase stratified flow model. This paper also presents the effects of changes in pipe diameter, saturated pressure, and inclination angle by ship's movement on cryogenic two-phase stratified flows. It is found that the stratified model gives reasonable predictions, and the model is effective to predict the heat input load of liquid nitrogen IGS.

중이온가속기 액체헬륨 분배시스템 보호계통 개발

Jin Lingxue,박미정(M. J. Park),최용준(Y. J. Choi),김무상(M. S. Kim),김용학(Y. H. Kim),박희철(H. C. Park) 대한기계학회 2022 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2022 No.11

The rare isotope accelerator complex for on-line experiments (RAON) is under construction in Daejeon, Republic of Korea. The cavities of the accelerators are operated at 4.5 K (22 of QWR) and 2.05 K (104 of HWR), which are cooled by liquid helium. The liquid helium is supplied to each cavity through a helium distribution system which controls the physical parameters such as pressure, temperature, liquid helium level, and mass flow rate through the cryogenic valves. This paper describes the design of the protection strategies for the cryogenic system by considering the thermal fluid properties of liquid helium and the construction of the control system for realizing the protection logic. This work will be helpful to the field engineers in providing the methodology to control a complex cryogenic system with various thermal operating conditions.

중이온가속기 액체헬륨 분배시스템 보호계통 개발

Jin Lingxue,박미정(M. J. Park),최용준(Y. J. Choi),김무상(M. S. Kim),김용학(Y. H. Kim),박희철(H. C. Park) 대한기계학회 2022 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2022 No.11

The rare isotope accelerator complex for on-line experiments (RAON) is under construction in Daejeon, Republic of Korea. The cavities of the accelerators are operated at 4.5 K (22 of QWR) and 2.05 K (104 of HWR), which are cooled by liquid helium. The liquid helium is supplied to each cavity through a helium distribution system which controls the physical parameters such as pressure, temperature, liquid helium level, and mass flow rate through the cryogenic valves. This paper describes the design of the protection strategies for the cryogenic system by considering the thermal fluid properties of liquid helium and the construction of the control system for realizing the protection logic. This work will be helpful to the field engineers in providing the methodology to control a complex cryogenic system with various thermal operating conditions.

30톤급 터보펌프-가스발생기 연계시험에서 예냉 절차 연구

문윤완(Yoonwan Moon),남창호(Chang-Ho Nam),김승한(Seung-Han Kim) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

30톤급 터보펌프-가스발생기 연계시험에서 예냉 절차에 대해 분석을 수행하였다. 예냉은 극저온 추진제를 사용하는 액체로켓엔진에서는 시험 전 반드시 수행하여야 하는 절차이다. 예냉을 통해 시험기, 특히 극저온 펌프의 온도를 극저온으로 낮춰 펌프의 공동화 현상, 베어링 부의 파손, 기포에 의한 연소 불안정성의 가능성을 사전에 제거한다. 30톤급 터보펌프-가스발생기 연계시험을 통해 수집한 자료를 분석함으로서 한국형발사체 엔진 개발 시험 시 유용한 자료로 사용하고자 연구를 수행하였으며, 각 주요 부위의 온도, 예냉 수행 시간 등을 파악하였다. An analysis of chill-down process was performed for 30 tonf Turbopump-Gas generator coupled tests. The chill-down process must be fulfilled before liquid rocket engine test using cryogenic propellant. Cavitation, damage and/or combustion instability due to bubble of propellant must be eliminated by chill-down process in a test specimen, especially cryogenic pump. The analysis of test data obtained by 30 tonf TP-GG coupled tests was performed in order to be based on the test process of KSLV-Ⅱ liquid propellant rocket engine which will be developed. To macroscopically understand the process of chill-down from the viewpoint of test procedure the temperatures of important part and total time of chill-down process were analyzed.

전산 구조해석을 이용한 산화제 개폐밸브 성능향상에 관한 연구

김도형(Dohyung Kim),배영우(Youngwoo Bae),홍문근(Moongeun Hong),유재한(Jaehan Yoo),김은수(Eunsoo Kim),장기원(Kiwon Jang) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

발사체 추진시스템에서 CC(Combustion Chamber) 산화제 개폐밸브는 액체산소를 연소기로 공급 및 차단함으로써 연소를 개시 및 중단시킬 뿐만 아니라, 정상운영 상태에서는 연소기 내 안정된 연소가 가능하도록 일정한 유량의 액체산소를 공급한다. 개발이 완료된 산화제 개폐밸브 EM(Engineering Model)의 주요 구성부의 성능향상을 위하여 전산구조해석을 이용한 중간플랜지, 밸브 입구의 립 부분의 설계 변경을 수행하였으며, 성능 시험을 통하여 설계변경에 의한 성능 향상을 최종확인 하였다. MOV(Main Oxidizer shut-off Valves) control the combustion of launch vehicle systems by the supply and the isolation of liquid oxygen to a main combustion chamber in launch vehicle systems. Moreover, the MOV should secure a constant flow rate of liquid oxygen for combustion instability in the steady operational state. To modify the middle flange and rip of inlet valve design by Computer Aided Structural Analysis for improvement of EM core functions. In result, it has been verified to improve performance of EM by tests.

CFD 시뮬레이션을 이용한 액화수소 저장용기 copper conductive shield에 관한 연구

문성식(Seong-sik Moon),한상태(Sang Tae Han),장진혁(Jang Jin Hyuk),리광훈(Gwang Hoon Rhee) 대한기계학회 2017 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2017 No.11

Cryogenic Liquid hydrogen evaporates at room temperature. Insulation performance is important to increase the efficiency of storing liquid hydrogen. One of the factors affecting the storage vessel performance is Vapor cooled shied(VCS). In this study, We study the role of Copper conductive shield(CCS) to replace VCS. It is calculated by numerical method with commercial CFD code Star-ccm+. The heat of penetration into the inner vessel is calculated by changing the position of the copper inside the Multi-layer insulation(MLI) of the liquid hydrogen storage. It is found that there is an optimum location of copper to minimize the penetration heat. CCS transfers heat to the neck of the tank.