한국형발사체용 터보펌프 개발 현황

김진한,최창호,정은환,전성민,홍순삼 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

국내 독자개발을 목표로 하는 3단형 한국형발사체의 각 단의 엔진에 적용될 터보펌프 개발 현황에 관하여 기술하였다. 개발 중인 터보펌프는 가스 발생기 형식의 7톤급(3단용) 및 75톤급(1/2단용) 액체엔진에 적용될 것이다. 본 터보펌프는 동일축선 상에 산화제펌프와 연료펌프, 터빈, 및 Inter-propellant seal(IPS)로 구성되어 있다. IPS는 액체산소와 케로신이 상호작용을 하지 않도록 차단해주는 장치이다. 현재 75톤 급 터보펌프의 경우 모사매질(물 및 공기)을 사용하여 각 단품 및 시스템 성능시험을 마치고 hot firing 시험이 가능한 상태에 있으며 7톤급의 경우 현재 상세설계 단계에 있다. The present paper describes the development of turbopumps for Korea Space Launch Vehicle-Ⅱ(KSLV-Ⅱ). The turbopumps under development will be appllied to 7 tons and 75tons of liquid rocket engines. These turbopumps consist of two single-stage centrifugal pumps, that is, LOX and kerosene pumps, and one single-stage impulse turbine. Inter-propellant seal(IPS) is located between the LOX pump and the kerosene pump to avoid any interaction between the propellants. Sets of components/TPU(Turbopump Unit) tests have been completed in the level of simulant propellants and ready for hot firing tests for 75 tons TPU. While, the 7 tons TPU is under process of detail design.

30톤급 엔진용 터보펌프 실매질 고온시험

홍순삼(Soon-Sam Hong),김진선(Jin-Sun Kim),김대진(Dae-Jin Kim),김진한(Jinhan Kim) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.5

가스발생기 사이클의 추력 30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프에 대하여 실매질 고온 시험이 이루어졌다. 산화제펌프와 연료펌프에는 각각 액체산소, 케로신이 공급되고 터빈에는 고온의 가스가 공급되며 이 가스는 펌프로부터 배출되는 추진제의 일부를 가스발생기에서 연소시켜 생성된다. 터보펌프는 시험 중에 설계점과 탈설계점의 전 영역에서 안정적으로 작동하였고 성능 요구 조건을 만족시켰다. 본 논문에서는 여러 차례의 시험 중에서 단일 운전으로 세 운용점에서 총 120초간 작동된 경우에 대하여 터보펌프에 관심을 두고 시험결과를 소개한다. 펌프와 터빈의 성능 특성 관점에서 터보펌프 조립체의 실매질 고온 시험 성능시험 결과와 터보펌프 구성품의 상사 성능 시험 결과가 양호하게 일치하였다. Hot-fire test of a turbopump for a gas generator cycle rocket engine of 30 ton class was carried out in real propellant environment. Liquid oxygen and kerosene were used for the oxidizer pump and the fuel pump, respectively, while hot gas produced by the gas generator was supplied to the turbine. A part of the propellant discharged from the pumps was provided to the gas generator. The turbopump was run stably at both on-design and off-design conditions, satisfying all the performance requirements. This paper describes one of the test cases, where the turbopump was run for 120 seconds at three different operating modes in one test. In terms of performance characteristics of pumps and turbine, the results from turbopump assembly test using real propellant showed a good agreement with those from the turbopump component tests using simulant working fluid.

터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험 특성 연구

김승한(Seung-Han Kim),남창호(Chang-Ho Nam),김철웅(Cheul Woong Kim),설우석(Woo Seok Seol) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

액체산소/케로신 추진제 액체로켓엔진 개발기술 확보를 위해, 연소기를 제외한 터보펌프, 가스발생기 등의 30톤급 엔진 주요 구성품을 이용한 터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험을 수행하였다. 연소기를 유량제어 요소로 모사한, 엔진시스템 모사조건에서 터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험기의 예냉 절차, 시동 특성, 정격조건 작동 및 정지가 성공적으로 수행되었다. 터보펌프와 가스발생기의 작동성을 검증하였다. 연계시험기의 터보펌프 회전수 및 혼합비 피드백 제어를 위한 제어시스템도 검증되었다. 본 폐회로 연계시험 결과는 액체로켓엔진 선행 기술 개발에 활용될 것이다. For the technology development of LOx/kerosene liquid rocket engine, turbopump-gas generator closed-loop coupled tests using 30tonf main engine components such as turbopump and gas generator except combustion chamber are performed. In the engine system operation environment, simulating combustion chamber by flow control units, the chill-down procedure, startup characteristics, nominal operability and smooth shutdown of turbopump+gas generator closed-loop coupled Test Plant are successfully confirmed. The serviceability of the turbopump and gas generator are evaluated. The feed-back control system for the turbopump rotational speed and gas generator mixture ratio are also verified. The results of closed-loop coupled test will be used as the technology development for the liquid rocket engine.

유성기어를 적용한 터보펌프의 개념설계

김진한(Jinhan Kim),정은환(Eun-Hwan Jeong),최창호(Chang-Ho Choi),전성민(Seong-Min Jeon),김진선(Jin-Sun Kim) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

본 논문은 유성기어를 적용한 터보펌프의 개념설계에 대하여 기술하였다. 발사체시스템에서는 무게가 가장 중요한 설계인자 중 하나이다. 케로신 혹은 메탄을 연료로 사용하는 터보펌프의 경우 통상 시스템의 간단성 때문에 1축(혹은 동축) 형식이 사용된다. 이 경우 단점은 산화제펌프와 연료펌프의 회전수가 서로 최적이 아닌 상태에서 작동하게 되는 것이다. 각 펌프가 최적 회전수에서 작동하고 또한 증가된 회전속도로 부터 부품의 효율 증대와 무게이득을 최대화하기 위해서는 터보펌프에 유성기어를 적용하는 것이 최선의 방법이 아닐까 판단된다. 본 논문에서는 유성기어를 도입한 터보펌프의 개념설계와 가능성에 대해 제안하였다. The present paper describes a conceptual design of a turbopump which employs a planetary gear system. In a launcher system, weight is one of the most important design factor. In turbopump systems using propellants such as kerosene, or methane, single shaft systems are employed because of simplicity. One of the main disadvantages of this system, however, is the same rotational speed of both pumps and a turbine which forces to operate under non-optimum condition. To operate each component in optimum or favorable rotational speeds, a planetary gear system may be the best choice when the compactness and efficiency of a turbopump system is considered. A conceptual design and feasibility of the turbopump system adopting a planetary gear system is suggested.

30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 실매질시험

홍순삼(Soon-Sam Hong),김대진(Dae-Jin Kim),김진선(Jin-Sun Kim),김진한(Jinhan Kim) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.11

30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프에 대하여 실매질을 사용하여 성능시험이 이루어졌다. 산화제펌프와 연료펌프에는 각각 액체산소, 케로신의 실매질을 사용하고 터빈에는 고압의 상온 수소가스가 사용되었다. 터보펌프는 설계점과 탈설계점의 전 영역에서 안정적으로 작동하였고 요구되는 성능 조건을 만족시켰으며 이로써 엔진 서브시스템 수준의 터보펌프 개발이 성능 측면에서 검증되었다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 단일 운전으로 세 운용점에서 총 75초간 작동된 경우의 시험결과를 소개하였다. 펌프와 터빈의 성능 특성 관점에서 터보펌프 조립체의 실매질 성능시험 결과와 터보펌프 구성품의 상사 성능 시험 결과가 양호하게 일치하였다. Turbopump test for a 30-ton-thrust liquid rocket engine was carried out using real-propellant. Liquid oxygen, kerosene, cold hydrogen gas were used for the oxidizer pump, the fuel pump, the turbine, respectively. The turbopump was run stably at the design and off-design conditions and the performance requirements were satisfied, which implies that the turbopump development at the engine subsystem level is successfully accomplished in the point of performance validation. This paper presents the results of a test where the turbopump was run for 75 seconds at three operating modes. In terms of performance characteristics of pumps and turbine, the results from turbopump assembly test using real-propellant showed a good agreement with those from the turbopump component tests using simulant working fluid.

터보펌프+가스발생기 개회로 연계시험

김승한(Seung-Han Kim),남창호(Chang-Ho Nam),김철웅(Cheul Woong Kim),문윤완(Yoonwan Moon),설우석(Woo Seok Seol) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.11

30톤급 액체산소-케로신 액체로켓엔진 개발의 중간 단계로서 연소기를 제외한 터보펌프 등의 엔진 주요 구성품을 이용한 터보펌프+가스발생기 개회로 연계시험이 수행되었다. 터보펌프+가스발생기 개회로 연계시험의 시험기 구성 및 시험결과를 제시하였다. 연소기를 오리피스로 모사하는 상태에서의 터보펌프+가스발생기 개회로 연계시험기의 예냉, 시동기를 이용한 시동 및 가스발생기 점화, 터보펌프 정격 구동이 성공적으로 수행되었다. 개회로 연계시험 결과는 터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험 수행을 위해 활용되었다. As a interstage of the 30tonf level LOx/kerosene liquid rocket engine development, turbopump-gas generator open-loop coupled tests are performed. Test schematic and test results of open-loop coupled tests are presented. In engine system operation environment simulating combustion chamber by flow control orifice, chill-down procedure, startup characteristics, nominal operability of turbopump+gas generator open-loop coupled Test Plant are confirmed The results of open-loop coupled test were used for the preparation on turbopump+gas generator closed-loop test.

과산화수소 터보펌프 설계 및 수류시험

이성구(Sunggu Lee),박대종(Daejong Park),권세진(Sejin Kwon) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

과산화수소와 케로신을 이용한 이원액체추진제 로켓엔진을 위한 산화제 터보펌프를 설계하였으며 수류시험을 통해 설계된 터보펌프의 작동여부를 실험하였다. 과산화수소 터보펌프의 설계조건을 결정하고 펌프의 임펠러를 설계하였다. 펌프를 구동하기 위한 터빈을 차량용 터보차저로 선정하였으며 터빈 맵을 이용하여 가스발생기를 설계하였다. 펌프, 터빈과 가스발생기를 통합하여 터보펌프 시스템을 구축하였으며 수류시험을 통해 터보펌프 시스템이 1.47 bar의 압력으로 3.4 kg/s의 유량을 공급하는 것을 확인하였다. Hydrogen peroxide turbopump was designed for bi-propellant liquid rocket engine using hydrogen peroxide and kerosene as propellants. Turbopump operation was verified through water tests. Design conditions of hydrogen peroxide turbopump were determined, and impeller was designed. Turbine which drives pump was selected from commercial turbocharger. Gas generator was designed by reference from turbine map. Pump, turbine, gas generator were integrated, and turbopump system was constructed. Turbopump supplied water by 1.47 bar of pressure and as well as 3.4 kg/s of mass flow rate.

7톤급 액체로켓엔진 터보펌프 임계속도 해석

전성민(Seong Min Jeon),김진한(Jinhan Kim) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

한국형발사체 상단엔진에 사용될 7톤급 액체로켓엔진용 터보펌프의 임계속도 해석이 이루어 졌다. 7톤급 터보펌프는 기 개발된 실험용 30톤급 터보펌프 및 현재 개발 중인 한국형발사체 1, 2단 엔진용 75톤급 터보펌프의 기본 개념을 채용하여 1축 터보펌프로 설계가 진행 중이다. 2개의 볼 베어링으로 지지되는 산화제펌프 회전체와 역시 2개의 볼 베어링으로 지지되는 연료펌프-터빈 회전체는 스플라인 축으로 연결되어 설계 속도에서 작동한다. 본 연구에서는 회전체동역학 해석을 수행하여 터보펌프가 sub-critical 회전체로서 충분한 임계속도 분리 여유를 확보하는 지를 검토하였다. A rotordynamic analysis is performed for a 7 ton class turbopump applied to the third stage LRE(Liquid Rocket Engine) of the KSLV(Korea Space Launch Vehicle). Based on the heritage of the developed experimental 30 ton class turbopump and developing 75 ton class turbopump for the KSLV first and second stage LRE, the 7 ton class turbopump is designed as an one-axis rotor turbopump. Two rotor systems comprised of one oxidizer pump assembly and the other fuel pump-turbine assembly are connected each other using a spline shaft and operating at a design speed. Through the rotordynamic analysis, it is investigated that the turbopump acquires sufficient separate margin of critical speed as a sub-critical rotor.

75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 실매질 성능시험

곽현덕(Hyun D. Kwak),김대진(Dae-Jin Kim),김진선(Jin-Sun Kim),노준구(Jun-Gu Noh),박민주(Min-Ju Park),박편구(Pyun-Goo Park),배준환(Jun-Hwan Bae),신주현(Ju-Hyun Shin),왕승원(Seong-Won Wang),윤석환(Suck-Hwan Yoon),이항기(Hanggi Lee),전성민( 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발 시제에 대한 조립체 성능시험이 터보펌프 실매질 시험설비에서 수행되었다. LN2와 케로신을 적용한 첫 시험에서는 터보펌프 단품들의 조립체 레벨, 설계회전수 근방에서의 수력/공력 성능 및 출력 매칭 점검이 이루어 졌으며 LOX와 케로신을 적용한 실매질 시험에서는 터보펌프의 설계성능 및 엔진운용영역 탈설계 성능 검증시험이 이루어졌다. 탈설계시험의 경우, 엔진의 운용시간을 초과하여 터보펌프가 운용되었으며 펌프입구압력을 설계 요구유효흡입 양정(NPSHr)에 가깝게 설정하여 흡입성능 검증을 병행하였다. 개발된 75톤급 액체로켓용 터보펌프는 성능, 운용시간의 엔진 요구규격을 잘 만족시키는 것으로 확인되었다. Performance tests of the developing 75-tonf liquid rocket engine turbopump were conducted. The performance of sub-components - two pumps and a turbine - and their power matching were measured and examined firstly near the design speed under the LN2 and kerosene environment. In the real propellant - LOX and kerosene - environment tests, design and off-design performance of turbopump were fully verified in regime of the rocket engine operation. During the off-design performance tests, turbopump running time was set longer than the engine operating time and pump suction capability were investigated in parallel by setting the pump inlet pressure close to design NPSHr. It have been found that developed-turbopump satisfied all of the engine required performances.

터보펌프-가스발생기 개회로 연계시험 연구

김승한(Kim Seung-Han),남창호(Nam Chang-Ho),김철웅(Kim Cheulwoong),문윤완(Moon Yoonwan),설우석(Seol Woo-Seok) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.5

30톤급 액체산소/케로신 액체로켓엔진개발의 중간단계로 터보펌프-가스발생기 개회로 연계시험이 수행되었다. 터보펌프-가스발생기 개회로 연계시험은 엔진시스템 작동 모사 환경 시험으로서 가스발생기로의 추진제는 터보펌프 출구를 통해 공급되지만, 가스발생기 출구 가스는 터빈 구동에 이용되지 않고 외부로 배출된다. 터보펌프-가스발생기 개회로 연계시험 목적, 시험설비 구성, 제어시스템의 작동 조건, 시험 수행 절차, 연계시험기의 구성 형태, 개회로 연계시험 결과가 제시되었다. 터보펌프-가스발생기 개회로 연계시험 결과, 연계시험기의 예냉 절차와 시동 특성, 정격 작동성 및 안정적인 종료 특성이 액체로켓 엔진시스템 작동 환경 모사조건에서 확인되었다. Turbopump-gas generator open-loop coupled tests are performed during the development of a 30tonf-LOx/Kerosene rocket engine. In the turbopump-gas generator open-loop tests, the propellants to gas generator are supplied from the outlets of turbopump, while the gas exhausted from the gas generator is vented out to the atmosphere, instead of being used to turbine driving. This paper presents the objectives, procedure, and results of the open-loop coupled test, in addition to a schematic representation of the test apparatus and the operating conditions for the test facility system and control system. The results of turbopump-gas generator open-loop coupled test confirm chill-down procedure, startup characteristics, nominal operability and smooth shutdown of the open-loop coupled Test Plant in test conditions simulating engine system operation environment.