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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 문인상
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
이 논문의 연구 히스토리 (5)
2016
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현재 국내에서는 KSLV-Ⅰ 이후 한국형발사체 개발을 통해 1.5톤급 실용위성을 지구저궤도에 투입할 예정에 있다. 그러나 현재까지 국내에서 개발 중인 액체로켓엔진은 가스발생기 사이클 엔진으로 고성능을 내기에는 한계가 존재한다. 따라서 더 높은 성능을 낼 수 있는 다단연소 사이클 엔진 기술 확보가 필요하다.
본 논문에서는 다단연소 사이클 엔진에 대한 선행연구의 일환으로 정상상태 도달 전 천이구간 예측을 위한 시동 해석을 수행하였다. 액체로켓엔진은 극한 조건에서 동작하므로 시동과정에서 갑작스런 압력 또는 온도의 부하 변동이 발생할 수 있으며 이것은 시스템 내 예기치 못한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 엔진 개발 단계에서 수치적 해석을 통해 시동과정 중 시스템 내 변화를 예측하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 다단연소 사이클 엔진의 핵심분야 중 하나인 예연소기와 터보펌프가 연계된 파워팩을 대상으로 시동 해석 시뮬레이터를 개발하였다. 이 시뮬레이터는 사전에 설정한 시동 절차에 의해 추진제 유량, 압력을 시간에 따라 계산하고 터빈과 펌프의 동력을 구해준다. 이러한 계산 과정을 통해 최종적으로 터보펌프 회전속도, 예연소기 연소압, 연소가스 온도 변화 등을 예측할 수 있다.
시동 해석 결과 연소가스 온도는 전체 구간에서 700 K 이하의 안정된 연소를 보였고, 터보펌프 회전속도와 예연소기 연소압에서는 overshoot가 발생하였다. 밸브 개방시점을 시동 특성과 관련된 주요 인자로 선정하고 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 결과 메인 연료 밸브 개방 및 시동 터빈 종료 시점이 overshoot 발생과 관련이 있는 것을 확인하였다. 또한 시동 터빈 구동용 헬륨 가스 유량 프로파일에 따른 시동 특성 변화도 살펴보았다. 헬륨이 일정하게 공급되는 경우보다 시간에 따라 감소하는 경우에 overshoot 폭이 감소하며 약 20 MPa의 연소압을 가지며 안정적으로 시동이 되는 것을 알 수 있었다. 메인 연료 밸브 개방과 시동 터빈 종료 시점을 분리하여 해석한 결과 메인 연료 밸브 개방 시점이 시동 특성 변화에 많은 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 안정적인 시동을 위해서는 메인 연료 밸브 개방 시점을 적절히 설정할 필요가 있으며, 시동 해석 결과를 검토하였을 때 시동 터빈 구동 후 약 1초 이전에 개방되도록 설정해야함을 알 수 있었다.
터보펌프 회전속도, 예연소기 연소압, 연소가스 온도 분석 결과 개발한 시동 해석 시뮬레이터를 이용해 안정적 시동 시퀀스 제시가 가능함을 확인하였다. 향후 실제 시험 결과와의 비교 및 실제와 더 가깝게 모사할 수 있는 시스템 모델링을 수행한다면 실제 엔진 개발 과정에 유용하게 쓰일 것으로 예상된다. 특히 시간에 따른 시스템 내 변화를 예측함으로써 안정적 시동을 위한 시동 시퀀스 설정에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
본 논문에서는 다단연소 사이클 엔진에 대한 선행연구의 일환으로 정상상태 도달 전 천이구간 예측을 위한 시동 해석을 수행하였다. 액체로켓엔진은 극한 조건에서 동작하므로 시동과정에서 갑작스런 압력 또는 온도의 부하 변동이 발생할 수 있으며 이것은 시스템 내 예기치 못한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 엔진 개발 단계에서 수치적 해석을 통해 시동과정 중 시스템 내 변화를 예측하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 다단연소 사이클 엔진의 핵심분야 중 하나인 예연소기와 터보펌프가 연계된 파워팩을 대상으로 시동 해석 시뮬레이터를 개발하였다. 이 시뮬레이터는 사전에 설정한 시동 절차에 의해 추진제 유량, 압력을 시간에 따라 계산하고 터빈과 펌프의 동력을 구해준다. 이러한 계산 과정을 통해 최종적으로 터보펌프 회전속도, 예연소기 연소압, 연소가스 온도 변화 등을 예측할 수 있다.
시동 해석 결과 연소가스 온도는 전체 구간에서 700 K 이하의 안정된 연소를 보였고, 터보펌프 회전속도와 예연소기 연소압에서는 overshoot가 발생하였다. 밸브 개방시점을 시동 특성과 관련된 주요 인자로 선정하고 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 결과 메인 연료 밸브 개방 및 시동 터빈 종료 시점이 overshoot 발생과 관련이 있는 것을 확인하였다. 또한 시동 터빈 구동용 헬륨 가스 유량 프로파일에 따른 시동 특성 변화도 살펴보았다. 헬륨이 일정하게 공급되는 경우보다 시간에 따라 감소하는 경우에 overshoot 폭이 감소하며 약 20 MPa의 연소압을 가지며 안정적으로 시동이 되는 것을 알 수 있었다. 메인 연료 밸브 개방과 시동 터빈 종료 시점을 분리하여 해석한 결과 메인 연료 밸브 개방 시점이 시동 특성 변화에 많은 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 안정적인 시동을 위해서는 메인 연료 밸브 개방 시점을 적절히 설정할 필요가 있으며, 시동 해석 결과를 검토하였을 때 시동 터빈 구동 후 약 1초 이전에 개방되도록 설정해야함을 알 수 있었다.
터보펌프 회전속도, 예연소기 연소압, 연소가스 온도 분석 결과 개발한 시동 해석 시뮬레이터를 이용해 안정적 시동 시퀀스 제시가 가능함을 확인하였다. 향후 실제 시험 결과와의 비교 및 실제와 더 가깝게 모사할 수 있는 시스템 모델링을 수행한다면 실제 엔진 개발 과정에 유용하게 쓰일 것으로 예상된다. 특히 시간에 따른 시스템 내 변화를 예측함으로써 안정적 시동을 위한 시동 시퀀스 설정에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
목차
1. 서 론 11.1 액체로켓엔진 사이클 11.2 연구의 목적 및 필요성 51.3 국내외 시동 해석 연구 사례 71.3.1 국외 연구 사례 71.3.1.1 일본 71.3.1.2 이란 91.3.2 국내 연구 사례 102. 시동 해석 시뮬레이터 개발 122.1 소형 다단연소 사이클 엔진 파워팩 시스템 구성 142.2 시동 시퀀스 설정 172.3 수학적 모델링 192.3.1 압력 및 유량 밸런스 192.3.2 터빈 352.3.3 펌프 372.4 시동 해석 계산 방법 382.4.1 터보펌프 회전속도에 따른 압력 및 유량 결정 382.4.2 시간에 따른 터보펌프 회전속도 계산 393. 시동 해석 계산 결과 및 분석 403.1 추진제 유량 변화 403.2 터보펌프 회전속도 및 압력 변화 423.3 혼합비 및 연소가스 온도 변화 454. 몬테카를로 방법을 이용한 시동 분산해석 474.1 시동 분산 인자 및 분산값 정의 474.2 몬테카를로 방법 494.3 해석결과 및 분석 515. 헬륨 가스 유량 프로파일 및 시퀀스 변경 575.1 헬륨 가스 유량 프로파일 변경에 따른 결과 분석 575.2 시퀀스 변경에 따른 결과 분석 606. 결 론 64
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