이 논문에서는 액체 로켓 엔진의 핵심 부품인 터보펌프의 베어링 냉각 유량 제어를 위해 사용되는 플로팅 링 실의 작동 원리를 수치 해석 기법을 통해 살펴보았으며, 터보펌프 운전 중 나타나는 플로팅 링의 불안정한 거동에 의해 표현되는 가속도 및 압력 섭동 신호의 특성을 신호 처리 기법을 통해 확인하였다. 또한 플로팅 링의 성능 향상을 위한 플로팅 링의 설계 변경과 이에 대한 시험적 검증을 통해 플로팅 링의 작동 안정성을 높일 수 있는 방안이 제시되었다.
저추력 터보펌프의 실매질 시험과 연소 시험에서 계측된 산화제펌프의 가속도 및 압력 신호에서는 시험 초기 강한 비정상 섭동이 나타나며 이 섭동은 터보펌프의 출구 유량과 토출 압력의 섭동을 유발하여 터보펌프와 연소기의 작동 안정성을 저해한다. 이에 산화제 펌프에서 계측된 가속도, 정압 및 압력 섭동 신호에 대한 주파수 분석과 상호상관관계 분석을 통해 시험 초기 각 센서에서 계측된 비정상 진동 및 유체 섭동 신호는 베이링 냉각 유로 내의 플로팅 링으로부터 발생하는 것을 확인하였다.
플로팅 링의 작동 원리 파악 및 최적 설계를 위해 수치해석기법을 이용하여 플로팅 링의 회전수와 노즈 높이, 로터와 플로팅 링의 간극 크기를 변화시키며 플로팅 링에 작용하는 유체력과 플로팅 링 간극 사이를 지나는 누설 유량을 계산하였다. 터보펌프의 회전수가 증가하면 원심력에 의해 플로팅 링 전, 후방의 차압이 감소하여 플로팅 링의 압축력과 마찰력, 누설 유량은 감소하게 된다. 플로팅 링 노즈의 반경이 커지면 플로팅 링에 작용하는 압축력이 같이 증가하여 로터의 진동에 의한 반경 방향의 유체력에 저항하는 마찰력이 커지지만 누설 유량에는 영향을 미치지 못한다. 로터의 진동에 의한 플로팅 링과 로터 사이의 간극 차이가 커질수록 간극 내의 유속 변화에 의한 반경 방향 유체력의 비대칭성이 커져 플로팅 링과 로터의 동기화가 강해지며 플로팅 링의 마찰력과 반경 방향 복원력이 균형을 이루는 위치에서 플로팅 링은 자리를 잡게 된다.
수치 해석을 통해 계산된 플로팅 링의 마찰력과 복원력을 바탕으로 실매질 시험과 연소 시험에서 계측된 산화제 펌프의 진동 변위를 플로팅 링과 로터의 간극에 대입하여 설계된 플로팅 링 노즈의 효과를 살펴보았다. 해당 플로팅 링에 대해 고직경 노즈의 경우 로터 진동 변위에 대해 플로팅 링의 이동성이 낮으며, 저직경 노즈의 플로팅 링은 로터의 이동에 대해 매우 민감하게 동기화 된다. 중직경 노즈의 플로팅 링은 실매질 시험의 진동 변위에 의한 복원력이 정지 마찰력과 운동 마찰력 사이에 존재하여 반경 방향의 복원력과 마찰력이 적절히 균형을 이루게 되므로 로터의 진동에 대해 안정적인 자세 제어가 가능할 것으로 보여진다.
노즈 위치에 따른 플로팅 링 실의 정압 및 압력 섭동에 대한 주파수 특성과 작동 안정성을 확인하기 위해 고직경 노즈와 중직경 노즈의 플로팅 링 실에 대한 터보펌프 실매질 시험이 수행되었다. 중직경 노즈 플로팅 링은 유체에 의한 노즈의 접촉압이 고직경 노즈 플로팅 링에 비해 작으므로 로터나 케이싱의 진동에 의한 플로팅 링의 이동성이 상대적으로 높다. 따라서 지속적인 마찰에 의한 파손의 위험성은 낮지만 고정된 자세 제어가 어려우며 이와 관련된 불안정한 압력 섭동이 오랫동안 나타날 수 있다. 반면에 고직경 플로팅 링은 유체에 의한 마찰력이 크기 때문에 플로팅 링이 쉽게 자리를 잡고 고정되어 불안정한 압력 섭동이 짧게 나타나지만 로터나 케이싱의 진동에 의한 내면 마찰로 인해 플로팅 링의 마모와 파손 및 발화의 가능성이 증가한다.
로터와 플로팅 링 사이의 상대 운동에 의해 나타나는 플로팅 링의 불안정한 현상(비정상 압력섭동 및 마찰, 마모)을 줄이기 위해 회전 억제용 핀을 구비한 플로팅 링 실의 설계안이 도출되었고 실매질 시험을 통해 기존 플로팅 실의 작동 특성에 대한 비교 분석이 수행되었다. 플로팅 링 실에 의한 특성 주파수 성분은 회전 억제용 핀과 관계없이 가속도 및 입구, 출구 배관 압력 섭동 신호에서 동시에 관측이 되며 회전수와 연동되어 규칙적인 거동을 보이는 기존 플로팅 링과는 달리 회전 억제용 플로팅 링에서는 회전수와 무관한 불규칙한 거동을 보이다가 150초 이후 사라진다.
가속도 신호의 경우 플로팅 링 실의 이상 섭동 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.
플로팅 링에 의한 이상 거동 현상은 터보펌프의 구조 안정성 보다는 연소기에 유입되는 추진제의 압력 및 유량 섭동에 주로 영향을 미치며, 연소기의 입구와 연결되는 산화제펌프의 출구 배관에서 계측된 회전 억제용 플로팅 링 실에 의한 압력 섭동은 기존의 것보다 약 40% 이상 감소하였다. 또한 실매질 시험 후 수행된 외관 조사를 통해 회전 억제용 플로팅 링이 기존의 플로팅 링보다 로터나 케이싱과의 마찰과 마모가 크게 줄어들어 훨씬 양호한 표면 상태를 유지하고 있음이 확인되었다. 따라서 회전 억제용 핀의 구조 안정성이 보장된다면 회전 억제용 플로팅 링 실이 기존의 플로팅 링 실보다 훨씬 뛰어난 작동 안정성을 보여줄 것으로 판단된다.

In this dissertation, hydrodynamic forces and dynamic behaviors of the floating ring seal to control the leakages in the secondary flow passage for bearing cooling in a turbopump of a liquid rocket engine has been investigated using CFD(Computational Fluid Dynamics) technique. And the characteristics of the acceleration and pressure fluctuation signals induced by the unstable behavior of the floating ring were analyzed through the signal processing techniques. In addition, a new design of the floating ring to improve the dynamic stability and the wearing was proposed and verified by conducting the real propellant tests of turbopump.
The unstable perturbations of the acceleration and pressure signals in the real propellant tests and the combustion tests of low-thrust turbopump appeared strongly at the beginning of the test. These perturbations can cause instability of the turbopump outlet pressure and flow rate, increase the possibility of abnormal operation for a turbopump and a combustion chamber. Based on the frequency spectrum and cross-correlation analysis of the acceleration, static pressure, and pressure fluctuation signals measured from LOx(Liquid oxygen) pump, it was confirmed that the unstable pressure fluctuation signal at the beginning of the test was generated from the rear floating ring in the bearing cooling passage.
In order to understand the dynamic behaviors of the floating ring seal and to find the optimal design, the fluid force acting on the floating ring and the leakage with the variations of the rotating speed, the nose height, and the size of the gap between the rotor and the floating ring was calculated by numerical simulations. When the rotating speed of the rotor increases, the difference of pressure between front and rear side of the floating ring is reduced by centrifugal force, and the compression force, frictional force, and leakage of the floating ring are also reduced. If the radius of the floating ring nose increases, the compressive force acting on the floating ring increases as well, and the frictional force that resists the radial hydrodynamic force generated by the vibration of the rotor increases, but it does not affect the leakage of the floating ring. As the variation of the gap size between the floating ring and the rotor increases, the asymmetry of the radial hydrodynamic force due to the change of the flow velocity in the gap also increases, and the synchronized motion of the floating ring and the rotor becomes stronger. this result means that the frictional and the radial restoring force of the floating ring are balanced and the floating ring vibrates stably with the eccentricity.
Using the frictional and restoring force of the floating ring from numerical analysis, the effect of the nose height and the gap size of floating rings has been investigated by comparing the vibration displacement of the LOx pump in the real propellant tests and the combustion test. The floating ring with large nose diameter has low mobility with respect to rotor oscillation, and it of the middle nose diameter is strongly synchronized to the motion of the rotor. In the real propellant tests the restoring force of the floating ring by rotor vibration exists between the static and the kinetic frictional force, so the restoring force and frictional force in the radial direction are properly balanced.
Based on the validation test for the low-thrust turbopump with two types of floating rings, it can be concluded that the floating ring with a middle nose diameter is allowed to move easily with low contact pressure in the bearing cooling path. It leads to the instability of the pressure fluctuation around the floating ring. Whereas the floating ring with a large nose diameter has high contact pressure and attaches strongly to the casing and it causes wearing and frictional oxidation between the contact surfaces of the impeller and the floating ring.
In order to reduce irregular pressure fluctuations, wear, and frictional oxidation of the floating ring, a design of floating ring seal with a anti-rotating pin was proposed and the specific instability frequencies, vibration RMS values, and surface abrasion of floating ring were compared through the real-propellant tests for low-thrust turbopump using the normal and anti-rotating floating ring seal.
It is found that the anti-rotating floating ring seal effectively reduces the unfavorable pressure fluctuations and the wear compared to the normal floating ring seal. If the structural stability of the anti-rotating pin is guaranteed, the anti-rotating floating ring seal will show much better operating performance than the original floating ring seal.