터빈 매니폴드 모사장치를 이용한 액체로켓엔진 가스발생기 연소시험

임병직(Byoungjik Lim),김문기(Munki Kim),김종규(Jonggyu Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

개방형 사이클의 액체로켓엔진에서는 추진제 중 일부를 연소시켜 터빈 구동용 가스를 생성시키는 가스발생기가 사용되며, 개방형 사이클 액체로켓엔진의 주요 구성품으로서 가스발생기 자체의 연소성능 및 특성을 파악하기 위한 연소시험이 요구된다. 하지만, 가스발생기에서 생성된 연소가스는 터빈 매니폴드의 터빈 노즐에서 질식이 이루어지기 때문에 가스발생기뿐만 아니라 터빈 매니폴드 내부 부피를 고려해야만 가스발생기의 연소 성능 및 특성, 그리고 음향 특성을 정확히 파악할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 터빈 매니폴드 모사장치를 이용한 가스발생기 연소시험 결과를 기술하고 가스발생기 단독연소시험 결과를 이용한 특성 예측을 설명한다. A Gas generator which generates turbine driving gas by burning a part of propellants is used in an open cycle liquid rocket engine and as a main component of an open cycle liquid rocket engine autonomous hot firing tests are required to investigate the combustion performance and characteristics of the gas generator. However, since the combustion gas generated by a gas generator is choked at the turbine nozzle in the turbine manifold, it is necessary to consider the internal volume of turbine manifold as well as a that of the gas generator for correct investigation of the combustion performance, characteristics, and acoustic characteristics of the gas generator. Therefore, in the paper hot firing test results of a gas generator with a turbine manifold simulator are described and characteristic prediction using the autonomous test of a gas generator is explained.

혼합식 가스발생기의 연료과농 연소특성

이동언(Dongeun Lee),이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2015 韓國航空宇宙學會誌 Vol.43 No.7

본 논문은 하이브리드 로켓 성능향상을 위하여 가스발생기형과 후방 연소형 개념을 결합한 혼합형 하이브리드 로켓을 제안하고 있다. 특히 고체 추진제를 사용하는 기존의 가스발생기와 달리, 고체연료와 액체/기체 산화제를 적용한 혼합식 가스발생기를 제안하였으며 혼합식 가스발생기의 연료과농 연소특성을 확인하기 위하여 연료 길이, 산화제 유량, 연료 내경 그리고 연료 종류를 변화하며 연소가스 온도 변화를 측정하였다. 그러나 이들 인자 변화에 의한 온도변화가 매우 제한적이므로 또 다른 인자로 O₂와 N₂를 혼합한 혼합산화제를 사용하였다. 이때 가스발생기의 연소가스 온도의 요구조건은 1600 K이하로 설정하였으며 연소 시험에서 혼합식 가스발생기는 온도조건을 만족하는 연료과농 연소가스가 생성되었음을 확인하였다. 그러나 온도에 따른 검댕의 발생특성과 다른 이전 연구들에서 제시하는 가스발생기 연소가스 온도 요구조건이 1200 K이하임을 고려할 때, 최종적으로 이 조건을 만족하는 연료과농 연소가스를 생성할 계획이다. In this study, a combined hybrid rocket system is newly introduced which has characteristics of both gas generators and afterburner type hybrid rockets. In particular, a combined gas generator utilizing solid fuel and liquid/gas oxidizer was designed as a primary combustor of the system. Combustion tests were carried out with various equivalence ratio affected by parameters such as fuel length, oxidizer flow rate, fuel port diameter and fuel type. In general, fuel-rich gas generator produces low combustion gas temperature to meet the temperature requirement and the target temperature was transiently set less than 1600 K. Since it was found that controlling parameters showed limited effects on the change of equivalence ratio, mixture of O₂ and N₂ as an oxidizer was additionally introduced. As a result, a combined gas generator successfully produced combustion gas temperature of less than 1600 K Future studies will carry out more combustion tests to attain fuel-rich combustion gas temperature less than 1200 K, which was a temperature requirement of a gas generator system in the previous studies.

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.

75톤급 가스발생기 개발시험 및 수락시험 결과

임병직(Byoungjik Lim),김문기(Munki Kim),강동혁(Donghyuk Kang),김현준(Hyeon-Jun Kim),김종규(Jong-Gyu Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2019 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.11

본 논문에는 75톤급 액체로켓엔진 가스발생기의 개발시험과 수락시험 결과가 기술되어 있다. 현재까지 44기의 가스발생기 모델을 이용하여 330회 이상, 누적 연소시간 7,000 초 이상의 가스발생기 단독시험이 수행되었다. 시험을 통해 75톤급 가스발생기가 연소압력, 연소효율, 압력손실, 연소안정성, 연소가스 온도 등에서 신뢰성과 재현성이 높은 특성을 보여준다는 것이 확인되었다. 한국형발사체용 75톤급 가스발생기의 마지막 시리즈에 해당하는 5기는 2019년 말까지 제작 완료되어 2020년 상반기에 수락시험이 수행될 계획이다. In this paper, development and acceptance test results of 75-tonf class liquid rocket engine gas generators are described. Up to now, more than 330 times and cumulative time of 7,000 seconds gas generator autonomous tests have been carried out with 44 gas generator models. Through the tests it was verified that 75 tonf gas generator shows very reliable and reproducible characteristics in terms of chamber pressure, combustion efficiency, pressure loss, combustion stability, burnt gas temperature, and etc. 5 gas generators which are the last series of 75 tonf gas generator for the Korea Space Launch Vehicle II, will be manufactured until end of 2019 and their acceptance tests will be executed at the first half of 2020.

30톤급 실물형 가스발생기 연소 특성

안규복(Kyubok Ahn),서성현(Seonghyeon Seo),임병직(Byoungjik Lim),김종규(Jong-Gyu Kim),이광진(Kwang-Jin Lee),한영민(Yeoung-Min Han),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.5

30톤급 액체로켓엔진 가스발생기의 연소 특성에 대한 연구를 수행하였다. 개발 초기 가스발생기는 터빈 매니폴드 출구를 모사하는 노즐을 후단에 장착한 상태에서 연소시험을 진행하였다. 이후 가스발생기와 터빈부의 공진모드를 모사하는 연장배관을 가스발생기와 노즐 사이에 추가하여 시험이 이루어졌으며, 최종적으로 터보펌프의 터빈부를 연결한 상태에서 연소시험을 수행하였다. 본 논문에서는 이와 관련된 온도 분포, 압력섭동 결과들을 분석하였다. Combustion characteristics of a gas generator for a 30 ton-class liquid rocket engine were studied. At the early stage of development, the combustion tests of the gas generator were performed by only using the nozzle which substitute for a turbine manifold exit. Then, the extension tube was applied between the gas generator and the nozzle for imitating the resonant mode of gas generator and turbine manifold. Finally, the hot-firing tests were performed on the condition of connecting the gas generator with the turbine manifold. In the paper, the step-by-step results such as temperature distribution and pressure fluctuations were analyzed.

터보펌프+가스발생기 폐회로 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 추진제 액체로켓엔진 개발을 위해 연소기를 제외한 터보펌프, 가스발생기 등의 주요 엔진 구성품을 이용한 터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험을 수행하였다. 터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험에서는 엔진시스템 작동 조건을 구현하기 위해 연소기는 유량조절 오리피스로 모사하였다. 엔진시스템 모사조건에서 터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험기의 예냉, 시동 및 정격조건 작동이 성공적으로 수행되어 터보펌프와 가스발생기의 작동성을 검증하였다. 연계시험기의 출력 및 혼합비 제어를 위한 제어시스템도 성공적으로 검증되었다. For the development of the 30tonf level LOx/kerosene liquid rocket engine, turbopump-gas generator closed-loop coupled tests are performed. To simulate engine operation conditions, combustion chamber was substituted by flow control orifices. In simulated engine system operation environment, chill-down procedure, startup characteristics, nominal operability of turbopump+gas generator coupled Test Plant are confirmed. Turbopump and gas generator are confirmed to operate well in simulated engine environment. The control system for regulating power and mixture ratio of Test Plant are also successfully confirmed.

가스발생기 후연소설비의 연소시험 결과

김채형,이광진,유병일,김성룡,황창환,한영민 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

75톤급 액체로켓엔진의 가스발생기 후연소 설비는 가스발생기에서 배출되는 연료 과농 배기가스를 연소시키는데 목적이 있다. 단독성능 시험에서 공급시스템은 감압 없이 일정한 압력으로 가스발생기 점화기 토치와 후연소 토치쪽으로 메탄과 산소를 공급했으며, 가스 토치 압력은 설계값을 만족하였다. 가스발생기 점화용 가스토치와의 연계시험에서 가스발생기 점화 성능과 연료과농 배기가스의 후연소 성능에 관한 시험을 성공적으로 수행하였다. 주변 화재 발생을 막기 위해 설치한 물장막은 소방설비로서의 작동성능도 확인되었다. After-burner facility for gas generator of 75 tonf liquid rocket engine was designed to burn the fuel-rich exhaust gas from the gas generator. In the case of the autonomous test, the supply system provided steadily methane and oxygen gases to the after-burner system without pressure drop, and the combustion pressure of the gas torch approached the design point with good performance. In the case of the coupled test with the gas toch ignitor for the gas generator, the gas generator ignition and the fuel-rich exhaust gas combustion were well carried out, leading to the verification of the test facility. A water-curtain was installed to prohibit the fire accident around the after-burner facility, and its performance was verified.

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.

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.

분사기 수에 따른 실물형 가스발생기 연소특성

안규복(Kyubok Ahn),서성현(Seonghyeon Seo),임병직(Byoungjik Lim),김종규(Jong-Gyu Kim),이광진(Kwang-Jin Lee),한영민(Yeoung-Min Han),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국항공우주연구원 2007 항공우주기술 Vol.6 No.1

분사기 헤드에 설치된 분사기 수를 바꾸어가며 실물형 가스발생기의 연소 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 가스발생기에 공급되는 총 추진제의 유량은 같으면서 분사기당 유량이 달라지는 실물형 가스발생기 3대가 사용되었다. 각 가스발생기에는 13개, 19개, 37개의 내부 혼합형 이중 스월 분사기가 배치되었다. 연소시험 결과, 13개, 19개 분사기를 장착한 가스발생기는 축방향 공진주파수에 해당하는 섭동이 발생하지 않았지만, 37개 분사기가 장착된 가스발생기의 경우 강도가 작긴 하지만 축방향 공진주파수에 해당하는 압력 섭동 현상이 나타나고 있다. 분사기 수가 증가할수록 연소실내의 온도 분포 편차는 점차 작아지지만, 분사기 LOx post의 손상은 증가하는 결과를 나타내었다. Combustion characteristics of full-scale gas generators were studied experimentally by changing the injector number installed at the injector head. Three full-scale gas generators were utilized; they have same total mass flow rate but mass flow rates per injector are different. Thirteen, nineteen and thirty seven injectors, which have internal-mixing and double-swirl characteristics, are distributed in injector heads, respectively. The results showed that pressure fluctuations in the gas generators with 13 and 19 injectors didn't occur around longitudinal resonant frequency, however longitudinal-mode pressure fluctuation appeared slightly in the gas generator with 37 injectors. As the number of injectors increased, deviations of temperature distribution in the combustion chamber decreased gradually, but the damage of injector LOx posts became a little severe.