This thesis describes an experimental research about development and evaluation of hydrogen peroxide gas generator for turbine drive. The concept was already introduced since 1930s. Germany professor Walter used gas generator using hydrogen peroxide as a monopropellant to drive Walter turbine for submarines. At that case, the unit utilizing hydrogen peroxide gas generator generated gas phase oxygen as a oxidizer to supply to combustor with diesel fuel for combustion. But the hydrogen peroxide gas generator in this thesis was researched for turbine generators such as small power generator module, EPU and turbopumps. Turbine generator utilizing hydrogen peroxide gas generators does not need compressor part, and it causes gaining more efficiently power, because there is not power consumption by compressor.
This thesis is pre-research step before design hydrogen peroxide turbine generator, so automobile turbocharger instead of turbine generator was used to drive turbine and to measure the power from the turbine part. Gas generator reactor was designed in proper parameters considered. Manganese dioxide and $\gamma$-alumina were selected for active material and a support material of a catalyst. Catalyst was made in a process and its performance was evaluated drop test into 10 cc of hydrogen peroxide, and catalyst bed size was determined $48.69cm^3$ volume. Test facilities containing pressurization system for supplying hydrogen peroxide to reactor by pressurized nitrogen gas, and lubricating oil and cooling system and measurement system were built up for gas generator and turbocharger test. In the cases of pressure of 12 and 15 bar for pressurizing propellant, gas generator’s efficiency was 90~95%, 9.0 and 14.6 kW power was generated by turbine in the condition of 62% turbine efficiency. Even though all heat loss factors should be measured, it was not defined clearly because of complex structure, heat loss from oil and cooling water circulation. It was deficient part of this test.
Through this research, gas generator was designed for turbine generation system using hydrogen peroxide and also it is expected to apply to EPU and turbopumps.
과산화수소를 이용하여 동력을 발생시키는 것에 대한 가능성 및 기초 연구를 수행하였다. 친환경 추진제인 과산화수소는 1930년대 독일의 잠수함 동력 발생 장치에 사용되었던 것이 그 시작이다. 이산화망간 촉매에 분사된 과산화수소는 고온 고압의 수증기와 산소로 분해되고, 생성물인 산소에 디젤유를 분사하여 연소를 시키고 이 과정에서 나오는 에너지를 이용해 터빈을 구동하였다. 그러나 하이드라진이라는 고성능의 화합물이 만들어지면서부터 과산화수소를 대신하는 단일추진제로서 자리매김을 하였으나, 최근 환경보호와 사용자의 안전을 우선적으로 생각하는 분위기가 조성됨에 따라 맹독성, 발암성 물질인 하이드라진을 대신하여 과산화수소가 다시 각광받고 있다.
이 연구에서는 과산화수소를 과망간산나트륨을 전구체로하는 이산화망간을 활성물질로 하여 촉매분해를 유도하고 이 과정에서 발생된 산소와 수증기를 이용해 차량용 터보차저를 구동하고, 터빈의 입출구에서 측정된 데이터를 통해 터빈에서 발생한 에너지를 계산해 보았다. 촉매의지지체는 기계적 성질이 우수하고 물리화학적으로 안정하며 다공성 물질인 감마-알루미나를 사용하였고, 담지법을 이용해 촉매를 제작하였다. 완성된 촉매는 일정량의 과산화수소에 떨어뜨려 시간당 발생하는 산소의 양으로 성능을 검증 하였다.
터빈 구동을 위해 차량용 터보차저를 이용하였으며 제작사인 하니웰에서 제공하는 터빈맵을 작동유체에 맞게 변환하여 90% 농도의 과산화수소 분해 가스를 이용하는 터빈맵을 얻었다. 터빈맵에서 작동점을 선정하고 유량에 맞는 가스발생기를 설계 및 제작하여 실험에 사용하였다. 실험결과 터빈맵과 거의 상응하는 결과를 얻을 수 있었고, 유량 63.3, 87.5 g/sec에서 약 12, 20 마력이 발생하였음을 계산을 통해 확인 할 수 있었다.
이로서 과산화수소를 이용한 동력 발생장치의 가능성을 확인해 보았고, 이는 터빈 구동을 이용한 발전기 모듈, 항공기의 비상동력장치, 로켓의 터보펌프등에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
