This thesis describes a design procedure, and experiments of a turbopump impeller and a gas generator using hydrogen peroxide. Design parameters of the turbopump impeller are based on the criteria 2,500 N rocket engine using hydrogen peroxide as an oxidizer. We need to decide basic design parameters of impeller such as a mass flow rate, a discharge pressure, and a rotational speed. The flow rate, and discharge pressure were decided by the rocket engine requirements. Bearing, impeller material strength, impeller diameter, and specific speed are key parameters to determine rotational speed. After the basic parameters were determined, impeller inlet and outlet are designed in design conditions. The single circular arc vane method was used to determine a configuration of impeller blades. Number of impeller blades is decided by considering working fluid flow and empirical formula.
To supply enough power to turbopump impeller, appropriate gas generator, and turbine should be designated. In this study, the gas generator which used product gas of decomposition of hydrogen peroxide to drive turbine was used. We need to decide mass flow rate of hydrogen peroxide in order to generate required power for turbine to meet requirements of turbopump impeller which are mass flow rate, and discharge pressure. Among the candidates, turbocharger is selected as the turbine because it is cheap, easy to purchase, and has proper power range. Relationship between produced turbine power and required amount of mass flow rate of hydrogen peroxide for gas generator is calculated from turbine map which is offered turbocharger manufacturing company. So mass flow rate of hydrogen peroxide supplied to gas generator is determined.
As efficiency of pump which was fabricated was not known accurately, power requirement of pump could not be calculated. Pump efficiency will be founded through the experiment, and then mass flow of hydrogen peroxide for gas generator could be founded. By trial and error, configuration of optimal gas generator for turbine which supplies power to the pump will be decided.
Pump performances related to various pump parameters were measured through the experiment in design condition and off design condition. Discharge pressure was measured in the various flow rate. Optimal turbopump operation condition can be founded by the experiment.
Keywords: Turbopump, Hydrogen peroxide, Impeller, Gas generator, Turbine, Turbocharger
본 연구는 과산화수소와 케로신(kerosene)을 추진제로 하는 이원액체추진제 로켓엔진의 과산화수소 산화제 터보펌프 시스템을 위한 선행연구로서 터보펌프 설계방법과 설계과정을 제시하였다. 터보펌프 설계조건을 결정하기 위해 터보펌프를 적용할 로켓엔진의 추력과 연소실 조건을 결정하였다. 추력은 2,500 N 이며 추진제 혼합비는 7.7로 결정하였으며 이를 바탕으로 터보펌프가 공급해야할 추진제 공급유량을 결정하였다. 추진제 공급압력은 10 bar로 결정하였으며 추진제 공급유량과 공급압력조건을 바탕으로 터보펌프의 펌프부의 주요 부품인 임펠러 설계를 수행하였다. 임펠러 설계를 위해 비속도와 회전속도를 결정하고 입구설계 출구설계를 통해 임펠러의 직경과 날개각도를 결정하였다. 이후 Single circular arc vane 기법을 이용하여 임펠러 형상을 결정하였으며 임펠러에서의 유동 특성을 고려하여 임펠러 날개 개수를 결정하고 임펠러 설계를 완료하였다. 완성된 임펠러의 입구직경은 16.49 mm, 출구직경은 48.10 mm, 입구 날개각도는 26.6°, 출구 날개각도는 2.9°로 설계되었다. 본 연구에서의 임펠러의 출구 날개각도는 일반적인 원심펌프 임펠러의 경우와 달리 상당히 작은 값을 보임을 알 수 있었다. 이는 상대적으로 작은 공급유량과 높은 공급압력으로 인해 임펠러 출구 날개직경이 상당히 작은 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
펌프를 구동하기 위한 터빈을 선정하였다. 펌프에서 요구하는 동력을 생성하며 터빈을 맵을 제공하여 터빈의 성능을 예측하고 이용가능하며 구하기 쉽고 경제적인 터보차저를 터빈으로 선정하였다. 터빈을 구동하기 위한 가스발생기를 설계하였다. 터빈맵을 이용하여 펌프에서 요구하는 동력을 발생하는 가스발생기의 터빈구동가스 유량을 결정하였으며 이를 바탕으로 가스발기의 설계유량을 결정하였으며 망간촉매를 제작하고 반응기를 설계하여 가스발생기 설계를 완료하였다.
펌프, 터빈, 가스발생기를 통합하고 구성하여 터보펌프 시스템을 완성하였으며 성능평가를 위해 수류시험을 수행하였다. 펌프의 출구에 밸브를 설치하여 토출유량을 조절하였으며 가스발생기의 과산화수소 공급압력을 조절하여 가스발생기로 공급되는 과산화수소유량을 조절하였다. 가스발생기의 과산화수소유량과 펌프의 토출유량을 달리하여 펌프의 성능을 측정하였다. 펌프의 출구의 밸브를 조절하여 토출유량을 조절할 경우 토출유량이 감소함에 따라 토출압력이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 그리고 토출유량에 대한 토출압력의 변화가 일반적인 원심펌프의 경향과 일치함을 확인 할 수 있었다. 또한 가스발생기의 과산화수소 공급압력을 10 bar, 12 bar, 15 bar로 달리하여 성능을 측정하였으며 가스발생기 공급압력이 증가할수록 토출압력과 토출유량이 증가하였다. 터보펌프는 가스발생기의 과산화수소 공급압력이 15 bar 일 경우 토출압력은 4.15 bar, 토출유량은 685.84 g/s로 측정되었으며 펌프의 출구 밸브를 조절하면 유량과 압력이 변화하였다. 또한 펌프의 입구를 투명한 재질의 아크릴 관을 이용하여 가시화 하였으며 임펠러의 유동과 공동현상(cavitation)의 발생을 확인하였으나 공동현상은 발생하지 않았다.
펌프의 입구에 밸브를 설치하여 흡입유량을 조절하여 터보펌프의 작동조건을 확인하였으며 흡입면적이 1/2로 줄어들 때 흡입압력이 급격히 감소하며 터보펌프에 무리를 준다는 사실을 확인하였다. 또한 가스발생기의 과산화수소 공급압력을 달리하면서 실험을 수행하였으며 가스발생기의 공급압력이 증가할 경우 흡입압력이 급격이 변화하는 흡입면적은 작아짐을 확인 할 수 있었다.
본 연구를 통해서 과산화수소 터보펌프의 가능성을 확인하였다. 또한 과산화수소 터보펌프 시스템의 주요변수를 확인하고 그 관계와 영향을 알아봄으로써 향후 과산화수소 터보펌프 개발에 중요한 발판을 마련하였으며 기초자료를 제시하였다.
