액체로켓엔진 터보펌프에 적용되는 플로팅 링 실의 성능 및 동적 계수 측정을 위한 실험장치 개발

Abstract

This thesis introduces a test rig for floating ring seals used in liquid rocket engine turbopumps, designed to operate in a cryogenic environment at speeds up to 50 krpm. The rig enables the experimental investigation of leakage flow rates and both static and dynamic load characteristics of floating ring seals under a variety of conditions, including different test fluids, rotor speeds, seal eccentricities, and fluid supply pressures. The initial design of the test rig was developed through a comprehensive literature review. This was followed by an extensive rotordynamics analysis to refine the rotor design, focusing on aspects such as the clearance of the squeeze film dampers, oil viscosity, rotor material, and the positioning of test seals within the test section. The system consists of a spindle housing section, supported by two angular contact ball bearings, and a seal housing section for testing. The spindle housing incorporates bearing lubrication passages and squeeze film dampers, while the seal housing is equipped to measure seal displacement, pressure, temperature, and flow rate. The rig also integrates microstages for adjusting the locations of the seal housing, enabling the measurement of seal movements within the housing. The test rig accurately measures the leakage of test fluids and the static and dynamic load characteristics of floating ring seals with three different test fluids: air, water, and liquid nitrogen. The comprehensive experiments confirm that the flow rate changes in these fluids align with findings reported in existing literature. Future research will focus on high-speed rotational conditions and various eccentric scenarios, aiming to further investigate the impact of fluid properties and operating conditions on the leakage characteristics of floating ring seals under different operational scenarios.|본 연구에서는 실제 터보펌프 작동 환경인 극저온 환경에서 최대 50 krpm의 높은 회전 속도까지 구동이 가능하고 다양한 작동 조건 (작동 유체, 회전 속도, 편심, 공급 압력)에 따른 플로팅 링 실의 누설 유량과 정하중 및 동하중 특성 연구를 실험적으로 규명할 수 있는 액체로켓엔진 터보펌프용 플로팅 링 실 실험장치를 제시한다. 전반적인 플로팅 링 실 실험장치의 초기 형상은 기존 연구자들의 실험장치를 바탕으로 검토 및 참고하여 반복적이고 상호작용적인 과정을 통해 설계를 수행하였다. 이 과정에서 회전체의 초기 설계 치수는 최대 시험평가 회전 속도(50 krpm)와 플로팅 링 실 내경 치수(약 38 mm)를 고려하였다. 회전체의 초기 설계 치수를 기반으로 회전체동역학 해석을 수행하여 회전체 설계 치수에 따른 영향들을 예측하며 이를 통해 적합한 설계 치수를 가지도록 설계하였다. 결정된 회전체 시스템에 회전체에 조립되는 지지요소와 감쇠 요소인 스퀴즈 필름 댐퍼를 적용하여 회전체동역학 해석을 수행하였으며 스퀴즈 필름 댐퍼의 반경 방향 간극 크기, 오일 점도, 회전체 소재, 그리고 실 위치에 따른 영향을 예측하였다. 예측한 결과를 통해 적합한 조건을 선정하여 실험장치의 고속 회전 실험이 가능하도록 설계를 수행하였다. 이후 실험장치의 전체 시스템에 대한 설계를 수행하였다. 실험장치는 두 개의 각 접촉 볼 베어링으로 지지되는 스핀들 하우징 섹션과 플로팅 링 실 실험 구간인 실 하우징 섹션으로 분류된다. 스핀들 하우징에는 베어링 윤활과 스퀴즈 필름 댐퍼를 위한 오일 공급이 이루어지고, 실 하우징에서는 작동 유체를 공급 및 배출 가능한 유로와 플로팅 링 실의 변위, 압력, 온도 및 유량을 측정할 수 있도록 설계하였다. 또한, 좌우 및 상하로 조절이 가능한 마이크로 스테이지를 실 하우징 시스템에 적용하여 편심에 따른 플로팅 링 실의 영향을 측정할 수 있도록 구성하였다. 수행한 설계를 통해 압축성 유체인 공기, 비압축성 유체인 물 그리고 극저온 유체인 액체 질소 총 세 가지의 독립적인 작동 유체에서의 플로팅 링 실의 누설 특성과 정적 및 동적 특성을 정밀하게 측정할 수 있는 실험장치를 제작 및 구축하였다. 구축한 실험장치를 통해 비회전 및 최대 편심 조건에서 플로팅 링 실의 공급 압력에 따른 누설 유량 측정 실험을 수행하여 기존 문헌과 비교하였다. 공기, 물, 그리고 액체질소를 이용한 각각의 실험에서 측정된 압력에 따른 유량의 변화는 기존 문헌의 측정 결과와 유사한 경향성과 크기가 나타나는 것을 확인하였다. 향후 고속 회전 및 다양한 편심 조건에서의 추가적인 측정이 필요하며, 이를 바탕으로 다양한 작동조건에서의 플로팅 링 실의 누설 특성에 유체의 물성치와 작동 조건이 미치는 영향을 체계적으로 규명할 수 있을 것으로 기대된다.