초음속 충동형 터빈의 부분 분사가 터빈 성능과 진동에 미치는 영향

Abstract

이 연구는 원형 노즐을 가진 초음속 충동형 터빈의 부분 분사가 성능과 진동에 미치는 영향을 실험을 수행하여 연구하였다. 한국형 발사체에 적용되는 개방형 방식의 액체 로켓 엔진에 탑재되는 터보펌프는 높은 비출력을 얻기 위해 초음속 충동형 방식의 터빈을 활용한다. 부분 분사 방식은 손실 감소, 터빈 출력 제어 용이성 그리고 하나의 터빈에서 시동을 위한 구간을 확보함으로 생기는 효율적인 구성 목적 등의 이유로 터빈 설계에 사용이 된다. 그렇지만, 부분 분사로 인해 터빈 진동이 증가하는 한계점 역시 존재한다. 기존 연구에서는 원형 노즐을 가진 초음속 충동형 터빈에 대해 부분 분사의 성능 변화에 관한 연구는 전무한 실정이다. 본 연구에서는 실제 터보펌프에 적용되는 터빈을 활용하여 0.17, 0.42, 0.75, 0.83의 4가지 부분 분사비에 따라 터빈 성능과 진동의 변화에 대해 고압 공기 터빈 시험 설비에서 성능 시험을 수행하였다. 시험 결과 부분 분사비에 대한 설계점 효율은 부분 분사비 증가함에 따라 선형적으로 비례하여 증가하였으며, 속도비의 2승에 비례하여 증가하였다. 부분 분사비 감소에 따라 로터의 반경 방향 힘이 증가하여, 결과적으로 터빈 진동 증가로 이어졌다. 터빈 진동에 미치는 영향을 반경 방향 힘과 유동에 의한 힘으로 분리하여 실제 측정한 진동 가속도 분포를 활용하여 분석하였다 이를 통해 부분 분사비의 허용 진동 한계를 규격을 사용하여 설정하여 부분 분사비 적용에 대한 일정한 기준을 제시하였다.