터보펌프

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1. 개요
2. 역사
3. 종류
- 3.1. 원심 터보펌프
- 3.2. 축류 터보펌프
4. 원심 터보펌프의 복잡성
5. 터보펌프 구동 방식
참조

1. 개요

터보펌프는 고출력의 유체를 분사하기 위해 개발되었으며, 특히 로켓 엔진에 사용되어 로켓의 출력을 향상시키는 데 기여했다. 독일의 V-2 로켓 개발 과정에서 처음 사용되었으며, 이후 로켓 기술 발전에 중요한 역할을 했다. 터보펌프는 원심 펌프와 축류 펌프의 두 가지 주요 유형으로 나뉘며, 로켓 엔진의 연료와 산화제를 연소실로 공급하는 데 사용된다. 터보펌프는 설계 및 제작이 복잡하여 효율성을 확보하기 어렵지만, 로켓의 성능을 결정하는 핵심 요소로 작용한다.

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터보펌프
개요
터보펌프 모식도
유형	펌프
구동 방식	가스 터빈
용도	액체 추진 로켓 엔진의 연료 공급
작동 원리
작동 방식	터보펌프는 액체 추진제를 연소실로 공급하기 위해 사용되는 펌프이며, 가스 터빈에 의해 구동된다.
터빈 작동 방식	터빈은 가스 발생기, 또는 주 연소실에서 공급되는 고온의 가스에 의해 구동된다.
펌프 작동 방식	터빈의 회전력은 펌프를 구동하여 액체 추진제의 압력을 높이고 연소실로 공급한다.
구성 요소
주요 구성 요소	펌프 터빈 가스 발생기 (선택 사항) 제어 시스템
특징
장점	높은 압력과 유량으로 액체 추진제를 공급 가능 엔진의 전체적인 효율 향상 가볍고 콤팩트한 설계 가능
단점	복잡한 구조로 인해 제작 비용이 높음 높은 회전 속도로 인해 부품의 내구성이 중요 극저온 환경에서의 작동 문제 발생 가능
응용 분야
주요 응용 분야	액체 추진 로켓 엔진 우주 발사체 인공위성 추진 시스템
추가 정보
참고 자료	Rocket Propulsion Elements, Sutton and Biblarz Space Propulsion Analysis and Design, Humble, Henry, Larson

2. 역사

터보펌프는 원래 소방용으로 고출력의 물을 분사하기 위해 개발되었다.

로켓 엔진에는 나치 독일의 V-2 로켓 개발 과정에서 발터 티엘(Walter Thiel) 박사에 의해 처음 고안되어 사용되었다. 그 이전에는 가압식 사이클 방식이 주로 쓰였다. 로켓에 터보펌프를 사용하게 되면서 로켓의 출력이 중력장의 힘을 넘어설 수 있게 되는 등 큰 기술적 진보가 있었다.

2. 1. 초기 개발

터보펌프는 본래 소방용으로 고압의 물을 분사하기 위해 개발되었다. 로켓 엔진에 터보펌프가 처음 사용된 것은 나치 독일의 V-2 로켓 개발 과정에서 발터 티엘(Walter Thiel) 박사에 의해 고안되었다. 이전에는 가압식 사이클 방식이 주로 사용되었으며, 초기의 로켓 터보펌프는 기존 소방용 터보펌프를 일부 개조한 형태였다. 로켓에 터보펌프를 도입하면서 로켓의 출력이 중력장의 힘을 넘어설 수 있게 되는 등 큰 기술적 진보가 이루어졌다.

고압 펌프의 필요성은 헤르만 오베르트와 같은 로켓 연구의 선구자들에 의해 이미 제기된 바 있었다.^[1] 1935년 중반, 베르너 폰 브라운은 대형 소방 펌프 제작 경험이 있던 독일 남서부의 기업 ''클라인, 잔즐린 & 베커''(KSB)와 협력하여 연료 펌프 개발 프로젝트를 시작했다.^[2] V-2 로켓은 발터 증기 발생기를 이용해 과산화수소를 분해시켜 발생한 증기로 터보펌프를 구동하는 방식을 채택했다. 이 터보펌프는 오스트리아 옌바흐의 하인켈 공장에서 생산되었다.^[2]^[3] V-2의 터보펌프는 연소실과의 압력 균형을 맞추기 위해 세심한 테스트와 조정 과정을 거쳤다.^[2]

V-2 로켓 엔진의 첫 성공적인 점화는 1942년 9월에 이루어졌으나, 같은 해 8월 16일 시험 발사에서는 터보펌프 고장으로 로켓이 공중에서 추락하는 실패를 겪기도 했다.^[2]^[4] 마침내 1942년 10월 3일, V-2 로켓은 첫 성공적인 발사를 기록했다.^[5]

한편, 미국에서는 1938년부터 1940년까지 로버트 H. 고다드의 연구팀이 독일과는 별개로 독자적인 소형 터보펌프 개발에 성공했다.

2. 2. 1947년부터 1949년까지의 개발

터보펌프 개발의 주된 역할을 한 엔지니어는 Aerojet의 조지 보스코였다. 1947년 후반기 동안 보스코와 그의 팀은 다른 연구자들의 펌프 관련 작업을 조사하고 예비 설계를 시작했다. 그들은 플로란트가 수소 펌프 작업을 진행 중이던 오하이오 주립 대학교를 방문했으며, 라이트 필드에 있던 독일 펌프 전문가 디트리히 싱겔만과 상담하기도 했다. 보스코는 이후 싱겔만으로부터 얻은 데이터를 활용하여 Aerojet의 첫 번째 수소 펌프를 설계했다.^[6]

1948년 중반까지 Aerojet은 액체 수소와 액체 산소 모두에 원심 펌프를 사용하기로 결정했다. 그들은 해군으로부터 독일에서 제작된 래디얼 베인 펌프를 입수하여 그해 후반기에 시험했다.^[6]

1948년 말, Aerojet은 직경 15cm 크기의 액체 수소 펌프를 설계하고 제작하여 테스트를 시작했다. 초기에는 극저온 환경 때문에 기존의 윤활 방식이 실용적이지 않아, 깨끗하고 건조하게 작동하는 볼 베어링을 사용했다. 펌프는 부품들을 작동 온도까지 냉각시키기 위해 처음에는 저속으로 작동되었다. 온도 게이지를 통해 액체 수소가 펌프에 도달했음이 확인되자, 분당 5,000회전에서 35,000회전으로 가속하려 시도했으나 펌프가 고장났다. 부품 검사 결과, 베어링과 임펠러의 고장이 원인으로 밝혀졌다. 몇 차례의 테스트를 거친 후, 기체 질소 흐름에 의해 분무되고 유도되는 오일로 윤활되는 초정밀 베어링을 사용하게 되었다. 다음 작동에서 베어링은 만족스럽게 작동했지만, 이번에는 브레이징으로 접합된 임펠러가 높은 응력을 견디지 못하고 파손되었다. 이 문제를 해결하기 위해 고체 알루미늄 블록을 통째로 깎아 새로운 임펠러를 제작했다. 그러나 새 펌프를 사용한 다음 두 번의 작동은 매우 실망스러웠다. 계측기는 유의미한 유량이나 압력 상승을 나타내지 않았다. 문제는 펌프의 출구 디퓨저였는데, 냉각 과정에서 너무 작고 충분히 냉각되지 않아 흐름을 제한했던 것이다. 이 문제는 펌프 하우징에 통풍구를 추가하여 해결되었다. 냉각 중에는 통풍구를 열어두고 펌프가 충분히 차가워지면 닫는 방식이었다. 이러한 수정을 거쳐 1949년 3월에 두 번의 추가 작동이 이루어졌으며, 두 번 모두 성공적이었다. 측정된 유량과 압력은 이론적 예측과 거의 일치하는 것으로 나타났다. 최대 압력은 26기압이었고 유량은 초당 0.25kg이었다.^[6]

2. 3. 1949년 이후

우주 왕복선 주 엔진의 터보 펌프는 30,000rpm 이상으로 회전하며, 초당 약 68.04kg의 액체수소와 약 406.42kg의 액체산소를 엔진에 공급했다.^[7] 일렉트론 로켓의 러더퍼드는 2018년 비행에 전기 구동 펌프를 사용한 최초의 엔진이 되었다.^[8]

3. 종류

터보펌프는 작동 방식에 따라 크게 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있다: 원심형과 축류형이다.

대부분의 터보펌프는 원심형으로, 회전하는 임펠러(회전자)가 유체를 바깥쪽으로 밀어내면서 속도를 높이고, 이후 디퓨저나 볼류트를 통과하며 속도를 압력으로 변환하는 방식이다. 이 방식은 일반적으로 높은 압력을 생성하는 데 유리하다.

반면, 축류형 터보펌프는 프로펠러와 유사한 회전자를 사용하여 유체를 펌프의 축 방향과 평행하게 밀어낸다. 원심형에 비해 생성 압력은 낮지만, 훨씬 많은 양의 유체를 이송할 수 있는 장점이 있다. 특히 액체 수소와 같이 밀도가 낮은 유체를 펌핑하는 데 사용되기도 한다. 때로는 원심 펌프의 입구에서 압력을 높여 캐비테이션을 방지하는 유도기(inducer) 역할로 축류 펌프가 사용되기도 한다.

3. 1. 원심 터보펌프

대부분의 터보펌프는 원심형이다. 이 방식은 유체가 펌프의 축 근처로 들어가면 회전자가 유체를 빠른 속도로 가속시키는 원리로 작동한다. 이후 유체는 여러 개의 발산 채널이 있는 고리 모양의 볼류트나 디퓨저를 통과하게 된다. 이 과정에서 유체의 속도가 느려지면서 동압이 증가한다. 볼류트나 디퓨저는 이렇게 얻어진 높은 운동 에너지를 높은 압력으로 변환하는 역할을 한다. 경우에 따라 수백 바에 이르는 압력을 만들기도 하며, 출구 쪽의 배압이 너무 높지 않다면 높은 유량을 얻을 수 있다.

3. 2. 축류 터보펌프

축류 터보 펌프는 샤프트에 부착된 프로펠러와 유사한 회전자를 가지며, 유체를 펌프의 주축과 평행하게 밀어내는 방식으로 작동한다.

일반적으로 축류 펌프는 원심 펌프보다 훨씬 낮은 압력을 제공하는 경향이 있으며, 몇 바(bar) 정도의 압력이 일반적이다. 하지만 부피 유량은 원심 펌프보다 훨씬 높다는 장점이 있다. 이러한 특성 때문에 다른 추진제보다 밀도가 훨씬 낮은 액체 수소를 로켓 엔진에서 펌핑하는 데 흔히 사용된다. 보통 액체 수소를 사용하는 로켓 엔진은 원심 펌프 설계를 채택하는 경우가 많다.

또한 축류 펌프는 원심 펌프의 입구 압력을 높여 과도한 캐비테이션 발생을 방지하기 위한 "유도기(inducer)"로 사용되기도 한다.

4. 원심 터보펌프의 복잡성

터보펌프는 최적의 성능을 얻기 위해 설계하기가 매우 어렵다는 평판을 가지고 있다. 잘 설계되고 디버깅된 펌프는 70~90%의 효율을 관리할 수 있지만, 그 절반도 안 되는 수치가 드물지 않게 나타난다. 낮은 효율은 일부 응용 분야에서는 허용될 수 있지만, 로켓 기술에서는 심각한 문제이다. 로켓의 터보펌프는 중요하고 문제가 많아서, 터보펌프를 사용하는 발사체는 비꼬는 표현으로 "로켓이 부착된 터보펌프"라고 묘사되기도 한다. 총 비용의 최대 55%가 이 영역에 할당되었다.^[9]

일반적인 문제점은 다음과 같다.

# 펌프 케이스와 회전체 사이의 틈새를 따라 고압부 림에서 저압부 입구로의 과도한 유량,

# 입구에서 유체의 과도한 재순환,

# 펌프 케이스를 떠날 때 유체의 과도한 와류 발생,

# 저압 영역에서 임펠러 블레이드 표면에 캐비테이션으로 인한 손상.

또한, 회전체 자체의 정확한 형상이 매우 중요하다.

5. 터보펌프 구동 방식

증기 터빈으로 구동되는 터보펌프는 증기선의 보일러와 같이 증기를 공급받을 수 있는 환경에서 사용된다. 반면, 가스 터빈으로 구동되는 터보펌프는 전력이나 증기를 사용하기 어렵거나, 장소 또는 무게 제한으로 인해 다른 효율적인 기계적 에너지원을 사용하기 곤란할 때 주로 활용된다.

로켓 엔진에서 터보펌프는 필수적인 요소이다. 독일의 V-2 로켓 개발 중 발터 티엘(Walter Thiel) 박사에 의해 고안되어 처음 사용되었으며, 이전의 가압식 사이클 방식에 비해 로켓의 출력을 획기적으로 높이는 계기가 되었다. 대형 액체 로켓의 경우, 연료와 산화제를 고압의 연소실로 강제로 주입해야 하는데, 이때 터보펌프가 사용된다. 단순히 연료 탱크의 압력을 높여 연료를 공급하는 방식은 필요한 고압을 견디기 위해 탱크가 매우 튼튼하고 무거워져야 하므로 비효율적이다. 터보펌프를 사용함으로써 이러한 문제를 해결하고 로켓의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

램제트 엔진 역시 터보펌프를 장착하는 경우가 있다. 램제트의 터보펌프는 외부에서 유입되는 공기 흐름(램 에어)이나 연소기 입구에서 분기된 공기 흐름을 이용하여 터빈을 구동시킨다. 터빈을 통과한 공기는 외부로 배출된다.

참조

_[1] 문서 Rakete zu den Planetenräumen 1923
_[2] 서적 The Rocket and the Reich Smithsonian Institution
_[3] 서적 The Rocket Team http://www.apogeeboo[...] Thomas Y. Crowell
_[4] 서적 Von Braun: Dreamer of Space, Engineer of War https://www.google.c[...] Knopf Doubleday Publishing Group 2017-04-12
_[5] 서적 Der Schuss ins Weltall / V-2 https://archive.org/[...] Bechtle Verlag (German); Viking Press (English) 1954
_[6] 웹사이트 Liquid Hydrogen as a Propulsion Fuel, 1945-1959 https://history.nasa[...] NASA 2017-07-12
_[7] 서적 Mechanics and Thermodynamics of Propulsion New York: Addison-Wesley 1992
_[8] 웹사이트 Electron Propulsion http://www.b14643.de[...] B14643.de 2016-09-20
_[9] 서적 Vibration of hydraulic machinery Berlin: Springer 2013

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