Development of Mechanical Face Seal in 75-tonf Turbopump for Leakage Reduction

누설 저감을 위한 75톤급 터보펌프 개량형 미케니컬 페이스실 개발

Abstract

In this paper, we present an experimental investigation of the leakage and endurance performances of mechanical face seals in a 75-tonf turbopump for the Korea Space Launch Vehicle II first-stage engine. A mechanical face seal is used between the fuel pump and turbine to prevent mixing of the fuel and turbine gas. However, excessive leakage occurs through the carbon attached to the mechanical face seal bellows. To reduce this leakage, we redesign the mechanical face seal such that the contact area between the fuel and carbon is reduced, height of the carbon nose is reduced, and stiffness of the bellows is increased. Then, we conduct static and dynamic leakage tests and endurance tests to compare the performances of the original and modified mechanical face seals. The investigation of the leakage of the old and new mechanical face seals confirms that the leakage performance is significantly improved, by 80%, in the new design in comparison with the old design. The endurance tests demonstrate that the average wear rate of carbon in the new mechanical face seal is 0.1094 ㎛/s. The service lifetime is predicted to be 4,200 s, which is 28 times greater than the requirement. Finally, we present a new mechanical face seal in a 75-tonf turbopump, and perform a validation test in the real-propellant test facility at the NARO Space Center. Based on the test results, we can confirm that the modified mechanical face seal works well under real operating conditions.

Nomenclature

ΔP : Differential pressure (kPa) (차압)

Po : Opening pressure (kPa) (열림압)

Pc : Closing pressure (kPa) (닫힘압)

Pb : Pressure by bellows (kPa) (복원압)

K : Pressure gradient factor(압력 구배 인자)

S : Sealing area (mm2 ) (실 표면적)

OD : Seal face outer diameter(실 접촉면 외경)

OI : Seal face inner diameter(실 접촉면 내경)

BD : Balance diameter(벨로우즈 밸런스 직경)

1. 서론

2021년 발사를 목표로 현재 개발 중인 한국형 발사체 (KSLV-II)는 3단형 로켓으로 1단과 2단에는 75톤급 액체 엔진이 사용되며 3단에는 7톤급 액체 엔진이 적용된다. 한국형 발사체에 사용되는 액체 엔진은 높은 탑재 하중을 얻기 위해 터보펌프를 이용하여 연소기에 산화제와 연료(케로신)를 공급한다. 터보펌프는 작동 유체에 따라 극저온, 상온, 고온의 다양한 환경 조건에서 고속으로 회전하며 고압의 연료 및 산화제를 공급하므로 높은신뢰성이 요구된다[1-4].

한국형 발사체 엔진에 사용되는 7톤 및 75톤 급 터보펌프는 산화제 펌프, 연료 펌프 및 터빈이 일렬로 연결 되어 동력이 전달되는 구조로 가스 발생기에서 공급되는 고온, 고압의 연소가스에 의해 터빈이 동력을 얻어 펌프를 구동하게 된다[5]. 이때 터빈을 구동하는 연소 가스와 연료 펌프 내부의 연료가 혼합되는 것을 방지하기 위한 별도의 기밀 장치가 필요하며 이를 위해 Fig. 1과 같이 미케니컬 페이스 실 (mechanical face seal)이 터빈과 연료펌프 사이에 설치되게 된다.

Fig. 1. 75-tonf turbopump and mechanical face seal.

터보펌프의 터빈과 연료펌프의 기밀을 위해 사용되는 미케니컬 페이스 실은 높은 회전수로 작동하는 터보펌프 로터에 체결되어 고온의 연소 가스와 고압의 연료가 만나는 환경에서 사용 되므로 작동 중 발생하는 강한 진동에 의해 쉽게 파손이 일어날 수 있으며 이로 인해 터보펌프가 정상 작동하지 않을 경우 엔진 고장으로 인한 로켓 발사의 실패를 가져올 수 있다. 따라서, 미케니컬 페이스 실 개발 과정 중 실제 운용 환경과 유사한 시험 설비에서의 성능 검증 시험은 필수적이며 상사 시험을 통한 누설 및 마모 시험을 거쳐 최종적으로 터보펌프 실매질 시험을 통해 그 신뢰성을 검증하게 된다[6].

한국항공우주연구원에서는 30톤급 터보펌프 미케니컬 페이스 실 개발에 이어 한국형 발사체에 사용될 7톤 및 75톤급 터보펌프 미케니컬 페이스 실에 대해 누설 및 마모 성능 시험 등의 성능 인증 시험을 수행한 바 있으며, 다양한 운용 조건에서의 터보펌프 실매질 시험을 통해 개발된 미케니컬 페이스 실의 신뢰성 검증을 완료하였다[7,8].

하지만, 정적 누설 시험을 통해 계측된 75톤급 미케니컬 페이스 실의 누설량은 약 5~7 g/min 수준으로 7톤급 미케니컬 페이스 실의 누설량(약 1 g/min)에 비해 과도한 것으로 판단되어 누설 성능 향상을 위한 75톤급 미케니컬 페이스 실의 설계 변경 작업을 수행하였다.

본 연구에서는 75톤급 개량형 미케니컬 페이스 실 시 제품 제작 및 성능 시험을 통한 검증 내용을 기술하였다.

2. 시제품 제작 및 실험 방법

2-1. 시제품 설계 및 제작

터보펌프 미케니컬 페이스 실은 Fig. 2와 같이 연료펌프 케이싱에 부착되는 벨로우즈 실 조립체 (bellow seal assembly)와 터빈 로터에 결합되는 메이팅 링 (mating ring)으로 구성되어 있으며 강성을 가진 금속 벨로우즈에 부착된 카본 접촉면이 적절한 접촉압으로 이에 맞닿는 메이팅 링의 금속 면과 맞물려 회전하며 접촉면 사이의 기밀을 유지한다.

미케니컬 페이스 실의 누설은 미케니컬 페이스실 작동 매질의 차압에 의해 발생하며 카본과 메이팅 링 사이 접촉면에서의 미세한 틈새에 의한 누설과 다공성 물질인 카본의 내부 기공을 통해 발생하는 누설로 구분된다.

미케니컬 페이스 실의 누설량은 일반적으로 터보펌프 미케니컬 페이스 실 전, 후방에 작용하는 차압에 비례하며 평균 차압 600 kPa을 기준으로 75톤급 미케니컬 페이스 실의 설계가 수행되었다. 주어진 설계 조건으로부터 카본과 메이팅 링 사이의 접촉압 (P_k)은 접촉면 사이의 유체 압력에 의한 열림힘 (opening force)과 미케니컬 페이스 실 주변 유체의 압력과 벨로우즈 강성에 의한 닫힘힘 (closing force)에 의해 결정되며 아래의 식을 통해 접촉압은 약 240 kPa로 계산된다.

Fig. 2. Configuration of turbopump mechanical face seal.

\(P_{k}=P_{o}+P_{c}+P_{b}\)             (1)

\(P_{o}=\frac{\pi}{4}\left[O_{D}^{2}-O_{I}^{2}\right] \cdot K \cdot \frac{\Delta P}{S}\)             (2)

\(P_{\mathrm{c}}=\frac{\pi}{4}\left[O_{D}^{2}-B_{D}^{2}\right] \cdot \frac{\Delta P}{S}\)             (3)

위 식의 K (pressure gradient factor)는 카본 접촉면에서의 압력 변화율을 의미하며 비압축성 유체의 경우 0.5 를 적용한다[9]. BD는 벨로우즈 유효 밸런스 직경을 의미하며 설계된 벨로우즈에 작용하는 유체력은 벨로우즈 내부의 각각의 대칭면에서는 서로 상쇄되며 카본 덮개와 용접된 벨로우즈의 한쪽 면에서만 유체력이 닫힘힘으로 작용한다. 이때 유체력이 작용하는 벨로우즈의 유효 면적은 벨로우즈 직경과 유효 밸런스 직경 사이의 면적과 같다.

미케니컬 페이스 실의 제원은 Table 1과 같으며 접촉면에서의 평균 미끄럼 속도는 약 60 m/s이며 실의 작동환경에 대한 지표로 사용되는 PkV (접촉 압력 × 평균 미끄럼 속도) 수치는 개량형 미케니컬 페이스 실의 경우14,463 kPa · m/s로 계산되었다[9].

Table 1. Specifications of MFS

누설 성능 개선을 위한 미케니컬 페이스 실의 설계 형상 변경은 Fig. 3과 같이 이루어졌으며 카본 내부의 기공을 통한 누설을 줄이기 위해 카본 덮개 길이를 증가시켜 연료와 카본의 접촉 면적이 기존 설계 대비 85% 이상 줄었으며 카본 노즈 (nose)의 높이도 30% 이상 감소하였다. 또한 접촉면에서의 누설을 줄이기 위해 벨로우즈 강성을 5% 이상 증가시켜 접촉압을 높였다.

가스발생기에서 터빈으로 공급되는 연소 가스의 온도는 약 600 ℃이며 터빈에 접하는 미케니컬 페이스 실은 약 400~500 ℃의 고온 환경에 노출된다. 따라서 이러한 고온 환경을 견디기 위해 벨로우즈실 어셈블리와 메이팅 링은 내열 합금 소재로 제작되며 카본 실은 흑연을 사용한다.

Fig. 3. Redesign of mechanical face seal.

2-2. 누설 및 내구 성능 시험기 구성 및 시험 방법

한국씰마스타에서 운용 중인 75톤급 터보펌프 미케니컬 페이스 실의 누설 및 내구 성능 시험 계통도와 시험장비 및 단면도를 Fig. 4, Fig. 5 및 Fig. 6에 나타내었다. 시험기는 실제 장착 상태를 모사하기 위하여 터보펌프 내부의 미케니컬 페이스 실 장착부위와 동일한 형상 및 가공 공차를 가지도록 제작되었으며 시험기의 실 하우징 (seal housing) 교체를 통해 75톤급 미케니컬 페이스실 뿐 아니라 7톤급 미케니컬 페이스 실 등 다양한 크기의 미케니컬 페이스실 성능 시험도 가능하도록 시험기를 구성하였다.

Fig. 4. 75-tonf Mechanical face seal test diagram

Fig. 5. Mechanical face seal test rig.

Fig. 6. 75-tonf Mechanical face seal test rig layout.

시험기의 구동원은 30 kW급 영구 자석 동기 모터이며 플렉시블 커플링 (flexible coupling)이 모터와 시험기사이에 설치되어 모터의 토크를 시험기에 전달한다. 메이팅 링은 회전축 끝에 결합되어 실제 터보펌프 작동 환경과 유사한 압력 조건에서 시험기 케이스에 장착된 벨로우즈 실 어셈블리의 카본실과 접촉한 상태로 회전하게 된다. 시험기는 회전축 지지를 위해 세 개의 베어링으로 고정되며 립실(lip seal) 마찰에 의한 베어링의 급격한 온도 상승을 막기 위해 고압의 공기를 공급하여 베어링을 냉각시킨다. 또한 내부 순환 방식의 유체 공급을통해 연료 펌프 내부에 해당하는 실 챔버 (seal chamber)의 온도를 제어하게 되며 실 시간으로 베어링과 실 챔버의 온도를 계측하여 시험 장비의 1회 운용 시간을 결정한다. 터빈의 연소 가스 공급을 모사하기 위해 100 W 급 카트리지 히터 (cartridge heater) 6개가 시험기의 우측 케이싱에 장착되어 시험기 내부를 가열하며 히터 제어기를 통해 설정 온도를 유지하게 된다. 작동 유체는 시험의 편의상 케로신보다 윤활 특성이 떨어지는 물을 사용하며 이로 인해 상사 시험 상태에서의 미케니컬 페이스실의 내구 성능은 실제보다 보수적으로 예측된다.

적절한 시험 환경 모사를 위해 75톤급 터보펌프 미케니컬 페이스 실의 누설 및 내구 성능 시험은 Table 2와 같은 조건으로 수행된다.

Table 2. MFS operating conditions

누설 시험은 정적 및 동적 누설 시험으로 나누어진다. 정적 누설 시험은 미케니컬 페이스 실이 정지한 상태에서 차압 조건에 따른 작동 유체의 누설량을 1분 간 계측하여 정상적인 기밀 유지가 되는 지를 확인하는 시험이며, 동적 누설 시험은 실제 터보펌프의 작동 조건과 유사한 환경에서 5분 동안 시험기를 가동하여 미케니컬 페이스 실에서 누설되는 유체의 질량을 측정하게 된다. 이때 터빈의 고온 상태를 모사하기 위해 카트리지 히터를 장착하게 되면 흐르는 작동 유체의 누설량을 계측할 수 없으므로 누설 시험은 카트리지 히터를 제거한 후 상온에서 진행된다.

미케니컬 페이스 실의 내구 시험은 동적 누설 시험을 포함하여 터보펌프 정격 운용 시간의 10배인 1500초까지 시험기를 가동한 후 미케니컬 페이스 실의 카본 마모량 및 실의 파손 여부 등을 관찰하여 미케니컬 페이스 실의 내구성을 평가하게 된다. 75톤급 미케니컬 페이스 실의 품질 인증을 위해서는 인증 시험 중 평균 누설량 10 g/min 이하, 카본 잔존량 50% 이상을 유지해야 한다. 내구 성능 시험을 통과한 미케니컬 페이스 실은 터보펌프에 장착되어 실매질 시험이 수행되며 이를 통해 성능에 문제가 없을 경우 최종적으로 품질 인증이 완료된다.

3. 성능 시험 결과

3-1. 누설 성능 시험

75톤급 터보펌프 미케니컬 페이스 실의 초기 설계안과 개량형 설계안의 정적 및 동적 누설 시험 후 계측된 누설량과 동적 누설 시험 중 누설 상태를 Table 3과 Fig.7에 나타내었다.

초기 설계안에 비해 개량형 설계안에서 정적 및 동적 누설량이 크게 감소하였으며 누설 감소를 위한 설계 변경이 효과가 있음을 확인하였다. 두 설계안 모두 정적 누설량이 동적 누설량보다 크게 계측된다. 이는 정적 상태에서 존재하는 카본 실과 메이팅 링 사이의 미세한 틈새가 메이팅 링의 회전을 통해 카본이 적절히 마모가 되어 누설이 발생할 수 있는 접촉면 사이 틈새를 메우기 때문이다. 이러한 틈새 메우기 작업을 카본 표면 길들이기 작업이라 부른다. 개량형 미케니컬 페이스 실의 경우 표면 길들이기 작업이 마무리 되는 시험 시작 1분 이후에는 거의 누설이 발생하지 않았다.

Table 3. MFS leakage test results

Fig. 7에서 표면 길들이기 작업 중 마모되어 나온 카본 가루로 인해 누설 유체의 색이 짙어진 것을 확인할 수 있다. 또한 동적 누설 시험에서는 고속으로 회전하는 축에 의해 누설 유체가 미립자 상태로 분무되어 증발하는 현상이 관찰되며 이로 인해 실제 누설량보다 계측되는 양이 줄어들게 된다.

3-2. 내구 성능 시험

75톤급 터보펌프 미케니컬 페이스 실의 내구 성능 시험은 400 ℃로 설정된 카트리지 히터를 장착한 후 터빈부를 가열하며 일정한 회전 속도와 차압 조건에서 시험을 수행한 후 카본의 마모량 및 파손 여부를 관찰하여 실의 내구성을 확인하게 된다. 카본의 마모량은 시험실의 석정반에서 실험 전, 후의 미케니컬 페이스 실의 바닥 면에서 카본 접촉면까지의 높이를 높이 게이지 (height gauge)로 계측하여 그 차이를 구하여 계산된다. 카본의 손실률은 카본 마모량과 카본 노즈 길이의 비로 정의하였다. 카본의 마모는 일반적으로 접촉압, 미끄럼 속도, 가동 시간에 비례하며 내구 성능 시험에서의 접촉압, 미끄럼 속도는 실제 터보펌프 운용 조건과 유사하며 시험 시간은 실제 작동 시간보다 10배 늘려 미케니컬 페이스 실의 내구성을 평가하게 된다.

Table 4에 초기 설계안과 개량형 설계안의 동적 누설 시험 및 내구 성능 시험에서 계측된 카본의 마모량과 손실률을 비교하였다.

Table 4. MFS endurance test results

카본의 마모는 시험 초기 표면 길들이기 작업에서 크게 발생하므로 동적 누설 시험에서의 마모율이 내구 성능 시험의 마모율보다 크다. 또한 개량형 설계안의 카본 마모율이 초기 설계안의 값보다 큰데 이는 개량형 설계 안의 벨로우즈 강성 증가와 함께 연료-카본 접촉 면적과 카본 노즈 높이가 초기 설계안에 비해 크게 감소하였기때문이다. 연료와 접촉하는 카본의 면적이 줄어들수록 카본 내부로 침투되어 냉각수 역할을 하는 연료의 양은 줄어들고 마찰에 의한 발열이 증가하여 카본의 마모는 증가한다. 특히 초기 설계안의 경우 내구 성능 시험에서는 마모가 거의 발생하지 않지만 개량형 설계안은 동적 누설 시험 후 내구 성능 시험에서도 지속적으로 카본의 마모가 발생하고 있다.

동적 누설 및 내구 성능 시험에서 25분간 계측한 개량형 미케니컬 페이스 실의 카본 누적 마모량은 약 164 µm, 평균 마모율은 0.1094 µm/sec이며 기존 미케니컬 페이스 실의 카본 누적 마모량은 약 44 µm, 평균 마모율은 0.0259 µm/sec로 계산된다. 초기 카본의 50%가 소실되는 시간을 미케니컬 페이스 실의 수명으로 가정 할 때 개량형 미케니컬 페이스 실은 약 4,200초의 기대수명을 가지며 이는 터보펌프 정격 운용 시간의 약 28배에 해당하므로 초기 설계안에 비해 상대적으로 높은 마모율이 개량형 미케니컬 페이스 실의 실제 적용에 있어 큰 문제가 되지 않는다.

누적 시험 시간 1,500초의 동적 누설 및 내구 성능 시험을 완료한 후 시험기를 분해하였을 때 육안으로 관찰 된 개량형 미케니컬 페이스 실의 파손이나 이상 현상은 발생하지 않았으며 기준에 부합하는 누설량 및 마모율을 확보하여 누설 및 내구 성능 검증 시험이 성공적으로 이루어졌다고 평가된다.

개량형 미케니컬 페이스 실은 기존의 미케니컬 페이스 실보다 정적 상태의 누설은 약 80% 이상, 동적 상태의 누설은 약 90% 이상 감소되어 터보펌프 작동 시 연료와 터빈 가스의 혼합을 미연에 방지하여 기존보다 더 안정적인 터보펌프 운용이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 8은 한국항공우주연구원 나로우주센터 내 75톤급 터보펌프 실매질 시험 설비에서 수행된 터보펌프의 성능검증 시험을 보여주고 있다[10]. 실제 발사 시 운용되는 조건과 동일하게 산화제 및 연료 펌프에 액체 산소와 케로신이 공급되고 터빈에 연소가스가 공급되는 상태에서 수행된 실매질 시험은 정격 회전수, 펌프 수두, 펌프 유량비 등의 요구 성능을 모두 만족하였고 시험 후 이루어진 분해 검사에서도 새롭게 적용된 개량형 미케니컬 페이스 실과 주변 환경에 특별한 문제점이 발견되지 않았다. 이로써 75톤급 터보펌프의 개량형 미케니컬 페이스실은 실매질 시험 환경에서도 연료와 터빈 구동 가스의혼합을 방지하는 역할을 잘 수행하고 있으며 설계 변경으로 인한 특이 현상이나 성능 저하가 없음을 확인하였다.

Fig. 8. 75-tonf turbopump real-propellant test.

4. 결론

누설 성능 향상을 위해 75톤급 터보펌프에 장착되는 기존 미케니컬 페이스 실의 설계를 변경하였고, 신규 제작된 미케니컬 페이스 실의 정적, 동적 누설 시험과 내구 성능 시험을 수행하여 기존 미케니컬 페이스 실과의 누설량 및 마모율을 비교한 결과를 아래와 같이 요약하였다.

1. 카본 내부 기공을 통한 누설을 줄이기 위해 개량형 미케니컬 페이스 실의 연료-카본 접촉 면적 및 카본 노즈 높이가 감소되었으며 카본 접촉면에서의 누설 저감을 위해 벨로우즈 강성이 증가되었다.

2. 개량형 미케니컬 페이스 실의 정적 및 동적 누설 성능 시험이 수행되었으며 정적 누설량은 기존 대비 약 80% 이상, 동적 누설량은 90% 이상 감소하여누설 성능이 크게 향상되었다.

3. 개량형 미케니컬 페이스 실의 내구 성능 시험이 수행되었으며 계측된 카본의 평균 마모율은 0.1094 µm/sec이며 미케니컬 페이스 실의 수명은 정격 작동 시간의 28배인 4,200초로 예측되었다.

4. 누설 및 내구 성능 평가를 위한 상사 시험 후 수행 된 터보펌프 실매질 검증 시험을 통해 개량형 미케니컬 페이스 실은 기밀 성능에 문제가 없음이 확인 되었고 이를 통해 누설 성능 개선을 위한 설계 변경이 성공적으로 이루어졌다고 판단된다.

향후 본 연구의 결과는 고압에서 작동하는 미케니컬 페이스 실과 같은 접촉실의 누설 성능 개선을 위한 기초자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.