1. 서 론

증기발생기(Steam Generator, SG)는 고고도의 환경을 모의하기 위한 이젝터 시스템에서 시험물 주변(시험챔버)의 압력을 진공상태로 만들기 위해 챔버와 디퓨저의 내부 잔류 기체와 시험물로부터 발생되는 유체를 흡입하는 모멘텀을 형성하기 위한 일종의 가스 발생기(gas generator)의 역할을 한다. SG의 사용은 복잡한 연소 시스템이나 대형의 보일러를 필요로 하기 때문에 안전과 비용 절감을 위해 압축공기를 사용하는 경우도 있으나, 증기를 사용하는 경우 동일한 온도 및 압력 조건에서 공기보다 23%의 유량을 절약할 수 있다[2]. 따라서 시험물의 규격 및 요구조건에 따라 적합한 주유동 공급원을 선택하는 것이 필요하다. 증기발생을 위해 보일러를 사용하는 경우에는 비교적 대용량의 증기를 안정적으로 공급받을 수 있는 장점이 있으나, 별도의 시스템이 필요하여 시험 횟수나 증기의 공동 활용 등이 전제되지 않는다면 매우 큰 운용비용이 소요된다. 따라서 고도모의 장치의 효율성을 고려하여 다양한 종류의 연료를 사용하는 증기발생기를 활용하고 있다. 본 연구에서는 연료 및 산화제를 각각 75%의 알코올과 액화 산소를 이용한 연소가스에 물을 분사하여 증기를 발생시키는 형태의 증기발생기가 고려되었으며, 요구되는 부유동 조건을 만족하기 위해 1.7 kg/s 급 증기발생기 3기를 병렬로 연결하였다. 사용된 증기발생기는 충남대학교에서 개발한 고공 환경 모사 시험설비[3]에 적용된 것과 동일한 것으로 증기발생기의 신규 개발에 대한 기술적 위험성과 개발 기간을 단축하고자 하였다.

본 논문에서는 증기발생기가 적용된 이젝터 시스템의 고도모의 성능시험 결과와 분석 내용을 소개하고자 한다.

2. 고도모의 장치

2.1 고도모의 장치의 구성

고도모의 장치의 구성은 Fig. 1과 같이 증기발생기와 소음기를 포함한 이젝터 시스템과 진공챔버(시험챔버)와 이젝터를 연결하는 디퓨저 및 공급시스템으로 구성되어 있으며, 안전을 위해 주변을 약 2 m 높이의 방호벽을 설치하였다. 증기발생기의 구동을 위해 각각 점화기가 장착되어 있으며 기체 메탄 및 산소를 사용하였다. 증기발생기는 75%의 알코올과 액화 산소를 연소시켜 발생된 고온의 연소가스에 물을 분사하여 증기를 발생시키고, 이젝터를 통해 증기가 이동하며 진공챔버와 디퓨저 내부의 유체를 흡입하는 역할을 한다.

Fig. 1.

Layout of high altitude test facility[1].

공급시스템은 고압 질소를 사용하였으며, 액화질소를 이용하여 기화기를 통과해 시험 전 압력용기에 130 bar 까지 충진하였다. 증기발생기의 연료와 산화제는 질소탱크에 충진된 고압질소를 이용하여 적절한 압력으로 공급하였다. 또한 증기발생기 내부로 공급되는 물과 연소부 헤드 및 디퓨저 외부 자켓을 냉각하기 위한 냉각수 가압용으로도 사용하였다. 압력용기를 통해 공급되는 냉각수 이외에 디퓨저 내부로 공급되어 부유동의 온도를 감소시키기 위한 목적으로 냉각수 펌프를 이용하여 저압의 냉각수를 공급하였다.

액화 산소는 시험 전 상용 용기에서 액화 산소 저장 용기에 충진하여 사용하였고, 충진률은 용기 내부에 3개의 온도센서를 수위(25%, 50%, 75%) 별로 설치하여 액화 상태를 확인하였다.

시험물(추력기 등)은 진공챔버(시험챔버) 내부에 장착되어 밀폐되며, 시험물의 작동조건(압력, 온도, 유량)에 따라 발생되는 작동유체는 디퓨저로 이동하게 된다. 앞에서 언급한 바와 같이 디퓨저 내부로 분사된 물이 시험부로부터 오는 작동유체와 혼합되어 온도를 낮추며 이젝터 시스템의 부유동은 다소 증가하나 열적 부하를 줄여주는 역할을 한다. 따라서 이젝터는 시험물의 유체와 물이 혼합된 부유동의 조건에 따라 작동조건이 변화하게 된다.

이젝터 시스템은 Fig. 2와 같이 증기발생기, 디퓨저와 연결되는 Tee 덕트, 이젝터, 소음기로 구성되어 있다. Fig. 3과 같이 증기발생기 부분만 나타내면 증기발생기(SG 3)의 중간 부분을 확대한 파란색 점선 사각형 안과 같이 적색 원형 부분에 물분사 노즐이 위치해 있으며, 각각의 증기발생기는 별도의 개별 축소 노즐 없이 Tee 덕트 내부의 통합 노즐을 통해 증기를 배출하는 구조이다. 노즐의 팽창과정에서 발생되는 압력 손실이나 증기의 온도하강에 따른 문제를 감소시킬 수 있는 구조이나, 축소 노즐까지의 거리가 멀어 초기 증기발생기의 작동 시 정상 상태까지 이르는 시간이 개별 노즐을 장착한 경우보다 길어질 것을 예상할 수 있다.

Fig. 2.

Ejector system.

Fig. 3.

Steam generator cluster.

2.2 이젝터 시스템 및 주요 설계변수 결정

증기발생기를 포함한 이젝터 시스템의 설계는 부유동 조건에 따른 주유동 조건을 계산하여 결정한다. 고도모의 장치의 주요 목적은 고공의 진공상태에서 추력을 측정하는 것이므로 고공에서 운용하는 시험물(추력기 등)의 작동조건(연소압력, 연소가스의 조성 등)에 따라 진공챔버에서 시험조건을 유지할 수 있어야 한다. 따라서 초음속 디퓨저는 시동에서 장점을 가지는 STED(Second Throat Exhausted Diffuser)로 설계하였다. 디퓨저 입구부는 수직 충격파 모델을 사용하여 요구 조건별 목표 고도에 도달하는 입구 직경을 이론적으로 계산하고, 확산 및 수축부 크기를 산정하였다. 그 결과로 이젝터로 유입되는 부유동의 조건이 결정된다. 따라서 Tee 덕트 내부로 유입되는 부유동의 조건을 고려하여 이젝터의 규격과 증기발생기의 요구 압력 및 증기량이 산정되었다. 증기발생기의 내부압력은 기존 1대의 설계 압력을 고려하여 20 bar로 하였다. 증기발생기의 주요 제원은 Table 1에 나타내었으며, 참고문헌 [3]에서 해당 내용에 대한 자세한 설계 내용을 확인할 수 있다.

부유동은 시험물의 특성을 고려하여 디퓨저 출구에서 연소가스와 물의 혼합물 형태를 가지며 최대 유량은 1.35 kg/s로 설정하였고, 이를 기반으로 유량비 0.26, 압축비 4, 팽창비 80인 이젝터 시스템을 설계하였다. 증기발생기를 포함한 이젝터 시스템의 설계는 참고문헌[4,5]에 자세히 설명되어 있다.

Fig. 4와 같이 부유동의 조건에 따라 필요 주유동 유량과 이젝터의 설계변수(길이 및 직경)가 결정된다. 이때 계산된 필요 주유동 유량은 4.8 kg/s로 적절한 유동 형성을 위해 1.7 kg/s 급 증기발생기 3기를 결합하였으며, 노즐목은 53.8 mm로 결정하였다.

Fig. 4.

Sketch of steam generator and ejector[4].

설계된 이젝터의 길이(L1+L2+L3)는 3900 mm이며, SG의 유량에 대한 이젝터 설계변수에 관한 내용은 참고문헌 [5]에 잘 나타나 있다.

또한, 초음속 디퓨저의 구동을 위해 시험물의 내부압력과 디퓨저 출구 압력의 비로 나타내는 시동 압력비는 Fig. 5의 형상에서 Eq. 1의 식을 이용하고 안정적인 시동을 위한 안전계수를 고려하여 시동압력(P₅)은 0.25 bar(A)로 계산되었다.

Fig. 5.

Calculation concept of starting pressure ratio.

3. 시험 결과

3.1 증기발생기

기존에 개발된 SG를 활용하는 개념이지만 공급시스템이 변경되는 경우 시험장치의 안정적인 운용까지는 많은 시행착오를 동반하게 된다. 각각의 증기발생기가 독립적으로 운용되도록 공급계가 구성되는 경우, SG의 작동 시점이 크게 차이 나지 않아 시동압력 구현까지의 시간 지연만 고려하면 되지만 단일 공급계를 분기하거나 다수의 SG를 연결할 때 하나의 축소 노즐을 사용하는 경우에는 많은 문제를 유발시킨다. 분기된 공급계로 인해 점화기의 점화시점 또는 SG의 연소시점이 서로 상이할 수 있고, 통합 노즐의 사용은 SG 간 압력 불균일, 초기 미연소 연료 발생, 연소불안정, 폭발, 성능 미달 등의 현상이 발생할 수 있다. 또한 SG 장시간 작동에 따른 시험시간 제한 및 사용수명 감소 등과 같은 문제를 복합적으로 일으킬 수 있다. 따라서 병렬로 연결하여 구성되는 SG 클러스터는 개별 SG로 공급되는 공급계가 비교적 균일한 조건을 가져야 한다.

Fig. 6, 7, 8, 9, 10, 11은 시험을 통해 확인한 SG와 이젝터 시스템의 성능 및 특성을 나타낸 그래프이며, 표시된 압력은 게이지 압력이다. Fig. 6과 7은 그래프 안에 2개의 그룹이 존재하는데, 그룹간 동일한 그래프 색상은 같은 SG에 대한 것으로 SG간 비교를 용이하도록 하기 위하여 동일한 색으로 표시하였다.

Fig. 6은 3기의 SG 내부압력(PT8314 그룹)과 각 SG의 점화기(Igniter, IG) 내부압력(PT8315 그룹)에 대한 대표적인 거동과 하나의 시험에 대한 일반적인 시험 시퀀스(밸브작동 시점과 공급 시점 등)를 같이 나타낸 것이다. 점화기 내부압력은 10 bar(7초대) 내외의 압력 값을 가지고 SG의 연소를 유발시키는 것을 알 수 있으며, SG 내부 연소 시점에는 SG 내부압력과 점화기의 내부압력이 유사한 값을 보인다. 점화기 작동 시 동일한 압력을 유지하는 것보다 SG 초기 점화에 충분한 열원임을 확인하여 작동 시점을 일치시키는 것에 중점을 두었다. 따라서 점화기의 작동 압력은 다소 차이가 있는 상태로 운용하였으나, SG의 내부압력은 SG간 유사한 압력 값을 갖도록 균일한 공급이 이루어지게 조정하였다.

Fig. 6.

Test process and pressures of IG & SG.

SG 연소실 압력은 점화가 이루어진 9초대부터 22초 정도 일정하게 유지되다가 약 32초까지 완만하게 상승하는 거동을 보인다. 이러한 현상은 SG의 작동 초기에 증기로 변환되지 못한 물이 노즐목 하부에 잔류되어 있다가 전체적인 내부압력 형성 및 온도 증가에 따라 증기화 되거나 배출되는 과정으로 판단된다. 따라서 32초대에 도달하면 SG 내부는 완전히 증기로 전환된 상태에 이르게 되고, 이후 일정한 압력을 유지하는 것으로 추정된다.

Fig. 7은 SG 헤드의 연료 공급압력(PT8312 그룹)과 산화제 공급압력(PT8311 그룹)을 같이 나타내었으며, SG 내부압력(Fig. 6) 대비 헤드의 압력 변화가 크지 않아 SG 내부압력 변화의 영향을 받아 유사한 거동을 보이는 것을 알 수 있다. 다만, 연료가 3개의 SG에 대해 거의 유사한 압력값을 갖는 것에 반하여 산화제는 각각의 SG로 공급되는 압력이 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 그러나 결과적으로 SG간 내부압력에 미치는 영향은 없는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7.

Pressures of SG(head P of F/Ox).

Table 2에 7회의 시험에서 SG에 공급된 연료, 산화제, 물과 이들 유체의 유량 합에 해당하는 증기 유량을 정리하여 나타내었다. 시험별 증기 유량은 평균값 대비 ± 0.02% 내외로 큰 차이 없이 공급되었으며, 매 시험 시 유체 별로 공급 유량을 조정하여 SG의 각 작동유체의 유량 및 압력 변화를 확인하고 조정하는 방식으로 진행하였다.

Fig. 8에 일반적인 SG 연료와 산화제, 증기용 물의 공급 유량 거동을 나타내고 있다. 전체 시험 시간 동안 일정한 값을 유지하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 8.

Mass flow rate of fuel, Lox, water for steam.

Fig. 9는 SG의 작동에 따라 SG 노즐목 전단 압력(Pn)이 보는 바와 같이 형성될 때 이젝터 내부의 압력을 나타내었으며, 각 압력센서의 위치는 Fig. 2에서 표시한 것과 같다.

Fig. 9.

Pressures of ejector.

노즐의 팽창에 따라 Tee 덕트에 가장 가까운 압력은 매우 낮은 진공압력을 형성하고 있음을 알 수 있으며, 이젝터의 출구 방향에 가까워질수록 압력이 회복되어 PT8405의 값은 이젝터의 작동과 무관하게 대기압을 유지하고 있는 것을 알 수 있다. PT8402부터 PT8404는 이젝터 내부 충격파(shock train)의 진행에 따라 다른 측정값과 비교하여 상대적으로 변동 폭이 큰 거동을 보임을 알 수 있다. 또한, 36초대에 시험물(추력기)의 작동에 따라 내부압력 변화도 관찰할 수 있다.

Fig. 10은 시험물(추력기)이 미장착된 상태에서 SG의 작동에 따른 진공챔버의 압력을 보여준다. 진공챔버의 압력은 시험 시간 동안 일정한 값(45초대 압력상승은 진공챔버 내부 질소퍼지에 의한 압력상승)을 갖게 된다. 이는 시동압력 이하로 진공압력이 형성되어 초음속 디퓨저가 진공챔버 내부의 압력을 일정하게 유지하고 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고 안정적인 시험 운용을 위해 시험물의 작동 시점은 SG 내부압력이 일정하게 유지하는 35초 이후로 설정하였으며, Fig. 11에서 보는 것처럼 35초 이후 시험물의 작동에 따라 더 낮은 진공압력이 진공챔버(시험챔버)에 형성됨을 확인할 수 있다.

Fig. 10.

Pressures of vacuum chamber(working on only SG).

Fig. 11.

Pressures of vacuum chamber(in operating test object).

Fig. 12에 실제 SG 작동 중일 때 증기가 발생하는 모습을 보이고 있다.

Fig. 12.

Picture in operating SG.

Table 3에는 SG가 작동하는 동안 각 SG의 내부압력(PT8414~8434)과 이들의 평균값(aver.), SG 노즐목 전단 압력(Pn), 디퓨저 전단 압력(P01), 디퓨저 출구 압력(P04), 진공챔버 내부의 압력을 시험물 작동 유무에 따라 모두 절대압력으로 환산하여 정리한 것이다. 디퓨저 내부압력의 경우 P01과 P04 압력센서 사이에 내부로 분사되는 물에 의해 압력이 상승하여야 하나 시험물의 시험 조건과 센서의 위치(깊이 등)에 따라 디퓨저 출구 압력이 더 낮은 경우도 확인할 수 있다.

4. 결 론

3기의 SG 병렬 연결은 큰 용량의 단일 SG 사용 대비 장단점을 모두 포함하고 있다. 시험물의 규격이 커질수록 SG의 요구 증기 용량의 증가와 함께 SG의 규모가 커지게 되면 부득이하게 안전 문제와 대용량의 SG 개발에 대한 기술적인 문제로 인해 적당한 크기로 병렬 연결하는 방법을 선택할 수 있다. 그러나 병렬 연결을 고려한 SG도 신규로 개발해야 되는 상황인 경우에는 공급계의 운용 측면과 유지 관리적인 측면에서 단일 SG의 개발이 더 유용할 수도 있음을 개발과정에서 체득할 수 있었다.

고도모의 성능시험을 통해 SG, 이젝터, 디퓨저의 설계점을 검증할 수 있었으며, SG 3기의 병렬 연결 구성이 5 kg/s 이상의 증기를 공급 가능함을 확인하였다. 다만, SG의 병렬 연결로 인해 고도모의 장치의 압력 거동이 일정하게 유지되기 위한 초기 안정화 시간이 필요하며 본 시험장치에서는 약 32초 이후 안정적인 시험이 가능함을 확인하였다.