Design and Evaluation of Vaned Pipe Bends of Liquid Propellant for Satellite Launch Vehicles

소형위성 발사체용 액체 추진제 곡관 배관 설계 및 유동 성능 해석

The use of pipe-bends brings about non-uniform flows at the exit of them due to the velocity difference between inner and outer flows inside the bend. These phenomena may cause turbopump of satellite launch vehicle to run off-design and reduce its efficiency, and also introduce unstable influx of propellants to engine manifold after passing through a turbopump. In order to improve the uniformity of flow at the bend exit, certain turning vanes are set up in the bend pipe normally. Correspondingly the design is an $90^{\circ}\;and\;45^{\circ}$ bend pipes that incorporate with the maximum three turning vanes. All designs were analyzed with numerical analysis by solving the Navier-Stokes equations in three dimensions in case of each respective fuel and oxidizer. Evaluations of the vaned pipe bends designs were accomplished by the velocity magnitude distributions and the predicted pressure drops. We could find that the more vaned bend pipe and larger angle pipe under consideration effectively, the more uniform velocity magnitude of the bend and pressure losses.

소형위성 발사체 추진제 공급계 배관의 구부러짐으로 인하여 배관내부의 추진제 유동은 불균일하며 이는 터보펌프 전단의 블레이드의 파괴 및 후단의 가압된 추진제의 불안정성을 야기시킨다. 따라서 추진제의 효율적인 공급을 위하여 vane이 장착된 곡관 배관이 필요하며 내부에서의 유동장을 수치해석으로 규명하여 그 문제점을 해결할 수 있는 지 연구하였다. 따라서, 본 연구에서는 각각 90도와 45도로 구부러진 3인치 산화제 배관과 2.5인치 연료 배관의 구부러진 부분에는 $0\sim3$개의 vane을 등 간격으로 설치하였다. 3차원 Navier-Stokes 방정식을 풀기 위하여 상용코드를 이용하였으며, 곡관 배관 설계를 평가하기 위하여 각 90, 45도의 vane이 설치되지 않은 곡관과 $1\sim3$개의 vane이 장착된 곡관을 비교하였다. vane의 개수에 의한 배관 설계의 영향을 알아보기 위하여 90, 45도의 곡관에 vane이 0, 1, 2, 3개가 등 간격으로 장착이 되었을 때의 결과를 비교하였다. 배관내의 유동 균일성과 차압을 알기 위하여 속도크기와 압력분포를 계산하였다. vane이 많을수록 곡관의 각도가 클수록 곡관을 지난 유동은 더 균일해졌으나 배관 차압은 더 증가하였다.