KR101093544B1 - 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험방법 및 시험설비 - Google Patents

펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험방법 및 시험설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온 유체를 작동 매질로 하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험에 관한 것이다. 펌프의 캐비테이션 시험을 수행함에 있어서 펌프 입구에서 열역학적 파라미터들을 변화시켜야 하는데, 본 발명에서는 펌프 입구에서 극저온 액체만의 포화상태 또는 2상(액체상+기체상)을 갖는 포화상태유동을 만들기 위하여 펌프에 사용되는 작동 매질과 동일한 액체를 기체상으로 만들어서 극저온 유체 공급관에 투입하고 혼합시키는 방법을 사용한다.
본 발명은 펌프(16)의 캐비테이션 시험을 위한 극저온 액체를 담고 있는 저장탱크(1)와 저장탱크(1)로부터 펌프(16)로 연결된 극저온유체 공급배관라인(31) 그리고 극저온 액체를 기체상으로 만들어서 극저온유체 공급배관라인(31)에 투입하기 위한 기체상 공급배관라인(32)으로 구성되어 있다. 기체상 공급배관라인(32)에는 가열식열교환기(11)가 설치되어 극저온 액체를 가열하여 기체상으로 만들고, 기체상의 유량을 조절함에 따라 펌프(16)의 입구에서 액체포화유동상태 및 2상(증기상 포함)포화유동상태을 만들 수 있게 되어 있다.
극저온 유체, 캐비테이션, 펌프, 액체포화유동상태, 2상포화유동상태, 시험설비

Description

펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험방법 및 시험설비{Testing method and test stand for the determination of the cavitation characteristics of pump}
본 발명은 극저온유체(예를 들면 액체산소, 액체수소 등)를 작동 매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위한 시험방법 및 설비에 관한 것이다.
극저온 유체가 사용되는 펌프의 캐비테이션 특성을 측정하는 방법에는 펌프작동유체(극저온 유체)의 내부에너지를 일정하게 하고 펌프입구압력을 낮춘 상태에서 시험을 수행하는 방식과 일정한 압력 하에 작동매질을 포화상태 혹은 2상태까지 내부에너지를 변화시키면서 시험을 수행하는 방식이 있다. 첫 번째 방식은 일반적인 펌프에 대하여 수행되는 전통적인 방식이며, 두 번째 방식은 극저온 유체를 작동매질로 사용하는 극저온 펌프에서 중요시되는 방식이다. 펌프의 작동능력과 캐비테이션 특성을 확인하기 위한 펌프시험에서는 첫 번째 방식과 두 번째 방식이 연속적으로 수행되곤 하는데 본 발명은 두 번째 방식을 구현하기 위한 개선된 시험설비 및 시험방법에 관한 것이다.
펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위하여 캐비테이션 시험 설비는 펌프로 공급되는 극저온유체의 열역학적 상태를 변화시킬 수 있어야 한다. 본 발명에서는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위하여 추가의 기체상 공급라인을 설치하여 극 저온 액체를 기체상으로 만들어서 펌프의 주공급관에 투입함으로써 기체상과 액체상의 극저온유체가 혼합된 후에 기체상의 응축이 발생하게 된다. 이로써 펌프 입구로 들어가는 작동매질의 상태를 액체포화유동상태로 만들 수 있으며, 기체상의 공급을 늘려 펌프입구의 유동상태를 2상포화유동상태로 만들 수 있다.
본 발명을 이용할 경우, 한 번의 시험과정 중에 시험조건을 변화해가면서 펌프의 시험을 수행할 수 있으며 결과적으로 시험수행 횟수와 비용을 감소시킬 수 있다.
상기 두 번째 방식에 대한 종래의 기술은 도 2와 같은 구조의 시험설비를 이용하여 다음과 같은 과정으로 진행된다.
저장탱크(1)에 극저온 유체가 충진된 이후에 가압용 밸브(3)을 통하여 비응축 가스를 주입함으로써 극저온 유체를 도 3의 P1까지 가압한다. 이때 압력 측정은 탱크 압력센서(7)로 이루어진다. 그 후 탱크 내에 있는 극저온 유체 전체를 가열식열교환기(33)를 이용하여 온도 T1 까지 가열하고 온도센서(8)을 이용하여 확인한다. 공급관의 충진과 냉각은 각각 극저온유체 공급밸브(14)와 공급관 냉각 및 배출용밸브(19)로 작은 유량의 유체를 흘려보냄으로써 이루어지며, 이때 유량센서(17)와 유량조절기(18)를 사용한다. 냉각의 정도는 온도센서(23)로 측정한다. 유량밸브(20)가 열린 상태에서 펌프(16)를 전기구동기나 가스구동기를 이용하여 요구되는 작동조건으로 회전시킨다. 펌프의 작동상태는 펌프 로터의 회전수와 유량 및 펌프 토출 압으로 결정된다.
유동의 포화상태는 유체가 오리피스(38)를 통과하면서 발생하는 압력감소에 의하여 펌프입구압이 도 3에서 P1에서 P2로 떨어짐으로써 얻어진다. 2상포화유동상태는 드레인밸브(5)를 통한 탱크압 감소와 오리피스(38)에 의하여 펌프입구압이 도 3의 P3까지 감소됨으로써 이루어진다. 2상상태의 확인을 위하여 압력센서(21), 온도센서(22) 및 기체상 유량측정기(15)가 사용된다. 이 시험방법에서는 2상상태의 수준을 변화시키기 위하여는 오리피스(38)의 교체가 요구되어 왔다. 위에 기술된 기존의 방법은 산소와 수소를 추진제로 사용하는 미국의 J-2로켓엔진과 러시아의 RD-56로켓엔진의 펌프시험에 사용되었다.
펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위한 기존의 시험설비는 한번의 시험에서 하나의 펌프작동조건만을 모사할 수 있었다. 본 발명은 이러한 단점을 개선하여 한번의 시험을 수행하는 동안 극저온유체의 여러 열역학적 상태를 변화시킬 수 있으며, 따라서 한번에 여러작동조건에 대한 시험수행을 가능하게 하였다. 이로써 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는데 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있으며 시험의 준비와 수행이 수월하게 된다.
본 발명은 극저온유체(예를 들면 액체산소, 액체수소 등)를 작동매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위한 설비에 관한 것이다.
펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위하여 캐비테이션 시험 설비는 펌프로 공급되는 극저온유체의 열역학적 상태를 변화시킬 수 있어야 한다. 본 발명에서는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위하여 추가의 기체상 공급라인을 설치하여 극저온 액체를 기체상으로 만들어서 펌프의 주공급관에 투입함으로서 기체상과 액체상의 극저온유체가 혼합된 후에 기체상의 응축이 발생한다. 이로써 펌프 입구로 들어가는 작동매질의 상태를 액체포화유동상태로 만들 수 있으며, 기체상의 공급을 늘림으로 해서 펌프입구의 유동상태를 2상포화유동상태로 만들 수 있다.
본 발명을 이용할 경우, 한번의 시험과정 중에 시험조건을 변화해가면서 펌프의 시험을 수행할 수 있으며 결과적으로 시험수행 횟수와 비용을 감소시킬 수 있 다.
본 발명에서는 기존의 캐비테이션 특성 측정 장치와는 달리 시험 수행 중에 작동유체의 열역학적 상태를 변화시킬 수 있고 탱크 내의 전체 유체를 가열할 필요가 없으므로 펌프의 캐비테이션 시험시 작업량을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한 단일 시험 수행 중에 여러 조건을 간단한 방법으로 바꾸어가며 시험을 수행할 수 있으므로 시험수행의 어려움을 경감하고 시험 준비와 수행에 소요되는 비용과 시간을 크게 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상은 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명에 사용되는 시험설비의 구조도이고, 도 2는 캐비테이션 특성 을 측정하는 종래 기술에 따른 시험설비의 구조도이고, 도 3은 액체포화유동상태 및 2상포화유동상태의 형성을 설명하기 위한 포화선도이고, 도 4는 펌프의 일반적인 캐비테이션 특성 설명을 위한 그래프이고, 도 5 극저온 액체에서 기체상으로의 응축과정을 보여주는 사진이다.
본 발명에 따른 펌프의 캐비테이션 특성 측정 시험설비는 도 1과 같은 구성으로 되어 있다. 본 발명에서 제시한 시험설비를 이용할 경우, 저장탱크(1)에 극저온 유체를 충진한 다음에 가열하는 과정이 생략된다. 극저온 유체 공급배관라인(31)의 냉각과 펌프(16)의 구동은 기존의 방법과 동일하지만, 작동 매질의 열역학적 상태 파라미터를 변화시키는 과정은 기존의 방법과 다르다.
즉, 본 발명에서는 펌프(16)입구에서 액체포화유동상태와 2상포화유동상태는 극저온 액체 공급배관관라인(31)에 극저온 액체의 기체상을 주입함으로써 기체상의 응축과 극저온 액체의 가열을 통하여 얻어진다.
도 1에서 보듯이, 본 발명은 극저온유체(액체산소, 액체수소 등)를 작동매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험 장치에 있어서, 저장탱크(1)로부터 펌프(16)로 연결된 극저온유체 공급배관라인(31)과 연결되어 극저온 액체를 기체상태로 만들어서 상기 펌프(16)의 흡입구에 공급해주는 기체상 공급배관라인(32)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험설비에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 기체상 공급배관라인(32)에는, 극저온 액체의 기체상 공급배관라인(32)으로의 공급, 또는 기체상 공급배관라인(32)에서의 배출을 각각 조절하는 유량밸브(10), 드레인밸브(26);와 극저온 액체를 가열하여 기체상으로 만드는 가열식열교환기(11);와 기체상의 온도, 압력, 그리고 유량을 각각 측정하는 기체상 유량센서(28), 기체상 압력센서(27, 29), 그리고 기체상 온도센서(30);와 기체상의 유량을 조절하는 기체상 공급용 압력조절기(13); 및 기체상을 상기 펌프(16)의 흡입구에 공급하는 것을 조절하는 기체상 공급밸브(25);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 기체상 공급배관라인(32)에는, 상기 드레인밸브(26)의 앞에 설치되어 드레인되는 기체상의 양 및 드레인 속도을 조절하는 오리피스(37);와 상기 기체상 공급밸브(25)의 앞에 설치되어 공급되는 기체상의 양 및 공급 속도를 조절하는 오리피스(12); 및 상기 기체상 공급밸브(25)와 오리피스(12) 사이에 설치되어 기체상의 압력, 온도를 각각 측정하는 기체상 압력센서(35), 기체상 온도센서(36);을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명은 펌프의 캐비테이션 특성을 시험하는 방법에 사용되던 설비 중 일정한 압력 하에서 작동 매질을 포화상태 혹은 2상태까지 내부에너지를 변화시키면서 시험을 수행하는 방식에 사용되던 도 2에 도시된 시험 설비를 개선한 것이다.
상세히 설명하면, 본 발명은 펌프(16)의 캐비테이션 시험을 위한 극저온 액체를 담고 있는 저장탱크(1)와 저장탱크(1)로부터 펌프(16)로 연결된 극저온유체 공급배관라인(31) 그리고 극저온 액체를 기체상으로 만들어서 극저온유체 공급배관라인(31)에 투입하기 위한 기체상 공급배관라인(32)으로 구성되어 있다. 기체상 공급배관라인(32)에는 가열식열교환기(11)가 설치되어 극저온 액체를 가열하여 기체 상으로 만들고, 기체상의 유량을 조절함에 따라 펌프(16)의 입구에서 액체포화유동상태 및 2상(증기상 포함)포화유동상태을 만들 수 있게 되어 있다.
이러한 조건을 만들기 더욱 용이하게 하기 위해, 상기 기체상 공급배관라인(32)에는 유량밸브(10), 드레인밸브(26), 가열식열교환기(11), 기체상 유량센서(28), 기체상 압력센서(27, 29), 기체상 온도센서(30), 기체상 공급용 압력조절기(13), 및 기체상 공급밸브(25)를 포함할 수 있다.
또한, 추가적으로 오리피스(37,12), 기체상 압력센서(35) 및 기체상 온도센서(36)를 더 포함할 수 있다.
이하, 상기 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험설비를 이용하여 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험을 설명한다.
본 발명은 극저온유체(액체산소, 액체수소 등)를 작동매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험 방법에 있어서,
기체상 공급배관라인(32)의 유량밸브(10) 및 드레인밸브(26)을 열어 극저온 액체를 주입하고, 주입된 극저온 액체는 가열식열교환기(11)로 가열하여 기체상으로 만드는 단계(S11);와 상기 S11 단계에서 만들어진 기체상을 기체상 공급밸브(25)는 열고 드레인밸브(26)는 닫은 상태에서 극저온유체 공급배관라인(31)에 투입하여 펌프(16)의 흡입구에서 액체포화유동상태를 얻은 후 그 상태에서 펌프(16)의 캐비테이션을 특성을 측정하는 단계(S12); 및 상기 S12 단계의 상태에서 기체상 공급용 압력조절기(13)의 압력을 높여 기체상의 유량을 증가시켜 펌프(16)의 흡입구에서 2상(증기상 포함)포화유동상태를 얻은 후 기체상의 압력증가와 유량증가를 각각 기체상 압력센서(27) 및 기체상 유량센서(28)로 측정하여 펌프(16)에 공급되는 극저온 유체에 포함된 기체상(증기)량에 따른 펌프(16)의 캐비테이션 특성을 측정하는 단계(S13);를 포함하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명을 상세히 풀어서 설명하면, 기체상 공급배관라인(32)에서 유량밸브(10)와 드레인밸브(26)를 열고, 가열식열교환기(11)을 이용하여 극저온 액체(기체상이 포함된 것도 해당)를 가열하여 기체상으로 만든다. 이때 기체상의 온도, 압력 그리고 유량은 기체상 유량센서(28), 기체상 압력센서(29), 및 기체상 온도센서(30)를 사용하여 측정한다. 액체포화유동상태를 얻기 위하여 기체상 공급밸브(25)를 열고 드레인밸브(26)을 닫는다. 기체상 공급밸브(25)를 통하여 극저온유체 공급배관라인(31)에 기체상이 투입되며 이때 펌프(16)의 캐비테이션 특성을 측정한다. 그 후 2상포화유동상태를 얻기 위하여 기체상 공급용 압력조절기(13)로 압력을 높임으로 기체상의 유량을 증가시킨다. 기체상의 압력증가와 유량증가는 기체상 압력센서(27)와 기체상 유량센서(28)로 측정되며, 펌프(16)에 공급되는 극저온 유체에 포함된 기체상(증기)량에 따른 펌프(16)의 캐비테이션 특성을 측정한다. 일반적인 펌프의 캐비테이션 특성은 도 4와 같다.
도 4는 기체(증기)와 액체의 부피비(δ)에 따른 개략적인 펌프의 양정 변화 를 나타내는 곡선이다. 여기서, Uvapor 은 기체의 부피이고, Uliquid 는 액체의 부피이다.
또한, 도 3은 액체포화유동상태 및 2상포화유동상태의 형성을 설명하기 위한 포화선도이며, 도 3에서 Ps 와 Ts 는 저장탱크에 충진 후 포화상태에서 액체의 압력과 온도이며, Tl 은 가열 후 탱크 내 온도, Pl 은 탱크의 가압 압력, P2 와 P3 는 펌프 입구의 압력, T2 와 T3 는 P2 와 P3 시에 포화상태에 해당하는 펌프 입구에서의 온도, Ts1 은 탱크 내 압력에서의 포화온도이다.
액체포화유동상태와 2상포화유동상태를 만들기 위한 기체상의 질량유량은 에너지방정식을 변형한 형태인 아래의 식(A)으로 계산할 수 있다.
mg1/ml1={cl(Tl2-Tl1)+rlδρg2/ρl2}/{cg(Tg1-Tl1)+rg} (A)
여기서 ml 과 mg 는 액체와 기체의 유량, cl 과 cg 는 액체와 기체의 비열, Tl 과 Tg 는 액체와 기체의 온도, rl 과 rg 는 액체의 기화열과 기체의 응축열, ρl 과 ρg 는 액체와 기체의 밀도, δ는 기체상과 액체상의 부피비이며, 인덱스 1과 2는 각각 기체상 공급배관라인(32)의 입구와 펌프(16)의 입구를 의미한다.
모사하고자 하는 포화액체상태는 δ2=0 에 해당하고, 2상포화유동상태일 때는 δ2>0 이다. Tl1은 탱크 내 압력에서의 포화온도 Ts1 보다 작다고 간주된다.
극저온유체 공급배관라인(31)에 기체상의 투입은 펌프 입구로부터 기체상과 액체상의 혼합영역의 길이(lmix)와 압력센서(21), 온도센서(22) 및 유동 내 기체상 유량(증기량)측정기(15)가 설치되는 길이의 합만큼 떨어진 위치에서 이루어진다. 기체상과 액체상의 혼합영역의 길이(lmix)는 극저온 액체에서의 기체상 응축에 관한 실험적인 연구결과로 얻어진 실험식 (B)로써 결정할 수 있다.
lmix = d[2.4+Lp(0.33Lp-1.5)Re0.3Pr0 .5/Ia] (B)
여기서, lmix=기체상과 액체상의 혼합영역의 길이, d=극저온유체 공급배관라인에 기체상을 공급하기 위한 파이프의 직경, Lp(Laplace number=ρlνl(wg-wl)/σl), Re(Reynolds number=wlDπ pe/νl), Pr(Prandtl number=ρlνlcl/λl), Ia(Jacob number=cl(Ts-Tl)ρl/ρlrl), wl 과 wg 는 공급관에서의 액체속도와 액체의 유동속에서 기체상의 속도, Tl 과 Ts 는 액체의 온도와 포화온도, λl 과 νl 은 열전도계수 및 동점성계수, ρl 과 ρg 는 액체와 기체의 밀도, rl 과 cl 은 액체의 기화열 및 비열이다.
기체상과 액체상의 혼합영역(lmix)은 기체상의 비평형 응축과정이 이루어지는 공급관내 영역으로 도 5의 사진에 도해 되어 있다. 도 5의 (a)는 Lp>1일 때 액체질소에 기체질소가 투입될 시의 혼합과정을 보여주는 사진이고, 도 5의 (b)는 Lp<1일 때 액체질소에 기체질소가 투입될 시의 혼합과정을 보여주는 사진이다.
기체상 투입지점과 펌프 사이의 길이(l)가 기체상과 액체상의 혼합영역보다 클 경우(l>lmix) 펌프입구에서 열적으로 평형인 균질 유동이 형성된다(도 5의 (a)). 그러나 액체상과 기체상의 물리적 성질에 따라 Lp 가 0.4~0.8보다 작을 경우 액체 유동 내에 불안정한 기체 흐름이 발생하여 흐르는 액체의 위쪽으로 떠오르며, 길이 lmix 내에서 응축이 완료되지 못한다(도 5의 (b)). 그러므로 공급 기체상의 압력은 Lp ≥ 1 인 조건을 만족시키는 속도를 만들어 낼 수 있어야 한다. 즉, 공급 기체상의 압력이 높아지면 공급 기체상의 속도가 빨라질 것이고, 공급 기체상의 속도가 빨라지면 Lp 가 커질 것이므로, 공급 기체상의 압력은 Lp ≥ 1 을 만족시킬 수 있을 만큼의 속도를 가질 수 있도록 충분히 커야 한다는 의미이다.
이와 같은 방법으로 발명의 시험설비를 이용하여 펌프입구에서 작동 유체의 열역학적 상태를 신속히 변화시킴으로써 공급 유체의 온도가 포화온도보다 작은 상태, 포화상태까지 가열된 상태, 그리고 기체상(증기)이 포함된 포화상태에서 캐비테이션 시험을 연속적으로 수행할 수 있다.
캐비테이션 시험의 수행은 상기 작동 유체의 열역학적 상태를 신속히 변화시켜 다양한 상태를 만든 후에 각 상태에서의 기체의 부피와 액체의 부피를 산정하여 도 4을 이용하여 기체와 액체의 부피비에 따른 양정을 찾아냄으로써 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 사용되는 시험설비의 구조도이고,
도 2는 캐비테이션 특성을 측정하는 종래 기술에 따른 시험설비의 구조도이고,
도 3은 액체포화유동상태 및 2상포화유동상태의 형성을 설명하기 위한 포화선도이고,
도 4는 펌프의 일반적인 캐비테이션 특성 설명을 위한 그래프이고,
도 5 극저온 액체에서 기체상으로의 응축과정을 보여주는 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 저장탱크 3 : 가압용 밸브
5 : 드레인밸브 12,37,38 : 오리피스
7 : 탱크 압력센서 8 : 온도센서
10 : 유량밸브
11,33 : 가열식 열교환기 13 : 기체상 공급용 압력조절기
14 : 극저온 유체 공급밸브 15 : 기체상 유량(증기량)측정기
16 : 펌프 17 : 유량센서
18,34 : 유량 조절기 19 : 공급관 냉각 및 배출용 밸브
20 : 유량 밸브 21,24 : 압력센서
22,23 : 온도센서 25 : 기체상 공급 밸브
26 : 드레인 밸브 27,29,35 : 기체상 압력센서
28 : 기체상 유량센서 30,36 : 기체상 온도센서
31 : 극저온유체 공급배관라인 32 : 기체상 공급배관라인

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 극저온유체(액체산소, 액체수소 등)를 작동매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험 장치에 있어서,
    저장탱크(1)로부터 펌프(16)로 연결된 극저온유체 공급배관라인(31)과 연결되어 극저온 액체를 기체상태로 만들어서 상기 펌프(16)의 흡입구에 공급해주는 기체상 공급배관라인(32)을 포함하여 구성되고,
    상기 기체상 공급배관라인(32)에는,
    극저온 액체의 기체상 공급배관라인(32)으로 공급, 또는 기체상 공급배관라인(32)에서 배출을 각각 조절하는 유량밸브(10), 드레인밸브(26);와 극저온 액체를 가열하여 기체상으로 만드는 가열식열교환기(11);와 기체상의 온도, 압력, 그리고 유량을 각각 측정하는 기체상 유량센서(28), 기체상 압력센서(27, 29), 그리고 기체상 온도센서(30);와 기체상의 유량을 조절하는 기체상 공급용 압력조절기(13); 및 기체상을 상기 펌프(16)의 흡입구에 공급하는 것을 조절하는 기체상 공급밸브(25);를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험설비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기체상 공급배관라인(32)에는,
    상기 드레인밸브(26)의 앞에 설치되어 드레인되는 기체상의 양 및 드레인 속도을 조절하는 오리피스(37);와 상기 기체상 공급밸브(25)의 앞에 설치되어 공급되는 기체상의 양 및 공급 속도를 조절하는 오리피스(12); 및 상기 기체상 공급밸브(25)와 오리피스(12) 사이에 설치되어 기체상의 압력, 온도를 각각 측정하는 기체상 압력센서(35), 기체상 온도센서(36);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험설비.
  4. 극저온유체(액체산소, 액체수소 등)를 작동매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험 방법에 있어서,
    기체상 공급배관라인(32)의 유량밸브(10) 및 드레인밸브(26)를 열어 극저온 액체를 주입하고, 주입된 극저온 액체를 가열식열교환기(11)로 가열하여 기체상으로 만드는 단계(S11);와
    상기 S11 단계에서 만들어진 기체상을 기체상 공급밸브(25)는 열고 드레인밸브(26)는 닫은 상태에서 극저온유체 공급배관라인(31)에 투입하여 펌프(16)의 흡입구에서 액체포화유동상태를 얻은 후 그 상태에서 펌프(16)의 캐비테이션을 특성을 측정하는 단계(S12); 및
    상기 S12 단계의 상태에서 기체상 공급용 압력조절기(13)의 압력을 높여 기체상의 유량을 증가시켜 펌프(16)의 흡입구에서 2상(증기상 포함)포화유동상태를 얻은 후 기체상의 압력증가와 유량증가를 각각 기체상 압력센서(27) 및 기체상 유량센서(28)로 측정하여 펌프(16)에 공급되는 극저온 유체에 포함된 기체상(증기)량에 따른 펌프(16)의 캐비테이션 특성을 측정하는 단계(S13);를 포함하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 S12 단계에서,
    상기 펌프(16)의 흡입구에서 액체포화유동상태를 얻기 위해 상기 펌프(16)와 연결된 극저온유체 공급배관라인(31)에 기체상이 투입되어야 하는 위치(lmix)를 하기의 [실험식]를 사용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험방법.
    [실험식]
    lmix = d[2.4+Lp(0.33Lp-1.5)Re0.3Pr0 .5/Ia]
    여기서, lmix=기체상과 액체상의 혼합영역의 길이, d=극저온유체 공급배관라인에 기체상을 공급하기 위한 파이프의 직경, Lp(Laplace number=ρlνl(wg-wl)/σ l), Re(Reynolds number=wlDπ pe/νl), Pr(Prandtl number=ρlνlcl/λl), Ia(Jacob number=cl(Ts-Tl)ρl/ρlrl), wl 과 wg 는 공급관에서의 액체속도와 액체의 유동속에서 기체상의 속도, Tl 과 Ts 는 액체의 온도와 포화온도, λl 과 νl 은 열전도계수 및 동점성계수, ρl 과 ρg 는 액체와 기체의 밀도, rl 과 cl 은 액체의 기화열 및 비열.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 S12 단계 또는 S13 단계에서,
    상기 펌프(16)의 흡입구에서 액체포화유동상태 또는 2상포화유동상태를 얻기 위해 공급 기체상의 압력은 '무차원 Lp(Laplace number=ρlνl(wg-wl)/σl)≥1' 인 조건을 만족시키는 속도를 만들어 낼 수 있는 것을 특징으로 하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험방법.
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