KR101170412B1 - 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법 - Google Patents

재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법에 관한 것으로, 상세하게는 구리 합금을 진공 또는 대기주조 공정에 의하여 실린더 구조물을 제작하는 단계, 상기 실린더 구조물을 단조하고 압연하여 일정한 두께를 갖는 원형판을 제작하는 단계, 상기 원형판을 열처리 및 기계 가공한 다음, 스피닝 가공하여 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작한 후 열처리하는 단계를 포함함으로써, 연소기 챔버의 내측 구조물의 그레인 사이즈가 균일화, 미세화되어, 연소기 챔버의 외측 구조물과의 조립을 위한 내측 구조물의 벌징 공정에 있어서 구조물의 네킹(necking), 파손이 발생되지 않아 신뢰성 향상의 효과를 누릴 수 있는 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법에 관한 것이다.

Description

재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법{MANUFACTURING METHOD OF INNER JACKET OF REGENERATIVE COOLING COMBUSTION CHAMBER}
본 발명은 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법에 관한 것으로, 상세하게는 구리 합금을 진공 또는 대기 주조 공정에 의하여 실린더 구조물을 제작하는 단계, 상기 실린더 구조물을 단조하고 압연하여 일정한 두께를 갖는 원형판을 제작하는 단계, 상기 원형판을 열처리 및 기계 가공한 다음, 스피닝 가공하여 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작한 후 열처리하는 단계를 포함함으로써, 연소기 챔버의 내측 구조물의 그레인 사이즈가 균일화, 미세화되어, 연소기 챔버의 외측 구조물과의 조립을 위한 내측 구조물의 벌징 공정에 있어서 구조물의 네킹(necking), 파손이 발생되지 않아 신뢰성 향상의 효과를 누릴 수 있는 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로, 액체로켓 연소기 재생 냉각형 연소기 챔버는 각기 다른 재료를 사용한 내측 구조물과 외측 구조물을 조립하여 제작된다. 상기 내측 구조물은 연소기 챔버 내부에서 발생된 고온의 연소가스로부터 챔버 구조물을 보호하기 위하여 열전도성과 강도가 좋은 구리 합금을 이용하여 제작하며, 냉각을 위하여 연료가 유동할 수 있는 냉각채널을 가공한다. 상기 외측 구조물은 연소기 챔버 내부에서 생성된 고압의 연소가스로부터 챔버가 구조적으로 안정하게 작동되도록 상기의 내측 구조물의 외측에 조립되며, 일반적으로 강도가 매우 좋은 고강도 스틸 등을 사용한다.
상기와 같은 연소기 챔버를 제작하는 방식으로 현재 전 세계적으로 사용되고 있는 방법은 크게 두 가지로 분류할 수 있다.
첫 번째 방법은 냉각 채널이 가공된 챔버 형상의 구리 합금 내측 구조물을 가공한 후, 이 내측 구조물의 외측에 전해 도금(electroplating) 방식으로 니켈(Ni)층을 생성하여 재생 냉각형 연소기 챔버를 완성한다. 이 방식으로 제작되고 있는 연소기는 벌케인(vulcain) 연소기가 있다.
두 번째 방법은 현재 러시아와 국내에서 사용하는 방식으로, 구리 합금 내측 구조물과 외측 구조물을 기계 가공한 후, 상기 내측 구조물과 외측 구조물을 조립하여 브레이징(brazing)하는 방식이다. 이 때, 구리 합금 내측 구조물과 고강도 스틸 외측 구조물을 각각 필요한 형상으로 기계 가공한 후에 브레이징을 위하여 조립한다.
도 1은 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상을 나타낸 모식도이고, 도 2는 벌징(bulging) 공정의 모식도이다.
도 1에서도 알 수 있듯, 본 형상은 노즐목(10)을 기준으로 실린더부(20)와 노즐부(30)가 노즐목(10) 직경에 비하여 크기 때문에 내측 구조물과 외피 구조물을 조립하는데 어려움이 있다. 따라서 구리 합금 내측 구조물과 외측 구조물을 조립될 수 있는 형상으로 설계/제작한 후 양 구조물을 조립한 다음, 도 2에 나타낸 바와 같이 벌징 공정을 이용하여 실린더 형태의 내측 구조물을 노즐 형상으로 변형시켜 재생 냉각형 연소기 챔버를 제작한다.
상기 벌징 공정에 의하여 구리 합금 내측 구조물의 실린더부를 노즐형상으로 변형시키면 상기 실린더부에는 대 변형이 발생된다. 일반적으로 금속 재료는 재료가 갖고 있는 성형 한계(forming limit) 이상으로 변형되면 네킹(necking) 또는 파손이 발생된다. 또한 금속 재료에서 그레인 사이즈가 불균일하고, 크게 형성되어 있다면, 동일한 금속 재료를 사용하더라도 그레인 사이즈가 작고 균일한 경우에서보다 네킹이나 파손이 더 쉽게 발생하게 된다. 액체 로켓 재생 냉각형 연소기 챔버의 제작에서도 구리 합금 내측 구조물의 실린더부를 노즐 형상으로 변형시키면 대 변형이 발생하기 때문에 벌징공정에서 네킹 또는 파손이 발생하게 된다. 그러므로 벌징 공정에서 발생되는 변형에 의하여 내측 구조물이 손상되는 것을 방지하기 위해서는 벌징되는 실린더부의 길이를 작게 하여, 즉 최종적으로 변형되는 노즐의 확대비를 작게 하여 구조물에 발생되는 변형 정도를 작게 하면 된다. 이 경우 벌징 공정으로 변형된 노즐의 끝단은 용접으로 확대비가 더 큰 노즐 확장부와 연결된다. 연소기 챔버에서 연소가스에 의한 열하중이 가장 큰 영역은 노즐목 부분으로서, 이 노즐목에서 가까운 곳에 더 큰 노즐부와 용접으로 연결할 때 가능한 노즐목에서 멀리 떨어질수록 받는 열하중이 작기 때문에 냉각 성능이 떨어지는 용접부를 구조적으로 안정하게 할 수 있다. 따라서 벌징 공정으로 생성되는 노즐은 재료의 성형한계 특성을 고려하여 가능한 최대한의 확대비를 갖도록 설계된다. 이와 같은 최대한의 직경 확대비를 갖는 형상으로 실린더 형상을 노즐형상으로 변형시킬 때 네킹 또는 파손 없이 변형이 가능하도록 하는 것은 매우 중요한 사항이다. 구리 합금 내측 구조물은 냉각 채널이 가공된 상태에서 벌징 공정이 수행되는데, 이러한 냉각 채널을 정밀하게 가공하기 위해서는 많은 시간과 비용이 필요하게 된다. 따라서 벌징 공정이 실패하면 시간적으로나 비용적으로 많은 손실이 발생하게 되므로, 구리 합금 내측 구조물이 설계된 노즐 형상으로 변형되는 과정에서 네킹과 파손이 발생되지 않도록 재료적 특성을 갖는 것이 매우 중요하다.
이러한 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물 제작을 위해, 종래에는 도 3, 4에서 도시한 바와 같이, 구리 합금 재료를 주조하여 원형 봉재 형상으로 제작한 후 내측 구조물로 가공하기 위하여 단조 공정을 행하였는데, 구체적으로는 해머링을 통하여 구리 합금(1)을 단조처리 한 후 내측 구조물(2) 형상으로 가공하거나(도 3), 구리 합금(1) 내부에 단조용 삽입봉(3)을 삽입하여 해머링을 통해 단조처리 한 후 내측 구조물(2) 형상으로 가공하는 것(도 4)이 일반적이었다.
그러나 일반적으로 도 3, 4에 나타낸 방법으로 내측 구조물을 생성한 후, 그 재료의 조직형상을 분석하면 그레인 사이즈가 매우 크고, 불균일하게 분포한다. 그레인 사이즈가 크고, 불균일하게 분포하는 경우에는 벌징 공법으로 노즐 형상을 제작할 때 작은 변형에도 구조물에 네킹(necking) 또는 파손이 발생된다. 이러한 네킹 또는 파손이 발생되는 까닭은, 제작하고자 하는 챔버의 형상이 원형이고, 이 형상으로 가공하기 위한 구조물의 형상이 원형이기 때문에 균일하게 재료에 단조효과를 주기 어렵기 때문이다.
따라서, 불균일한 단조효과로 인한 벌징 공정에서의 네킹, 파손 현상을 개선하기 위한 새로운 제작방법이 필요한 실정이었다.
본 발명은 상기한 요구조건을 만족시키는, 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리 합금을 진공 또는 대기주조 공정에 의하여 실린더 구조물을 제작하는 단계, 상기 실린더 구조물을 단조하고 압연하여 일정한 두께를 갖는 원형판을 제작하는 단계, 상기 원형판을 열처리 및 기계 가공한 다음, 스피닝 가공하여 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작한 후 열처리하는 단계를 포함함으로써, 연소기 챔버의 내측 구조물의 그레인 사이즈가 균일화, 미세화되어, 연소기 챔버의 외측 구조물과의 조립을 위한 내측 구조물의 벌징 공정에 있어서 구조물의 네킹(necking), 파손이 발생되지 않아 신뢰성 향상의 효과를 누릴 수 있는 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법은, 구리 합금을 진공 또는 대기주조 공정에 의하여 실린더 구조물을 제작하는 단계, 상기 실린더 구조물을 단조하고 압연하여 일정한 두께를 갖는 원형판을 제작하는 단계, 상기 원형판을 열처리 및 기계 가공한 다음, 스피닝 가공하여 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 본 발명의 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작 방법은, 상기 스피닝 가공을 마치고 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작된 구조물을 조직을 재결정화하기 위하여 열처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 구리 합금은 구리, 크롬, 철, 납, 아연, 마그네슘, 니켈, 규소를 포함할 수 있으며, 더 구체적으로 상기 구리 합금은 전체 중량 중 0.4 ~ 0.7중량%의 크롬, 0.06중량% 이하의 철, 0.005중량% 이하의 납, 0.015중량% 이하의 아연, 0.002중량% 이하의 마그네슘, 0.02중량% 이하의 니켈, 0.05중량% 이하의 규소, 0.01중량% 이하의 인 및 잔부의 구리를 포함할 수 있다.
본 발명의 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작 방법에 의하면, 그 재료인 구리 합금의 그레인 사이즈가 균일, 미세화되므로, 브레이징 방식으로 연소기 챔버를 제작할 때 필수적으로 적용되는 벌징 공정에서 상기 구조물의 네킹 또는 파손이 발생되지 않아 벌징 실패로 인하여 발생되는 재생 냉각형 연소기 챔버의 제작시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 반복되는 재생 냉각형 연소기 챔버의 연소시험에 대한 피로 수명을 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상을 나타낸 모식도이다.
도 2는 벌징(bulging) 공정의 모식도이다.
도 3은 종래의 단조 공정으로서, 주조를 마친 원형 봉재를 내측 구조물로 가공하는 단조 방식을 나타낸 모식도이다.
도 4는 종래의 단조 공정으로서, 주조를 마친 원형 봉재의 중앙에 홀을 만들고 단조용 삽입봉을 삽입한 후 내측 구조물로 가공하는 단조 방식을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 의한 재생 냉각형 연소기 챔버의 제작 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명에 의한 재생 냉각형 연소기 챔버의 제작방법의 일부로, 스피닝 가공 전, 구리 합금 재료를 용융, 단조, 압연 및 기계가공 공정을 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명에 의한 재생 냉각형 연소기 챔버의 제작 방법의 일부로, 도 6에서 제작된 구리 합금 가공품을 스피닝 가공을 적용하여 연소기 챔버 형상으로 제작하는 공정을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면에 의하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 의한 재생 냉각형 연소기 챔버의 제작 방법의 순서도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이 본 발명의 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법은, 구리 합금을 진공 또는 대기주조 공정에 의하여 실린더 구조물을 제작하는 단계, 상기 실린더 구조물을 단조하고 압연하여 일정한 두께를 갖는 원형판을 제작하는 단계, 상기 원형판을 열처리 및 기계 가공한 다음, 스피닝 가공하여 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작하는 단계를 포함하여 이루어진다.
도 6은 상기한 본 발명에 의한 재생 냉각형 연소기 챔버의 제작방법의 일부로, 스피닝 가공 전, 구리 합금 재료를 용융, 단조, 압연 및 기계가공 공정을 나타낸 모식도이며, 도 7은 본 발명에 의한 재생 냉각형 연소기 챔버의 제작 방법의 일부로, 도 6에서 제작된 구리 합금 가공품을 스피닝 가공을 적용하여 연소기 챔버 형상으로 제작하는 고정을 나타낸 모식도인바, 도 6 및 7을 통하여 본 발명의 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 6에 나타낸 바와 같이, 구리 합금의 제조를 위하여 구리와 크롬, 철, 납, 아연, 마그네슘, 니켈, 규소를 포함하는 기타 금속을 용해로에 투입하여 주조품(100)을 만든다. 여기에서 상기 구리 합금의 제조에 사용되는 기타 금속은, 구리 합금 전체 중량 중 0.4 ~ 0.7중량%의 크롬, 0.06중량% 이하의 철, 0.005중량% 이하의 납, 0.015중량% 이하의 아연, 0.002중량% 이하의 마그네슘, 0.02중량% 이하의 니켈, 0.05중량% 이하의 규소, 0.01중량% 이하의 인을 포함할 수 있다.
이렇게 제조된 구리 합금 주조품(100)을 소성 유동하기 쉬운 상태로 만들고, 압축력 또는 충격력을 가하여 단련함으로써 조직을 균일하게 만들어주는 단조공정을 행한다. 이로써 구리 합금 단조품(200)이 제조된다. 여기에서 단조공정 자체는 당업자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
단조 공정이 완료되면, 상기 구리 합금 단조품(200)을 재결정 온도 이상 또는 이하로 가열하여 주면서 압연기에 통과시켜줌으로써 압연한다. 압연 공정을 통하여 상기 구리 합금 단조품의 스케일(scale)을 없애고, 캐스트 구조(cast structure)를 쪼개며, 두께를 줄이게 된다. 이로써 구리 합금 압연품(300)이 제조된다. 여기에서 압연 공정 자체는 당업자에게 자명한 사항이다.
압연 공정이 완료되면, 상기 구리 합금 압연품(300)에 대하여 열처리하여 그레인 사이즈를 미세화시키고, 추후 스피닝 가공에 의하여 챔버 형상으로 제작되는 내측 구조물의 오픈부(410)를 기계적 가공에 의하여 형성한 구리 합금 가공품(400)을 제조한다.
상기 열처리 및 기계 가공이 완료되면 스피닝 가공을 행하는데, 도 7에 나타낸 바와 같이, 먼저 상기 구리 합금 가공품(400)을 직선 경사를 갖는 스피닝 장비(X)에 장착하고 롤러(Y)를 사용하여 밀어줌으로써 스피닝 가공한다(도 7a). 여기에서 상기 구리 합금 가공품(400)의 오픈부(410)를 스피닝 장비(X)의 축방향 일단부에 끼워 고정함으로써 가공이 용이하게 된다.
시어 스피닝 가공이 완료되면, 도 7b에서와 같이 구리 합금 가공품(400)을 연소기 챔버 형상의 치구가 조립된 스피닝 장비(X')에 장착하고 스피닝 가공한다. 이 경우 도 7c에서와 같이 연소기 챔버의 형상으로 가공되며, 열처리를 통하여 구리 합금의 그레인 사이즈가 균일하면서도 미세하게 된다. 이 때 스피닝 공정은 열간, 냉간 공정이 모두 가능하지만, 추후 열처리에 의해 그레인 사이즈를 미세화, 균일화하기 위해서는 냉간 공정에 의함이 바람직하다. 열간 공정 시 공정 온도는 재료의 재결정온도 이하로 하는 것이 바람직하며, 상기 온도범위를 벗어나면 최종공정 후 구조물의 그레인 사이즈가 조대화된다.
여기에서, 본 발명은 상기 스피닝 가공을 마치고 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작된 내측 구조물을 재결정화하기 위하여 열처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 이러한 열처리를 통하여 구리 합금의 그레인 사이즈를 더욱 미세화, 균일화할 수 있게 된다. 상기 열처리 온도는 600~900℃인 것이 바람직하며, 상기 온도범위를 벗어나는 경우에는 재결정이 되지 않거나, 그레인 사이즈가 조대화되는 문제가 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 설명하였으나, 이는 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지 다양한 변화 및 변형이 가능함은 본 기술분야에서 통상적으로 숙련된 당업자에게 분명하다.

Claims (4)

  1. 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법에 있어서,
    구리 합금을 진공 또는 대기주조 공정에 의하여 실린더 구조물을 제작하는 단계;
    상기 실린더 구조물을 단조하고 압연하여 일정한 두께를 갖는 원형판을 제작하는 단계;
    상기 원형판을 열처리 및 기계 가공한 다음, 스피닝 가공하여 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작하는 단계;
    를 포함하는 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스피닝 가공을 마치고 재생 냉각형 연소기 챔버의 형상으로 제작된 구조물을 재결정화하기 위하여 열처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 구리 합금은 구리, 크롬, 철, 납, 아연, 마그네슘, 니켈, 규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 구리 합금은 전체 중량 중 0.4 ~ 0.7중량%의 크롬, 0.06중량% 이하의 철, 0.005중량% 이하의 납, 0.015중량% 이하의 아연, 0.002중량% 이하의 마그네슘, 0.02중량% 이하의 니켈, 0.05중량% 이하의 규소, 0.01중량% 이하의 인 및 잔부의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 냉각형 연소기 챔버의 내측 구조물의 제작방법.
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