KR100756520B1 - 연소불안정 저감을 위한 음향학적 감쇠기능성 스월 인젝터가 장착된 모델 챔버 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소시 발생하는 고주파 연소 불안정을 방지할 수 있도록 구조가 개선된 스월 인젝터(swirl injector) 및 이 인젝터가 장작된 모델 챔버 조립체에 관한 것이다.

본 발명에 따른 모델 챔버 조립체는 통로부와, 연료가 공급되며 그 공급된 연료가 상기 통로부 내에서 나선형을 형성하도록 상기 통로부와 그 통로부의 접선방향으로 연결되어 있는 유입로를 가지는 다수의 스월 인젝터(swirl injector); 및 상기 각 스윌 인젝터의 통로부를 통해 유출되는 상기 연료가 유입되는 연소실을 가지는 실린더부재;를 구비하는 모델 챔버 조립체에 있어서, 상기 스윌 인젝터들 각각은, 상기 연료의 연소시 상기 연소실에서 발생되는 고주파 연소 불안정이 방지되도록 상기 통로부로부터 상기 연료의 연소실쪽으로의 이동방향과 반대방향으로 연장되도록 형성되며 상기 통로부와 연결되어 있으며 상기 연료가 유동 가능한 백홀부를 더 구비하며, 상기 스월 인젝터들의 백홀부들 중 적어도 2개의 백홀부들은 각각 그 백홀부의 길이가 서로 다르게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

스월 인젝터, 공명 주파수, 고주파 연소 불안정

Description

연소불안정 저감을 위한 음향학적 감쇠기능성 스월 인젝터가 장착된 모델 챔버 조립체{Acoustic damping swirl injector installed model chamber assembly for reduction of combustion instability}

도 1은 내연기관에서의 고주파 연소 불안정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모델 챔버 조립체에서 연료가 분사되는 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 스월 인젝터의 확대도이다.

도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.

도 5는 감쇠 인자의 정의를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 감쇠율/사이클의 정의를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 인젝터가 설치되지 않은 실린더부재에 있어서 연소실에서 발생되는 음향파의 주파수 응답 선도이다.

도 8은 본 발명에 따른 백홀부를 가지는 인젝터와 백홀부를 가지지 않은 인젝터 각각의 주파수 응답 선도이다.

도 9는 본 발명에 따른 인젝터가 설치되지 않은 실린더부재에 있어서 1200Hz이하의 주파수 범위에서의 주파수 응답 선도 및 감쇠 인자의 값을 나타낸다.

도 10은 본 발명에 따른 인젝터가 설치되지 않은 실린더부재를 1T 모드 및 1L1T 모드에서의 공명 주파수로 가진함으로써 얻어진 과도 응답 선도이다.

도 11은 본 발명에 따른 인젝터를 가지는 모델 챔버 조립체를 연료가 공급되지 않은 상태에서 가진함으로써 얻어진 1T모드에서의 주파수 응답 선도이다.

도 12는 본 발명에 따른 인젝터를 가지는 모델 챔버 조립체를 물이 공급된 상태에서 가진함으로써 얻어진 1T모드에서의 주파수 응답 선도이다.

도 13은 본 발명에 따른 인젝터를 가지는 모델 챔버 조립체를 물이 공급된 상태에서 1T모드로 가진함으로써 얻어진 과도 응답 선도이다.

도 14는 본 발명에 따른 인젝터를 가지는 모델 챔버 조립체를 연료가 공급되지 않은 상태에서 가진함으로써 얻어진 1L1T모드에서의 주파수 응답 선도이다.

도 15는 본 발명에 따른 인젝터를 가지는 모델 챔버 조립체를 물이 공급된 상태에서 가진함으로써 얻어진 1L1T모드에서의 주파수 응답 선도이다.

도 16은 본 발명에 따른 인젝터를 가지는 모델 챔버 조립체를 물이 공급된 상태에서 1L1T모드로 가진함으로써 얻어진 과도 응답 선도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...스월 인젝터 11...통로부

12...유입로 13...백홀부

20...실린더부재 21...연소실

100...모델 챔버 조립체

본 발명은 연소불안정 저감을 위한 음향학적 감쇠기능성 스월 인젝터 및 모델 챔버 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소시 발생하는 고주파 연소 불안정을 방지할 수 있도록 구조가 개선된 스월 인젝터(swirl injector) 및 이 인젝터가 장작된 모델 챔버 조립체에 관한 것이다.

로켓 등과 같은 내연기관에서는 연소시 일반적으로 고주파 연소 불안정이 발생하게 되는데, 그 과정을 도 1을 참조하면서 설명하기로 한다. 도 1을 참조하면, 연소실 내의 공기는 외력(f_ext)을 받아 일정한 고유 진동수를 가지는 음향파를 발생시키게 되며, 상기 연소실에서의 연소시 발생되는 열도 일정한 주파수를 가지면서 발생하게 된다. 그런데, 상기 음향파와 연소시 발생하는 열이 서로 위상이 동일하게 되면, 공명 현상이 발생하게 되어 고주파 연소 불안정이 초래되게 된다.

한편, 상기 고주파 연소 불안정은 연소되는 연료의 양, 연소의 속도 등 연소를 원하는 방향으로 제어할 수 없도록 만들게 되며, 심지어 연소실을 포함하는 내연기관의 구조에 손상을 주기까지 한다는 문제점이 있다.

상기와 같은 고주파 연소 불안정을 방지하기 위해서, 종래에는 일반적으로 연소실을 가지는 실린더부재에 연소실과 연결된 별도의 빈 공간인 캐비티(cavity)를 다수 형성하거나, 실린더부재의 내측면에 배플(baffle)을 다수 마련하여, 음향파의 최대 진폭을 줄이도록 하는 시도들이 있었다.

그런데, 상기와 같은 캐비티나 배플을 형성하는 것은 실린더부재의 구조를 복잡하게 만들며, 그 실린더부재의 제작비를 증가시킨다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 연소시 발생하는 고주파 연소 불안정을 방지할 수 있는 스월 인젝터를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연소시 발생하는 고주파 연소 불안정을 방지할 수 있는 스월 인젝터가 장착됨으로써 실린더부재의 구조를 단순하게 할 뿐만 아니라 그 실린더부재의 제작비를 줄일 수 있도록 된 모델 챔버 조립체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 스월 인젝터는 연소실과 연결되어 있는 통로부와, 연료가 공급되며 그 공급된 연료가 상기 통로부 내에서 나선형을 형성하면서 상기 연소실쪽으로 이동하도록 상기 통로부와 그 통로부의 접선방향으로 연결되어 있는 유입로를 가지는 스월 인젝터(swirl injector)에 있어서, 상기 연료의 연소시 상기 연소실에서 발생되는 고주파 연소 불안정이 방지되도록, 상기 통로부로부터 상기 연료의 연소실쪽으로의 이동방향과 반대방향으로 연장되도록 형성되며 상기 통로부와 연결되어 있으며 상기 연료가 유동 가능한 백홀부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 모델 챔버 조립체는 통로부와, 연료가 공급되며 그 공급된 연료가 상기 통로부 내에서 나선형을 형성하도록 상기 통로부와 그 통로부의 접선방향으로 연결되어 있는 유입로를 가지는 다수의 스월 인젝터(swirl injector); 및 상기 각 스윌 인젝터의 통로부를 통해 유출되는 상기 연료가 유입되는 연소실을 가지는 실린더부재;를 구비하는 모델 챔버 조립체에 있어서, 상기 스윌 인젝터들 각각은, 상기 연료의 연소시 상기 연소실에서 발생되는 고주파 연소 불안정이 방지되도록 상기 통로부로부터 상기 연료의 연소실쪽으로의 이동방향과 반대방향으로 연장되도록 형성되며 상기 통로부와 연결되어 있으며 상기 연료가 유동 가능한 백홀부를 더 구비하며, 상기 스월 인젝터들의 백홀부들 중 적어도 2개의 백홀부들은 각각 그 백홀부의 길이가 서로 다르게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모델 챔버 조립체에서 연료가 분사되는 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 스월 인젝터의 확대도이며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 모델 챔버 조립체(100)는 액체로켓에 사용되는 것으로 되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 일반적인 내연기관에 사용될 수도 있다. 상기 모델 챔버 조립체(100)는 스월 인젝터(10)와, 실린더부재(20)를 구비한다.

상기 스월 인젝터(10)는 다수 배치되어 있는데, 본 실시예에서는 3개 배치되어 있다. 상기 각 스월 인젝터(10)(swirl injector)는, 그 일측이 연료를 공급하 는 연료공급부(미도시)와 연결되어 있으며 그 타측이 후술하는 실린더부재의 연소실(21)과 연결되도록 배치되어 있다. 본 실시예에서, 상기 연료로는 액체 로켓에서 일반적으로 사용되는 케로젠이 사용된다. 상기 각 스월 인젝터(10)는 통로부(11)와, 유입로(12)와, 백홀부(13)를 가진다.

상기 통로부(11)는 후술하는 실린더부재의 연소실(21)과 연결되어 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 통로부(11)는 도 4에 점선으로 도시된 바와 같이 원기둥형상으로 되어 있으며, 그 통로부(11)의 길이(L_T)는 원기둥형상으로 된 통로부의 높이를 말한다. 상기 통로부(11)의 반경(R_inj)은 후술하는 백홀부(13)의 반경과 동일하게 형성되어 있다.

상기 유입로(12)는 3개 마련되어 있으며, 그 유입로(12)들은 상기 스월 인젝터(10)의 원주방향으로 등간격을 이루도록 배치되어 있다. 상기 각 유입로(12)의 일측은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 통로부(11)와 그 통로부(11)의 접선방향으로 연결되어 있다. 또한, 상기 각 유입로(12)의 타측은 상기 연료공급부(미도시)와 연결되어 있다. 상기 연료공급부로부터 공급된 상기 연료는 상기 유입로(12)를 통해서 상기 통로부(11)로 유입되며, 그 유입된 상기 연료는 상기 통로부(11) 내에서 나선형을 형성하면서 후술하는 실린더부재의 연소실(21)쪽으로 이동하게 된다. 이와 같이 상기 연료가 나선형을 형성하면서 상기 통로부(11) 내에서 유동하도록 되어 있으므로, 상기 통로부(11)에는 도 2에 도시된 바와 같이 공기가 채워져 있게 된다.

상기 백홀부(13)(backhole)는 상기 연료의 연소시 후술하는 실린더부재(20)의 연소실(21)에서 발생되는 고주파 연소 불안정을 방지하기 위해 마련되어 있다. 상기 백홀부(13)는 상기 통로부(11)로부터 상기 연료의 연소실(21)쪽으로의 이동방향(A)과 반대방향으로 연장되어 형성된 부분이다. 상기 백홀부(13)는 상기 통로부(11)와 연결되어 있다. 상기 백홀부(13)에서는 상기 연료가 유동 가능하며, 특히 상기 통로부(11)에서의 상기 연료의 유동과 마찬가지로 상기 유입로(12)를 통해 유입되는 연료는 상기 백홀부(13) 내에서 소용돌이를 형성하면서 유동하게 되며, 이에 따라 상기 백홀부(13)에는 도 2에 도시된 바와 같이 공기가 채워지게 된다. 상기 백홀부(13)는 상기 연료의 이동방향(A)에 대해 수직인 평면에 대한 단면 형상이 그 연료의 이동방향(A)을 따라서 동일하도록 형성되어 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 백홀부(13)는 도 4에 점선으로 도시된 바와 같이 원기둥형상으로 되어 있으며, 그 백홀부(13)의 길이(L_B)는 원기둥형상으로 된 백홀부의 높이를 말한다. 그리고, 상기 각 스월 인젝터의 길이(L_inj)는 상기 백홀부의 길이(L_B)와 상기 통로부의 길이(L_T)의 합을 말한다.

상기 스월 인젝터(10)들 각각은 상기 백홀부(13)를 가지고 있으며, 그 백홀부(13)들 각각의 길이(L_B)는 서로 다르다. 상기 백홀부(13)들의 길이(L_B)는 상기 고주파 연소 불안정을 효율적으로 방지하도록 적절하게 설정할 수 있게 되는데, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

상기 실린더부재(20)에는 상기 스월 인젝터(10)들이 나사결합에 의해 설치되 어 있다. 상기 실린더부재(20)에는 연소실(21)이 형성되어 있다. 상기 연소실은 반경이 R_C 이며, 높이가 L_C인 원기둥형상으로 이루어져 있다. 상기 연소실(21)은 상기 각 스월 인젝터의 통로부(11)와 연결되어 있으며, 그 통로부(11) 내에서 나선형을 형성하면서 이동한 상기 연료가 상기 연소실(21) 내로 분사되게 된다. 이때, 상기 연료는 도 2에 도시된 바와 같이 원추형을 형성하면서 분사되게 된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 실시예의 모델 챔버 조립체(100)를 사용하게 되면, 고주파 연소 불안정을 방지할 수 있게 되는데, 이러한 점을 확인하기 위해서 다음과 같은 실험을 하였다.

먼저, 반경 R_C = 270mm 및 길이 L_C = 250mm로 이루어진 연소실을 가지는 실린더부재를 준비하고 그 실린더부재에 연료를 공급하지 않은 상태에서 그 실린더부재를 가진하여 연소실에서 발생되는 음향파의 주파수 응답 선도를 얻었으며, 이는 도 7에 도시되어 있다. 여기서, 실린더를 가진하는 힘은 전압(V)으로 측정되었고 그에 따라 발생된 음향파의 진폭은 압력(P_a)으로 측정되었다. 그리고, 연소실에서 발생된 음향파의 공명주파수(resonant frequency)를 각 모드에서 측정하여, 1L 모드에서의 공명주파수가 698.5Hz이고, 1T 모드에서의 공명주파수가 752.5Hz이며, 1L1T 모드에서의 공명주파수가 1024Hz임을 알게 되었었다. 여기서 1L 모드는 첫번째 길이방향 모드를 의미하고, 1T 모드는 첫번째 접선방향 모드를 의미하며, 1L1T 모드는 첫번째 길이방향 모드와 첫번째 접선방향 모드의 조합 모드를 의미한다.

그리고, 상기 공명주파수를 이론적인 공명주파수와 비교하기 위해서 다음과 같은 식(1)을 사용하여 이론적인 공명주파수를 계산하였다.

반경이 R_C 이며 길이가 L_C인 연소실에서 각 모드에서의 이론적인 공명주파수(f_C0)는 다음과 같은 식(1)으로부터 얻을 수 있다.

......식(1)

여기서, c는 20 ℃에서 빛의 속도로서 c = 343.7m/s이며, l은 길이방향 모드(l=0,1,2...)이며, m은 접선방향 모드(m=0,1,2...)이며, n은 원주방향 모드(n=0,1,2...)이며, λ_mn은 m,n에 의존하는 상수이다.

상기 식(1)을 사용하여 1L모드, 1T모드 및 1L1T모드에서의 공명주파수를 각각 계산해 보면, 1L 모드(l=1, m=0, n=0, λ_mn=0)에서 공명주파수(f_C0)는 687.4Hz이고, 1T(l=0, m=1, n=0, λ_mn=1.84)에서 공명주파수(f_C0)는 745.6Hz이며, 1L1T(l=1, m=1, n=0, λ_mn=1.84)에서 공명주파수(f_C0)는 1014.1Hz임을 알 수 있게 된다. 이와 같은 이론적인 공명주파수는 실험적인 공명주파수와 거의 동일함을 알 수 있다.

그리고, 도 9에는 연소실에 연료가 공급되지 않은 상태에서 1L, 1T 및 1L1T 모드에 있어서의 음향파의 주파수 응답 선도가 1200Hz 이하의 주파수 범위에서 도시되어 있으며, 그 주파수 응답선도 아래에는 각 모드에서의 감쇠 인자가 나타나 있다. 감쇠 인자는 도 5에 도시된 바와 같이 주파수 응답 선도 아래에 있는 식으로 정의된다. 1L모드에서 감쇠 인자는 0.959이며, 1T모드에서 감쇠 인자는 1.283 이며, 1L1T모드에서 감쇠 인자는 2.082이다.

또한, 도 10에는 연료가 공급되지 않은 상태에서 연소실의 과도 응답 선도가 도시되어 있으며, 연소실의 공기를 가진시키는 구동 주파수를 1T 모드 및 1L1T 모드에서의 공진 주파수와 동일하게 설정하고 그 각 경우에 대하여 감쇠속도/사이클의 값을 측정하여 과동 응답 선도 아래에 나타내었다. 감쇠율/사이클은 도 7에 도시된 바와 같이 과도응답 선도 아래에 있는 식으로 정의된다. 구동주파수가 752.5Hz인 경우에 감쇠속도/사이클은 0.0326이며, 1024Hz인 경우에 감쇠속도/사이클은 0.04551이다.

한편, 고주파 연소 불안정을 방지하기 위해서는, 연료가 공급되지 않은 상태에서 연소실에서 발생되는 음향파의 공명진동수와 동일하며 그 공명진동수에서의 음향파의 위상과 정반대인 음향파가 스월 인젝터에서 발생되도록 그 스월 인젝터를 구성하면 된다. 이 때에, 연소실의 음향파는 앞서 살펴본 바와 같이 각 모드에서, 예컨대 1L모드, 1T모드 및 1L1T모드 각각에서 서로 다른 값의 공명진동수를 가지고 있으므로, 연소실과 연결된 스월 인젝터들 각각을 그 연소실의 음향파의 각 모드에서의 공명진동수와 동일하도록 구성하게 되면 각 모드에서 발생 가능한 고주파 연소 불안정을 차단할 수 있게 된다.

상기 관점에서 스월 인젝터의 백홀부의 길이(L_B)를 결정하게 되는데, 이하에서는 이에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 연료가 공급되지 않은 상태의 스월 인젝터를 가진하여 그 스월 인젝터 의 내부공간, 즉 통과부 및/또는 백홀부에서 발생되는 음향파에 대한 주파수 응답선도를 얻고자 다음과 같은 사양의 스월 인젝터를 준비하여 실험을 하였다. 백홀부가 구비되어 있지 않으며 L_T = 80mm 및 R_inj= 15mm인 통과부를 가지는 스월 인젝터의 주파수 응답선도는 도 8의 좌측에 도시되어 있으며, R_inj= 15mm 및 L_B = 40mm인 백홀부와 L_T = 80mm인 통과부를 가지는 스월 인젝터의 주파수 응답선도는 도 8의 우측에 도시되어 있다. 여기서, 스월 인젝터를 가진하는 힘은 전압(V)으로 측정되었고 그에 따라 발생된 음향파의 진폭도 전압(V)으로 측정되었다. 그리고, 백홀부의 길이 L_B가 각각 20mm, 29mm, 32mm이며, 통과부의 길이 L_T는 모두 80mm이며, 백홀부 및 통과부의 반경 R_inj가 15mm인 스월 인젝터들 각각에 대해서도 실험을 하여 공명 주파수를 얻었다. 이 때에, L_B가 각각 0mm, 20mm, 29mm, 32mm 및 40mm인 경우에 대하여 얻어진 공명주파수들은 각각 1057Hz, 862Hz, 801.5Hz, 780.5Hz 및 731Hz이다.

그리고, 실험적으로 얻은 상기 공명 주파수들을 이론적인 값들과 비교하기 위해서 다음과 같은 식(2) 및 식(3)을 사용하여 이론적인 공명주파수(f)를 계산하였다. 여기서 식(2)는 스월 인젝터의 통과부 및 백홀부 내에 1/4 파장의 음향파가 생성되는 경우에 대한 식이다.

... 식(2)

... 식(3)

여기서, c는 20 ℃에서 빛의 속도로서 c = 343.7m/s이며, l은 스월 인젝터의 백홀부의 길이(L_B) 및 통과부의 길이(L_T)의 합이며, R_inj은 통과부의 반경이며, Δl은 통과부가 연소실과 연결되어 있다는 점을 보상하기 위한 길이 보상값이다.

상기 식(2) 및 식(3)을 사용하여 이론적인 공명주파수를 계산해보면, L_B가 각각 0mm, 20mm, 29mm, 32mm 및 40mm인 경우에 대하여 얻어진 공명주파수들은 각각 1016.86Hz, 807.756Hz, 744.745Hz, 725.871Hz 및 679.921Hz이다. 그리고, 이 이론적인 값들은 상기 실험을 통해서 얻은 공명주파수와 3.8% 에서 7.08% 정도의 편차를 가지고 있으며, 이러한 편차를 반영하여 식(2) 및 식(3)을 수정하게 되면, 특정한 공명주파수를 발생시킬 수 있는 스월 인젝터의 전체 길이(L_inj)을 정확하게 설계할 수 있게 된다. 예컨대, 1T모드에서의 공진주파수 752.5Hz를 발생시킬 수 있는 스월 인젝터를 정확하게 설계할 수 있게 된다.

한편, 연소시 실린더부재의 연소실에서 발생되는 음향파와 각 스월 인젝터의 통과부 및 백홀부에서 발생되는 음향파가 서로 상쇄되는지를 확인하기 위해서, 다음과 같은 실험을 하였다.

반경 R_C = 270mm 및 길이 L_C = 250mm로 이루어진 연소실을 가지는 실린더부재에 스월 인젝터 하나를 배치한 상태에서, 발생되는 음향파의 주파수 응답선도 및 과도 응답선도를 실험적으로 구하였다.

먼저, 1T 모드에서 발생되는 음향파의 주파수 응답선도 및 과도 응답선도를 구하였다. 연소실에서 발생되는 음향파는 1T모드에서 상술한 바와 같이 752.5Hz의 공명주파수를 가지므로, 이 주파수(752.5Hz) 부근에서 공명주파수를 가지도록 설계된 스월 인젝터 하나를 실린더부재에 배치하였다. 실린더부재에 설치된 스월 인젝터의 전체 길이(L_inj)를 각각 118mm, 119mm, 120mm이 되도록 구성하고, 그 각 스월 인젝터에 대해서 주파수 응답선도를 구하였다.

도 11에는 스월 인젝터가 설치되어 있으며 연료가 공급되지 않은 상태에서의 주파수 응답선도가 도시되어 있는데, 특히 도 11에 실선으로 도시된 곡선은 스월 인젝터가 설치되지 않은 상태에서의 얻어진 주파수 응답선도이다. 도 11을 참조하면, 1T 모드에서 연소실에서 발생된 음향파가 스월 인젝터에서 발생된 음향파에 의해 일정 정도 상쇄됨을 알 수 있다. 또한, 도 12에는 스월 인젝터가 설치된 모델 챔버 조립체에 연료 대신에 물을 공급한 상태에서의 주파수 응답선도가 도시되어 있으며, 도 12에 실선으로 도시된 곡선은 스월 인젝터가 설치되지 않은 상태에서의 얻어진 주파수 응답선도이다. 도 12를 참조하면, 1T 모드에서 연소실에서 발생된 음향파가 스월 인젝터에서 발생된 음향파에 의해 일정 정도 상쇄됨을 알 수 있다.

그리고, 도 13에는 1T모드 752.5Hz의 구동 주파수로 가진된 경우에 있어서, 스월 인젝터가 구비된 경우와 그렇지 않은 경우 모두에 대한 과도 응답선도가 도시되어 있다. 도 13에서, 스월 인젝터가 설치되지 않은 경우는 실선으로 도시되어 있으며, 백홀부를 가지지 않은 스월 인젝터(L_inj=80mm) 및 백홀부를 가지는 스월 인젝터(L_inj=100mm, 119mm) 각각에 대해서는 점선, 일점쇄선 등으로 도시되어 있다. 도 13의 과도 응답선도 및 감쇠속도 표를 참조하면, 스월 인젝터가 설치된 경우, 즉 L_inj=80mm, 100mm에 있어서의 감쇠율이 스월 인젝터가 설치되지 않은 경우에 있어서의 감쇠율보다 더 작음을 알 수 있다. 그리고, L_inj=120mm인 경우에 있어서의 감쇠율은 다른 경우에 비해서 가장 크다는 점도 알 수 있다. 이는 스월 인젝터의 전체 길이(L_inj)를 적절하게 설치하지 않는다면, 오히려 감쇠율이 줄어들 수 있다는 점을 암시한다. 그리고, 1T모드에서 연소실에서 발생되는 음향파의 공명 주파수는 752.5Hz이므로, 감쇠율을 증가시키기 위해서는 752.5Hz 부근의 공명 주파수를 가지는 음향파가 스월 인젝터의 통과부 및 백홀부 내에서 생성되어야 된다는 점을 알 수 있다. 따라서, 감쇠율을 증가시키기 위해서, 1T모드에서는 스월 인젝터의 전체 길이(L_inj)는 120mm 부근이 되도록 형성되어야 하며, 가장 바람직하게는 119mm 가 되도록 형성되어야 한다.

다음으로, 1L1T 모드에서 발생되는 음향파의 주파수 응답선도 및 과도 응답선도를 구하였다. 연소실에서 발생되는 음향파는 1L1T모드에서 상술한 바와 같이 1024Hz의 공명주파수를 가지므로, 이 주파수(1024Hz) 부근에서 공명주파수를 가지도록 설계된 스월 인젝터 하나를 실린더부재에 배치하였다. 실린더부재에 설치된 스월 인젝터의 전체 길이(L_inj)를 각각 81mm, 82mm이 되도록 구성하고, 그 각 스월 인젝터에 대해서 주파수 응답선도를 구하였다. 그리고, 백홀부가 없는 스월 인젝터(L_inj=80mm)에 대해서도 주파수 응답선도를 구하였다.

도 14에는 스월 인젝터가 설치되어 있으며 연료가 공급되지 않은 상태에서의 주파수 응답선도가 도시되어 있는데, 특히 도 14에 실선으로 도시된 곡선은 스월 인젝터가 설치되지 않은 상태에서의 얻어진 주파수 응답선도이다. 도 14를 참조하면, 1L1T 모드에서 연소실에서 발생된 음향파가 스월 인젝터에서 발생된 음향파에 의해 일정 정도 상쇄됨을 알 수 있다. 또한, 도 15에는 스월 인젝터가 설치된 모델 챔버 조립체에 연료 대신에 물을 공급한 상태에서의 주파수 응답선도가 도시되어 있으며, 도 15에 실선으로 도시된 곡선은 스월 인젝터가 설치되지 않은 상태에서의 얻어진 주파수 응답선도이다. 도 15를 참조하면, 1T 모드에서 연소실에서 발생된 음향파가 스월 인젝터에서 발생된 음향파에 의해 일정 정도 상쇄됨을 알 수 있다.

그리고, 도 16에는 1L1T모드 1024Hz의 구동 주파수로 가진된 경우에 있어서, 스월 인젝터가 구비된 경우와 그렇지 않은 경우 모두에 대한 과도 응답선도가 도시되어 있다. 도 16에서, 스월 인젝터가 설치되지 않은 경우는 실선으로 도시되어 있으며, 백홀부를 가지는 스월 인젝터(L_inj=82mm, 100mm, 120mm) 각각에 대해서는 점선, 일점쇄선 등으로 도시되어 있다. 도 16의 과도 응답선도 및 감쇠속도 표를 참조하면, 스월 인젝터가 설치된 경우, 즉 L_inj=100mm, 120mm에 있어서의 감쇠율이 스월 인젝터가 설치되지 않은 경우에 있어서의 감쇠율보다 더 작음을 알 수 있다. 그리고, L_inj=82mm인 경우에 있어서의 감쇠율은 다른 경우에 비해서 가장 크다는 점도 알 수 있다. 이는 스월 인젝터의 전체 길이(L_inj)를 적절하게 설치하지 않는다면, 오히려 감쇠율이 줄어들 수 있다는 점을 암시한다. 그리고, 1L1T모드에서 연소실에서 발생되는 음향파의 공명진동수는 1024Hz이므로, 이 1024Hz 부근의 공명진동수를 가지는 음향파가 스월 인젝터의 통과부 및 백홀부 내에서 생성되어야 감쇠율을 증가시킬 수 있게 된다는 점을 알 수 있다. 따라서, 음향파의 감쇠율을 증가시키기 위해서, 1L1T모드에서는 스월 인젝터의 전체 길이(L_inj)는 80mm 부근이 되도록 형성되어야 하며, 가장 바람직하게는 82mm 가 되도록 형성되어야 한다.

한편, 상기 실험에서는 케로젠 등과 같은 연료 대신에 물을 공급한 상태에서, 주파수 응답 선도 및 과도 응답 선도를 얻었으나, 물과 케로젠 등과 같은 연료는 모두 액체라는 측면에서 실제로 케로젠 등과 같은 연료가 공급되는 환경에 있어서도 상술한 바와 같은 결과를 얻을 수 있게 된다. 그리고, 도 11 내지 도 16에서는 1T, 1L1T모드에 대해서만 설명하였으나, 그외의 다른 모드들, 예컨대 1L 모드, 2T 모드, 2L 모드, 1L2T 모드 등에 대해서도 유사한 결과를 얻을 수 있으며, 그 각 모드에 대해서 연소실의 음향파를 가장 효율적으로 차단할 수 있는 스월 인젝터의 길이(L_inj)를 알아낼 수 있다.

상술한 바와 같이, 연소실의 음향파는 각 모드에서 특정 공명주파수를 가지고 있으며, 그 각 모드에서 음향파의 공명은 특정한 길이(L_inj)를 가지는 스월 인젝터를 장착함으로써 차단될 수 있게 된다. 예컨대, 도 11 내지 도 16을 참조하면서 설명한 바와 같이, 1T모드에서 발생되는 공명은 통과부와 백홀부의 전체 길이(L_inj)가 119mm인 스월 인젝터를 설치함으로 가장 효율적으로 차단될 수 있으며, 1L1T모 드에서 발생되는 공명은 통과부와 백홀부의 전체 길이(L_inj)가 82mm인 스월 인젝터를 설치함으로 가장 효율적으로 차단될 수 있게 된다.

따라서, 실린더부재에 스월 인젝터를 배치하여 모델 챔버 조립체를 구성함에 있어서, 연소실에서 발생되는 음향파의 주파수 응답선도를 이론적 또는 실험적으로 구한 후에, 그 연소실에서 발생되는 음향파의 각 모드에서의 공명주파수와 동일한 공명주파수가 생성되도록, 백홀부를 가지는 다수의 스월 인젝터를 설계하고, 그 스월 인젝터들의 백홀부들 각각의 길이(L_B)를 서로 다르게 형성함으로써, 각 모드에서 발생 가능한 공명을 차단할 수 있으며, 이에 따라 연소시의 고주파 연소 불안정을 방지할 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 종래와 달리 스월 인젝터에 백홀부를 형성하기만 하면 연소시 발생하는 고주파 연소 불안정을 방지할 수 있으므로, 실린더부재의 구조를 단순화할 수 있으며, 이에 따라 그 실린더부재의 제작비를 줄일 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 통로부와, 연료가 공급되며 그 공급된 연료가 상기 통로부 내에서 나선형을 형성하도록 상기 통로부와 그 통로부의 접선방향으로 연결되어 있는 유입로를 가지는 다수의 스월 인젝터(swirl injector); 및

   상기 각 스윌 인젝터의 통로부를 통해 유출되는 상기 연료가 유입되는 연소 실을 가지는 실린더부재;를 구비하는 모델 챔버 조립체에 있어서,

   상기 스윌 인젝터들 각각은, 상기 연료의 연소시 상기 연소실에서 발생되는 고주파 연소 불안정이 방지되도록 상기 통로부로부터 상기 연료의 연소실쪽으로의 이동방향과 반대방향으로 연장되도록 형성되며 상기 통로부와 연결되어 있으며 상기 연료가 유동 가능한 백홀부를 더 구비하며,

   상기 스월 인젝터들의 백홀부들 중 적어도 2개의 백홀부들은 각각 그 백홀부의 길이가 서로 다르게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모델 챔버 조립체.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 스월 인젝터들의 백홀부들 각각은, 상기 연료의 이동방향에 대해 수직인 평면에 대한 단면 형상이 그 연료의 이동방향을 따라서 동일하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모델 챔버 조립체.

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