KR101014397B1 - 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화연료를 사용하는 로켓의 인젝터에 관한 것으로, 특히 액체연료의 미립화 정도를 테스트하기 위하여 리세스를 가변하며 미립화 테스트를 할 수 있는 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 실시예는 기체 산화제가 분출되는 배출홀이 형성되는 외부케이스부와, 배출홀의 중앙에 위치하여 액체연료가 스월 배출되는 분출홀이 형성된 연료배출부 및 연료배출부를 외부케이스부의 내부에서 슬라이딩 이동시켜 분출홀의 끝단과 배출홀의 끝단까지의 리세스 길이를 가변되게 하는 이송부가 포함되는 것을 특징으로 한다.

인젝터, 액체연료, 미립화, 리세스

Description

미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터{Shear coaxial swirl injector for testing the atomization control}

본 발명은 액화연료를 사용하는 로켓의 인젝터에 관한 것으로, 특히 액체연료의 미립화 정도를 테스트하기 위하여 리세스를 가변하며 미립화 테스트를 할 수 있는 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터에 관한 것이다.

액체 로켓은 인젝터에서 액체연료와 산화제의 적절한 혼합과 연소실로의 분무가 이루어지며, 연소실에서 액체연료를 연소시켜 발생된 고열 고압의 연소가스를 연소실 후단의 노즐을 통하여 배출하면서 추진력을 얻게 된다.

따라서 액체 로켓을 운용하기 위해서는 연소실에서 효율적인 연소가 충분히 이루어져야 하며 또한 화염은 안정되게 제어되어야 한다. 이러한 연소 성능에 영향을 미치는 요소는 여러가지가 있으나, 그 중에 연소실에 주입되는 액체연료의 미립화 정도, 분무 각도범위, 분무된 내부에 형성되는 미립화된 액체연료의 균질성이 중요한 요소로 알려져 있다.

특히, 액체연료의 미립화 정도는 분무 각도범위와 균질성에 영향을 미치는 요인으로 작용하므로 연소성능을 좋게 얻기 위하여 필수적으로 고려되는 요소이다.

예컨대, 연소실에 주입된 액체연료의 미립화된 입자(이하, 미립입자)의 크기가 일정 수준보다 큰 경우에는 미립입자가 연소되기 위하여 기화되는 시간이 길게 소요된다. 따라서 연소실의 후방에서 화염이 형성되어 연소실에서 충분한 연소가 이루어지지 못하는 문제가 있게 된다. 따라서 연소가 불안정해질 뿐만 아니라 추진력에 막대한 손실이 발생하게 된다.

한편, 미립입자가 일정 수준보다 작게 형성되는 경우에는 연소가 빨리 진행됨에 따라 화염이 인젝터와 가깝게 형성되고 그로인하여 인젝터와 연소실 내부가 과열되는 문제가 있다. 이는 오랜 기간 연소가 이루어지는 액체로켓에서 인젝터 또는 연소실의 열적변형을 일으키거나 심한 경우 폭발의 원인이 된다.

이렇듯 액체로켓에서 액체연료를 미립화하는 수단으로, 연소실로 분사되는 액체연료에 기체인 산화제를 부딪쳐 미립화시키는 기술이 개발되었다.

일례로, 도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 인젝터는 선단부가 기체 상태의 산화제를 공급하는 산화제 공급부에 연결되는 환형의 대경부(51)와, 상기 대경부와 동일 축을 갖도록 형성되고 상기 대경부에 비해 일정 정도 돌출되도록 형성되며 상기 대경부측에 형성된 구멍을 통해 공급된 액체연료를 분사하는 오리피스(53)로 이루어진 부시(50)와, 상기 부시의 대경부(51) 끝단에 선단부가 용접되고 상기 대경부의 내측을 통해 공급된 산화제와 상기 오리피스(53)를 통해 분사되는 액체 연료가 혼합되어 분사되는 케이스(60)로 구성된다.

이러한 종래의 기술에 따른 인젝터는 오리피스(53)의 끝단부에 형성된 테이 퍼를 통하여 액체연료가 일정각도로 벌어지며 분사될 수 있게 하며, 오리피스의 외주면을 따라 배출되는 기체 산화제가 분사되는 액체연료와 부딪쳐 액체연료를 미립화시키게 된다.

종래의 기술에서, 이와 같은 미립화 특성을 결정하는 요인으로 오리피스의 직경, 테이퍼의 사이즈, 가스 출구 직경, 오리피스와 케이스까지의 거리인 리세스(Recess) 길이를 파라미터로 하여 다양한 사이즈에서 미립화 특성을 실험하였다.

이와 같은 실험은 각 파라미터의 사이즈 변화의 경우 수만큼의 인젝터를 제조하여야 하는 것이어서 매우 비경제적이며, 제작에 소요되는 시간만큼 실험에 소요되는 시간도 길어지는 문제점을 갖는 것이다.

또한, 오리피스는 수 ㎜의 직경을 갖는 것으로, 이에 테이퍼를 형성하는 것은 엄격한 공차를 요구하므로 제작이 용이하지 못하며 제작비용이 상승하는 요인이 된다. 또한, 테이퍼의 경사를 충분히 가파르게 형성하기 위하여 오리피스의 두께가 두꺼워져야 하므로 질량을 증가시키는 단점도 있다. 나아가 테이퍼진 오리피스의 끝단은 두께가 얇아지므로 연소실의 고온에 의하여 열적변형에 취약한 문제점도 갖게 된다.

또한, 용접에 의하여 부쉬와 케이스가 용접되므로, 매 실험마다 고용할 수 있는 부품의 재활용이 불가능한 단점도 갖는다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 실시예는 리세스 길이를 가변시키면서 액체연료의 미립화 정도를 테스트할 수 있게 하는 목적을 갖는다.

또한, 액체연료와 기체 산화제가 배출되는 직경을 변경하며 미립화 테스트를 함에 있어, 직경이 변경되는 구성요소만 교체될 수 있게 하는 목적을 갖는다.

또한, 분사구에 테이퍼를 형성하지 아니하고도 액체연료가 분사되며 배출되게 하는 목적도 갖는다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실시예로 기체 산화제가 분출되는 배출홀이 형성되는 외부케이스부와, 상기 배출홀의 중앙에 위치하여 액체연료가 스월 배출되는 분출홀이 형성된 연료배출부 및 상기 연료배출부를 상기 외부케이스부의 내부에서 슬라이딩 이동시켜 상기 분출홀의 끝단과 상기 배출홀의 끝단까지의 리세스 길이를 가변되게 하는 이송부가 포함되는 것을 특징으로 하는 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터를 제시한다.

또한, 상기 외부케이스부에는 외주면에 형성된 연료주입구를 통하여 주입된 액체연료가 머물며, 상기 연료배출부가 슬라이딩되는 내부공간을 구비하는 제1케이스와, 상기 제1케이스와 분리가능하게 결합되며, 전방에 연장 형성된 플랜지판에는 상기 기체 산화제가 유입되는 공급홀이 형성되고, 상기 연료배출부가 슬라이딩되는 이송공간을 구비하는 제2케이스와, 상기 배출홀이 형성되어 상기 제2케이스와 분리가능하게 결합되며, 상기 기체 산화제가 통과하는 산화제유로를 형성하는 외부포스트가 포함되는 것을 특징으로 하는 전단 동축형 스월 인젝터를 제시한다.

또한, 상기 연료배출부에는 전단에는 상기 분출홀이 형성되고, 후측의 외주면에는 내경에 접하는 방향으로 액체연료가 통과하는 연료통과공이 형성되는 내부관과, 상기 내부관의 후단을 기밀하는 샤프트커넥터가 포함되는 것을 특징으로 하는 전단 동축형 스월 인젝터를 제시한다.

또한, 상기 이송부는 상기 샤프트커넥터의 후방에 결합되어 상기 외부케이스의 외부로 돌출되는 가이드샤프트와, 상기 가이드샤프트를 전후 방향으로 이동시키는 구동기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전단 동축형 스월 인젝터를 제시한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터에 따르면, 이송부를 통하여 리세스 길이를 가변시킬 수 있으므로, 다양한 리세스 길이 조건에 따른 미립화 성능 테스트에 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있게 되는 효과를 갖는다.

또한, 외부케이스부를 구성하는 제1,2케이스 및 외부포스트와 연료배출부는 교체 가능하여, 배출홀, 분출홀 등 사이즈의 변화에 따른 해당 구성물품만 따로 제작, 교체함으로써 다양한 사이즈를 갖는 인젝터의 성능 시험이 저렴하게 이루어지 는 효과도 갖는다.

또한, 액체연료는 스월에 의하여 일정 각도 범위로 분사되므로, 종래의 기술과 같이 테이퍼를 형성할 필요가 없게 된다. 따라서 종래의 기술이 갖는 질량 증가의 문제, 열적변형의 문제가 해결되는 효과를 갖는다.

이하, 첨부도면의 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명인 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터의 기능, 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 분해사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 측단면도이다.

본 발명의 제1실시예에 의한 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터(100)에는 전체 인젝터의 하우징을 이루며 기체 산화제를 배출시키는 외부케이스부(1), 상기 외부케이스부(1)에 삽입되며 액화연료를 분사사키는 연료배출부(2) 및 리세스 길이를 조절하기 위하여 연료배출부(2)를 슬라이딩시키는 이송부(3)가 포함된다.

외부케이스부(1)는 지면 또는 전용 지그 등 고정체(B)에 견고하게 고정되는 제1케이스(11), 상기 제1케이스(11)에 분리가능하게 결합되며 기체 산화제가 유입되는 제2케이스(12) 및 상기 제2케이스(12)에 분리가능하게 결합되며 유입된 기체 산화제가 전방으로 배출되는 배출홀(131)이 형성된 외부포스트(13)로 이루어진다.

구체적으로, 제1케이스(11)는 제1관체(111)와, 이 제1관체(111)의 전, 후단에 형성되는 플랜지(113)로 이루어지며, 이때 제1관체(111)의 외주면에는 액체연료가 주입되는 연료주입구(112)가 형성되어 있다. 제1관체(111)의 내부에는 전후로 슬라이딩 이동되는 연료배출부(2)의 외경보다 큰 직경을 갖는 내부공간(c1)이 형성되어 주입된 액체연료가 채워지게 된다.

또한 제1케이스(11)는 내부공간(c1)의 내경과 동일한 내경의 홀을 갖는 고정체(B)에, 후단의 플랜지(113)를 관통하는 볼트와 너트의 결합을 통하여 분리가능하게 결합된다.

한편, 제2케이스(12)에는 제2관체(121)와, 상기 제1케이스의 전방의 플랜지(113)와 대응되는 후방플랜지판(123)이 제2관체의 후단에서 연장형성되고, 제2관체의 전단에는 플랜지판(122)이 형성된다.

제2관체(121)의 내부에 전후방향으로 관통되어 형성되는 이송공간(c2)의 내직경은 연료배출부(2)가 접하면서 슬라이딩되게 형성된다. 이때 이송공간(c2)의 내벽면과 연료배출부(2)의 외주면에는 공지의 씰링부재(S)가 개재되어 액체연료가 새어나가지 아니하도록 구성된다.

또한, 후방플랜지판(123)은 제1케이스(11) 전방의 플랜지와 볼트, 너트를 통하여 분리가능하게 결합된다.

또한, 제2관체(121)의 전방에 형성되는 플랜지판(122)에는 전방 중앙을 향하 도록 경사지게 형성되어 기체 산화제가 유입되는 공급홀(124)이 형성된다.

한편, 외부포스트(13)는 제2케이스(12)의 플랜지판(122)에 볼트와 너트를 통하여 분리가능하게 결합되며, 배면 내측은 함몰되어 플랜지판의 공급홀(124)을 통하여 유입된 기체 산화제가 이동되는 산화제유로(133)가 형성된다. 또한 외부포스트(13)의 중앙에는 기체 산화제가 배출되는 배출홀(131)이 형성되어 있어, 기체 산화제는 공급홀, 산화제유로를 거쳐 배출홀을 통과하여 전방으로 배출된다.

이때, 배출홀(131)은 추후 설명되는 바와 같이 리세스 길이의 조절 가능 범위를 증대시키기 위하여, 배출홀(131)의 전후 길이를 증대시키는 연장부(132)가 더 형성될 수 있다. 이러한 연장부(132)는 산화제유로(133)가 형성되는 외부포스트(13)의 배면 내측으로 연장형성된다.

한편, 연료배출부(2)는 내부공간(c1)에 채워진 액체연료가 스월되며 유입되고, 외부포스트(13)에 구비된 배출홀(131)의 중앙에 위치하는 분출홀(212)을 통하여 전방으로 분사시키는 내부관(21)과, 이 내부관(21)의 후단에 결합되어 기밀하는 샤프트커넥터(22)를 포함하여 이루어진다.

구체적으로, 내부관(21)은 제1케이스(11)의 내부공간(c1)과 제2케이스(12)의 이송공간(c2) 내에서 슬라이딩되는 후단부(21a)와, 이 후단부(21a)보다 작은 외경을 가지며 전방으로 인출되어 끝단에 분출홀(212)이 형성되는 전단부(21b)로 이루 어진다.

도 3을 참고하면, 내부관(21)의 후측 외주면 즉, 후단부(21a)에는 원통형 내주면에 접하는 방향으로 연료통과공(211)이 다수 형성되어, 내부공간(c1)에 채워진 액체연료가 내경에 접하는 방향으로 유입되며 스월이 발생된다. 이렇게 스월되는 액체연료는 전방으로 이동되면서 점차 작아지는 내경을 통과하여 더욱 스월이 증되어, 전방의 분출홀로 배출된다.

한편, 이송부(3)는 샤프트커넥터(22)의 후방에 결합되어 상기 외부케이스부(1)의 외부로 돌출되는 가이드샤프트(31)와, 상기 가이드샤프트(31)를 전후 방향으로 이동시키는 구동기(32)로 이루어진다.

가이드샤프트(31)는 고정체(B)와 제1케이스(11)의 내부공간(c1)에 삽입되어 전단이 샤프트커넥터(22)에 결합되는 것이다. 이때, 가이드샤프트(31)는 고정체(B)의 내벽면 및 제1관체(111)의 후방에 씰링부재(S)를 통하여 면접촉함에 따라 내부공간(c1)을 기밀하는 기능을 갖는다.

또한 가이드샤프트(31)는 고정체의 후방으로 돌출되어, 리세스 길이를 조절하기 위하여 전후 이동시키는 구동기(32)와 결합된다.

구동기(32)는 가이드샤프트(31)에 결합되어 분출홀의 전후 길이를 바람직하게 0.1㎜ 단위로 정밀하게 이동시킬 수 있는 장치로 이루어진다. 일례로, 구동기는 가이드샤프트의 후방에 결합되는 리니어 모션 모터(321)로 이루어질 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터의 작용을 설명한다.

연료주입구(112)를 통하여 고압으로 주입되는 액체연료는 내부공간(c1)을 채우고, 다시 연료통과공(211)을 통과하면서 스월되며 연료배출부(2)의 전방으로 이송된다. 또한 액체연료는 연료배출부(2)의 내부 직경이 점차 작아짐에 따라 스월은 더욱 강력해지며, 분출홀(212)의 내주면에 따라 회전되며 분사된다.

즉, 분출홀(212)에서 배출되는 액체연료는 스월에 의하여 일정한 각도로 벌어지며 전방으로 토출되며, 이때 분사되는 각도는 액체연료의 배출 압력과 스월의 정도에 영향을 받게 된다.

한편, 공급홀(124)로 유입되는 고압의 기체 산화제는 산화제유로(133)를 경유하여 배출홀(131)과 연료배출부(2)의 외주면 사이의 애뉼러갭(G)을 통과하여 가압된 상태로 배출된다.

애뉼러갭(G)으로 전방으로 배출되는 기체 산화제는 분사된 액체연료와 충돌하며, 이때의 충격력에 의하여 액체연료는 미립화되며 전방으로 이동되는 것이다.

이때, 미립화에 영향을 주는 요소 중 하나인 리세스 길이(R)를 가변시키기 위하여 구동기를 작동키면, 도 4의 분출홀 위치에서 도 5의 분출홀 위치로 연료배출부가 후방 이동된다.

이 경우, 분출홀에서 분사 배출되는 액체 연료는 배출홀의 내주면에 먼저 부딪치며 작게 변경되며 기체 산화제가 충격하므로 미립화가 더욱 잘 이루어지게 되 는 조건이 만족된다. 한편 리세스 길이(R)의 증가로 인하여 분사 각도, 분사된 액체연료의 균일 분포정도와 밀도, 그에 따른 연소의 안정성 능 등에 영향을 미치게 된다. 이러한 다양한 성능은 공지된 측정수단에 의하여 계측되는 것이다.

이러한 성능은 이송부의 통하여 리세스 길이(R)의 가변시키면서 계측함으로써 리세스 길이를 달리하는 여러 인젝터를 제조할 필요가 없게 되어, 최적의 리세스 길이를 선정하기 위한 실험에 소요되는 비용과 시간을 단축할 수 있게 된다.

또한, 분출홀(212)은 연장부(132)로 인하여 전후로 길게 형성됨으로써 리세스 길이(R)의 가변 폭이 증대되어, 더욱 다양한 리세스 길이의 변화에 따른 성능 시험이 가능해진다.

또한, 인젝터(100)의 사이즈 변화에 따른 다른 조건 하에서 성능 시험을 수행할 필요가 있는 경우에는, 각 구성물품이 분리가능하게 제작되는 것이므로 사이즈가 변경되는 구성물품만을 따로 제작하여 교체함으로써 저렴한 비용으로 이루어질 수 있게 된다.

일례로, 배출홀의 직경의 변경을 위해서는 변경된 배출홈을 갖는 외부포스트를 제작 교체함으로써, 연료배출부와 기타 구성물품을 그대로 활용할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 본 발명의 분해사시도.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 측단면도.

도 3은 도 2의 도시된 본 발명의 aa선에 따른 종단면도.

도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 전단부를 확대하여 사용상태를 나타낸 부분 측단면도.

도 5는 도 4에 도시된 전단부의 다른 사용상태를 나타낸 부분 측단면도.

도 6은 종래의 기술을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 인젝터

1 : 외부케이스

11 : 제1케이스

111 : 제1관체 112 : 연료주입구 113 : 플랜지 c1 : 내부공간

12 : 제2케이스

121 : 제2관체 c2 : 이송공간 122 : 플랜지판

124 : 공급홀 123 : 후방플랜지판

13 : 외부포스트

131 : 배출홀 132 : 연장부 133 : 산화제유로

2 : 연료배출부

21 : 내부관

21a : 후단부 21b : 전단부 211 : 연료통과공 212 : 분출홀

22 : 샤프트커넥터

3 : 이송부

31 : 가이드샤프트

32 : 구동기 321 : 리니어 모션 모터

R : 리세스 길이 A : 애뉼러갭 B : 고정체 S : 씰링부재

Claims (4)

1. 기체 산화제가 분출되는 배출홀(131)이 형성되는 외부케이스부(1);

   상기 배출홀(131)의 중앙에 위치하여 액체연료가 스월 배출되는 분출홀(212)이 형성된 연료배출부(2); 및

   상기 연료배출부(2)를 상기 외부케이스부(1)의 내부에서 슬라이딩 이동시켜 상기 분출홀(212)의 끝단과 상기 배출홀(131)의 끝단까지의 리세스 길이(R)를 가변되게 하는 이송부(3);가 포함되는 것을 특징으로 하는 미립화 테스트가 가능한 전단 동축형 스월 인젝터.
2. 제1항에서, 상기 외부케이스부(1)에는

   외주면에 형성된 연료주입구(112)를 통하여 주입된 액체연료가 채워지며, 상기 연료배출부(2)가 슬라이딩되는 내부공간(c1)을 구비하는 제1케이스(11)와,

   상기 제1케이스(11)와 분리가능하게 결합되며, 전방에 연장 형성된 플랜지판(122)에는 상기 기체 산화제가 유입되는 공급홀(124)이 형성되고, 상기 연료배출부(2)가 슬라이딩되는 이송공간(c2)을 구비하는 제2케이스(12)와,

   상기 배출홀(131)이 형성되어 상기 제2케이스(12)와 분리가능하게 결합되며, 상기 기체 산화제가 통과하는 산화제유로(133)를 형성하는 외부포스트(13)가 포함되는 것을 특징으로 하는 전단 동축형 스월 인젝터.
3. 제1항에서, 상기 연료배출부(2)에는

   전단에는 상기 분출홀(212)이 형성되고, 후측의 외주면에는 내경에 접하는 방향으로 액체연료가 통과하는 연료통과공(211)이 형성되는 내부관(21)과,

   상기 내부관(21)의 후단을 기밀하는 샤프트커넥터(22)가 포함되는 것을 특징으로 하는 전단 동축형 스월 인젝터.
4. 제3항에서, 상기 이송부(3)는

   상기 샤프트커넥터(22)의 후방에 결합되어 상기 외부케이스의 외부로 돌출되는 가이드샤프트(31)와, 상기 가이드샤프트(31)를 전후 방향으로 이동시키는 구동기(32)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전단 동축형 스월 인젝터.

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