KR101046759B1 - 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기 - Google Patents

Abstract

본 발명품은 스크램제트 엔진 연소기 내부의 초음속 유동구간에서 화염을 생성 유지시키는 보염기로, 종래 단순 공동(Cavity) 형상의 보염기보다 향상된 연소반응율을 보여주는 것을 특징으로 한다.

본 보염기는 초음속의 공기를 흡입하여 연료를 혼합하여 연소하여 배출하는 연소기에 관한 것으로, 초음속의 공기를 흡입하는 흡입경로에 수직한 방향으로 지그재그 라인 형상으로 구비된 공동(cavity) 및 상기 지그재그 라인 형상의 공동의 꼭지점 부위에 각각 구비되는 연료분사부(Sonic Fuel Injector)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 보염기는 연소기 벽면에 지그재그(Zigzag) 형태로 파내어 배치된 공동(Cavity) 와 그 상류에 지그재그(Zigzag) 형태로 배치된 연료분사부(Sonic fuel injector)로 구성된다.

이렇게 공동(Cavity) 및 연료분사부(Fuel injector)를 지그재그(Ziazag) 형태로 배치하면 유동에 대해 가로방향으로 압력불균형을 유발하게 되므로 연료와 공기의 혼합을 증진시켜 높은 연소반응율을 나타나게 된다. 실험결과 본 발명을 통한 보염기는 단순 공동(cavity) 형상보다 연소압력이 최대 17% 가량 증진되는 것으로 나타났다. 본 발명품을 스크램제트 엔진에 적용하면 항력저감 및 추력증진의 효과를 기대할 수 있다.

스크램제트(Scramjet), 연소기(Combustor), 보염기(Flame holder), 공동(Cavity)

Description

스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기{Combustion enhancing flame holder for scramjet engine combustor}

본 발명품은 스크램제트 엔진 연소기 내부의 초음속 유동구간에서 화염을 생성 유지시키는 보염기로, 종래의 단순 공동(Cavity) 형상의 보염기보다 향상된 연소반응율을 보여주는 것을 특징으로 하는 보염기에 관한 것이다.

스크램제트 엔진 연소기로 유입되는 공기의 조건은 전온도 2000K 이상의 고온 및 마하수 2~3 수준의 고속조건이다. 이러한 극한 상황에서 화염을 생성시키고 유지시키기 위해 Cavity, Hypermixer, strut 등 다양한 형태의 보염기가 보고된 바 있다. 이중 Cavity는 유동에 항력을 크게 유발하지 않으면서도 보염효과가 탁월하고, 고온유동 노출에 따른 냉각기법도 자유롭게 가져갈 수 있어 많은 스크램제트 엔진에서 사용되고 있다.

도 4는 종래 사용되는 공동(cavity)형 보염기의 예시를 나타내는 사시도이고, 도 5의 (a) 내지 (c)는 종래 사용되는 공동(cavity)형 보염기의 다양한 연료분사방식을 보여주는 단면도이다.

도 4에는 종래 사용되는 공동(Cavity)형 보염기의 예로서 호주의 스크램제트 엔진 연소기를 나타내었다. 도면에서 연료는 연료분사부(20)에서 화살표방향으로 분사되며 공기는 좌측에서 우측방향(2)으로 초음속으로 유입된다. 이 보염기는 연료분사를 유동방향에 대해 반대방향으로 분사하고 있으나, 도 5에 나타난 바와 같이 연료분사의 위치 및 방향에 대한 연소반응 증진에 대한 연구는 다양하게 이루어져왔다. 그러나 유동의 수직방향에 대해 공동(Cavity) 형상을 변화시킨 예는 아직까지 보고되지 않고 있다.

본 발명은 초음속 유동 내부에서 화염을 유지시키는 스크램제트 엔진 연소기 핵심기술로서 종래의 보염기보다 향상된 연소반응율을 제공하며 스크램제트 엔진의 추력 극대화 및 항력최소화를 구현하도록 한다.

본 발명은 초음속의 공기를 흡입하여 연료를 혼합하여 연소하여 배출하는 연소기에 관한 것으로, 초음속의 공기를 흡입하는 흡입경로(1)에 수직한 방향으로 지그재그 라인 형상으로 구비된 공동(cavity, 10); 및 상기 지그재그 라인 형상의 공동(cavity, 10)의 꼭지점(11) 부위에 각각 구비되는 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 상기 흡입경로(1)로 흡입되는 공기의 방향으로 경사지게 상기 공동(cavity, 10)의 상측에 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 흡입경로(1)의 진행방향에 45도 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 꼭지점(11) 및 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 각각 5개가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 기체연료를 음속으로 분사하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 사용하면, 스크램제트 엔진에 본 발명이 적용되는 경우에는 연소기 길이 축소에 따른 항력 감소와 연소반응율 증대에 따른 추력 극대화를 이룰 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 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기를 나타내는 평면도이며, 도 3은 상기 도 2의 A-A' 부분의 단면도이고, 도 6a 내지 도 6c는 비교 실험을 위한 다양한 형상의 보염기이며, 도 7은 상기 도 6a 내지 도 6c의 비교 실험 결과를 보여주는 그래프이다.

도 1 내지 도 3에서 보듯이, 본 발명은 초음속의 공기를 흡입하여 연료를 혼합하여 연소하여 배출하는 연소기에 관한 것으로, 초음속의 공기를 흡입하는 흡입경로(1)에 수직한 방향으로 지그재그 라인 형상으로 구비된 공동(cavity, 10); 및 상기 지그재그 라인 형상의 공동(cavity, 10)의 꼭지점(11) 부위에 각각 구비되는 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20);를 포함하여 구성되는 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기에 관한 것이다.

다양한 실험 및 수치적 연구를 통하여 스크램제트 엔진 연소기 내에서 유동의 수직방향으로 압력섭동이 발생하는 경우 연소효율이 증진되는 것을 확인하였으며 이에 착안하여 도 1과 같은 형태의 보염기를 구상하였다.

본 발명인 보염기(100)는 유동방향의 수직한 방향으로 지그재그(Zigzag) 형태의 공동(Cavity, 10) 형상을 구비하며, 공동라인(Cavity line)의 꼭지점(11) 부위에는 5개의 연료분사부(Sonic fuel injector, 20)를 배치하였다. 연료분사부(Sonic fuel injector, 20)는 기체연료를 흡입경로(1)의 진행방향에 45도 각도로 음속으로 분사하는 것이 바람직하다. 분사된 연료는 마하 2~3의 흡입공기와 맞닿아 충격파를 발생시키며 연소반응을 시작하고, 공동(Cavity) 내부로 흘러들어가 와류를 생성하게 되므로 연료공기 혼합이 더욱 증진되고 연소반응율도 동반상승한다.

이때 연료분사부(Fuel injector, 20) 및 공동(Cavity, 10)의 시작점이 유동의 수직한 방향에 대해 상하류 방향으로 달라지므로 화염대의 위치 또한 변화하게되며 이로 인하여 유동의 수직한 방향으로 압력섭동이 발생하여 연료/공기 혼합 및 연소반응이 더욱 증진된다.

또한, 본 발명에서, 상기 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 상기 흡입경로(1)로 흡입되는 공기의 방향으로 경사지게 상기 공동(cavity, 10)의 상측에 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 흡입경로(1)의 진행방향에 45도 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다. 이는 연료와 흡입 공기의 혼합을 더욱 증진 시키기 위한 것으로, 흡입 공기의 방향과 평행하게 연료를 분사하는 경우에는 동일 방향으로 공기와 연료가 흘러가서 혼합이 효율적으로 이루어지지 않기 때문이다.

도 6a 내지 도 6c에는 비교시험을 위해 사용한 다양한 형상의 보염기를 도시한 것으로, 이는 본 발명의 성능을 확인하기 위한 연소시험에 사용된 것이다. 도 6a는 공동(Cavity)이 없고 연료분사부(Sonic fuel injector)만 있는 형상이고, 도 6b는 일반적인 직선형 공동(Plain cavity)과 연료분사부(Sonic fuel injector)가 있는 형상이며, 도 6c는 본 발명에 해당한다.

도 7은 상기 도 6a 내지 도 6c의 비교실험을 통해 나타난 연소기 내부 연소압력을 보여주고 있다. 도 7에서 확인할 수 있듯이 본 발명(Zigzag Cavity)이 종래의 보염시스템(도 6a, 도 6b)보다 월등히 높은 연소압력(약 17% 이상 증진)을 보여주고 있음을 알 수 있다. 본 발명을 스크램제트 엔진에 적용한다면, 연소기 길이 축소에 따른 항력 감소와 연소반응율 증대에 따른 추력 극대화를 이룰 수 있을 것이다.

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 따른 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기를 나타내는 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기를 나타내는 평면도이며,

도 3은 상기 도 2의 A-A' 부분의 단면도이고,

도 4는 종래 사용되는 공동(cavity)형 보염기의 예시를 나타내는 사시도이며,

도 5의 (a) 내지 (c)는 종래 사용되는 공동(cavity)형 보염기의 다양한 연료분사방식을 보여주는 단면도이고,

도 6a 내지 도 6c는 비교 실험을 위한 다양한 형상의 보염기이며,

도 7은 상기 도 6a 내지 도 6c의 비교 실험 결과를 보여주는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 기호의 설명>

1 : 흡입경로

2 : 공기 흡입 방향

10 : 공동(cavity)

11 : 꼭지점

20 : 연료분사부(Sonic Fuel Injector)

100 : 보염기

Claims (5)

1. 초음속의 공기를 흡입하여 연료를 혼합하여 연소하여 배출하는 연소기에 관한 것으로,

   초음속의 공기를 흡입하는 흡입경로(1)에 수직한 방향으로 지그재그 라인 형상으로 구비된 공동(cavity, 10); 및

   상기 지그재그 라인 형상의 공동(cavity, 10)의 꼭지점(11) 부위에 각각 구비되는 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20);를 포함하여 구성되는 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 상기 흡입경로(1)로 흡입되는 공기의 방향으로 경사지게 상기 공동(cavity, 10)의 상측에 형성된 것을 특징으로 하는 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 흡입경로(1)의 진행방향에 45도 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 꼭지점(11) 및 연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 각각 5개가 구비되는 것을 특징으로 하는 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   연료분사부(Sonic Fuel Injector, 20)는 기체연료를 음속으로 분사하는 것을 특징으로 하는 스크램제트엔진 연소기용 연소증진보염기.

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