KR101388098B1 - Consecutive self-cyclic clustering system of detonation combustors - Google Patents

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KR101388098B1 KR1020130024572A KR20130024572A KR101388098B1 KR 101388098 B1 KR101388098 B1 KR 101388098B1 KR 1020130024572 A KR1020130024572 A KR 1020130024572A KR 20130024572 A KR20130024572 A KR 20130024572A KR 101388098 B1 KR101388098 B1 KR 101388098B1
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김도헌
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Abstract

A combustor according to the present invention that causes detonation waves to be generated by igniting a propellent includes main combustors (10) that connect multiple combustion tubes at respective inlets with one supply manifold (20) interposed; an ignition plug (30) that is disposed in one of the combustion tubes of the main combustors (10); and branch pipes (40) that connect the adjacent combustion tubes of the main combustors (10) with each other. Accordingly, combustion efficiency can be increased so the present invention can be applied in an eco-friendly manner to various industrial fields such as an energy industry, and the supersonic combustion method having a high thrust of the present invention can be expected to contribute to the development of the national defense and aerospace industries.

Description

데토네이션 연소기의 연속 자가 사이클 클러스터링 시스템{Consecutive self-cyclic clustering system of detonation combustors}Continuous self-cyclic clustering system of detonation combustor

본 발명은 데토네이션 연소기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연소 효율이 높아 에너지를 비롯한 다양한 산업분야에 친환경적인 적용이 가능하고 높은 추력을 가지는 초음속 연소방식으로 국방 및 항공우주 분야의 발전을 기대할 수 있는 데토네이션 연소기의 연속 자가 사이클 클러스터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a detonation combustor, and more specifically, the combustion efficiency is high, and environmentally friendly applications are possible in various industrial fields including energy, and a supersonic combustion method having high thrust can be expected to develop in the defense and aerospace fields. A continuous self cycle clustering system of a detonation combustor.

기후변화 및 환경보호에 대한 관심이 커지면서 범세계적으로 에너지절약, 탄소배출량감축 및 환경보호 등을 명분으로 기술규제 도입을 확대하고 있으며, 항공 우주 추진 분야에서도 기존 브레이턴(Brayton) 사이클에 비하여 현격히 높은 열효율을 가지는 추진기관에 대한 연구가 많은 관심을 얻고 있다. As interest in climate change and environmental protection grows, we are expanding the introduction of technology regulations around the world in the name of energy conservation, carbon emission reduction, and environmental protection, and in the field of aerospace propulsion, it is significantly higher than the existing Brayton cycle. Research on propulsion engines with thermal efficiency has received much attention.

일예로, 종래의 정상 연소파를 이용한 연소기를 대체할만한 기술로써 초음속 비정상 연소파인 데토네이션파를 이용한 연소기술이 세계적으로 주목을 받고 있으며, 수소나 탄화수소 계열의 연료인 추진제를 사용하여 데토네이션파를 생성하는 다양한 형태의 연소기 개발이 이루어지고 있다.For example, as a technology to replace a conventional combustor using a normal combustion wave, a combustion technology using a detonation wave, which is a supersonic abnormal combustion wave, has been attracting worldwide attention. Various types of combustors are being developed.

이와 관련되는 선행특허로서, 미국 공개특허공보 제2011-0302908호는 무밸브 방식의 멀티튜브 데토네이션 엔진에 관한 것으로서 다수의 데토네이션 튜브가 독립적 방전 배출구 및 공통 공기/연료 혼합물 흡입구에 서로 연결된 구성을 제안하여, 공기/연료 혼합물 흡입구가 폭발에 기인한 배압을 최소화하고 업스트림으로 흐르는 백 플루오 쇼크파를 효과적으로 감소한다. As a related patent, US Patent Publication No. 2011-0302908 relates to a valveless multi-tube detonation engine, in which a plurality of detonation tubes are connected to an independent discharge outlet and a common air / fuel mixture inlet. Proposed, the air / fuel mixture inlet minimizes the back pressure due to explosion and effectively reduces the back fluoroshock wave flowing upstream.

그러나, 상기한 선행특허에 의하면 각각의 점화원을 지닌 다수의 연소기를 단순하게 묶어 동시에 구동하는 방식이므로, 점화원을 축소하고 다수의 연소기를 순차적인 사이클로 구동하는 방식으로 효율 및 성능을 제고하는 기술적 진보를 도모할 여지가 있다.However, according to the above-mentioned patent, since a plurality of combustors having respective ignition sources are simply tied and driven simultaneously, a technical progress of improving efficiency and performance by reducing ignition sources and driving a plurality of combustors in a sequential cycle is provided. There is room for planning.

1. 미국 공개특허공보 제2011-0302908호 "MULTITUBE VALVELESS PULSE DETONATION ENGINE"(공개일자 : 2011. 12. 15.)1. United States Patent Application Publication No. 2011-0302908 "MULTITUBE VALVELESS PULSE DETONATION ENGINE" (published date: 2011. 12. 15.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 연소 효율이 높아 에너지를 비롯한 다양한 산업분야에 친환경적인 적용이 가능하고 높은 추력을 가지는 초음속 연소방식으로 국방 및 항공우주 분야의 발전을 기대할 수 있는 데토네이션파를 고효율, 고성능 추력기에 응용하기 위해 데토네이션파 연소기의 연속 자가 사이클 클러스터링 시스템을 제공하는 데 있다.An object of the present invention for improving the conventional problems as described above, the high efficiency of the combustion is possible environmentally applicable to a variety of industries, including energy, and anticipated the development of the defense and aerospace sector with a supersonic combustion method having a high thrust. The present invention provides a continuous self-cycle clustering system of a detonation wave combustor for applying a detonation wave to a high efficiency, high performance thruster.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 추진제를 점화하여 데토네이션파의 발생을 유발하는 연소기에 있어서: 다수의 연소튜브를 각각의 입구 상에서 하나의 공급매니폴드를 개재하여 연결한 주연소기; 상기 주연소기 중의 하나의 연소튜브에 설치되는 점화플러그; 및 상기 주연소기에서 인접한 연소튜브 사이를 각각 연결하는 분기관;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a combustor for igniting a propellant to cause the generation of a detonation wave: a main combustion apparatus for connecting a plurality of combustion tubes via one supply manifold on each inlet; An ignition plug installed in one combustion tube of the main combustion engine; And branch pipes respectively connecting between adjacent combustion tubes in the main combustion chamber.

또, 본 발명에 따르면 상기 주연소기의 연소튜브는 U자형으로 벤딩된 관체를 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention is characterized in that the combustion tube of the main combustion machine uses a tube bent in a U-shape.

또, 본 발명에 따르면 상기 공급매니폴드는 유로 변동을 위한 각각의 제어밸브를 개재하여 주연소기에 연결되는 것을 특징으로 한다.Further, according to the present invention, the supply manifold is connected to the main combustion device via each control valve for fluctuation of the flow path.

또, 본 발명에 따르면 상기 분기관 중의 하나에 유로 변동을 위한 제어밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention is characterized in that one of the branch pipes is provided with a control valve for fluctuation of the flow path.

이때, 상기 제어밸브는 첫번째 연소튜브에서 두번째 연소튜브로 점화가 이루어진 이후 개방하는 것을 특징으로 한다.At this time, the control valve is characterized in that the opening after the ignition from the first combustion tube to the second combustion tube.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 연소 효율이 높아 에너지를 비롯한 다양한 산업분야에 친환경적인 적용이 가능하고 높은 추력을 가지는 초음속 연소방식으로 국방 및 항공우주 분야의 발전을 기대할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to expect the development of the defense and aerospace sectors in the supersonic combustion method having high thrust and high thrust and eco-friendly application to various industrial fields including energy.

도 1은 본 발명에 따른 데토네이션 연소기 시스템을 나타내는 사시도
도 2는 본 발명에 따른 데토네이션 연소기 시스템을 나타내는 정면도
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 연소 방향을 예시하는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 연소 타이밍을 나타내는 도표1 is a perspective view showing a detonation combustor system according to the present invention
2 is a front view showing a detonation combustor system according to the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a combustion direction of a system according to the present invention;
4 is a diagram showing the combustion timing of the system according to the invention.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 추진제를 점화하여 데토네이션파의 발생을 유발하는 연소기에 관련된다. 추진제는 수소나 탄화수소 계열, 예컨대 산소(O2)-아세틸렌(C2H2) 혼합기체를 사용하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 추진제를 점화하여 연소를 유발하면 비정상 초음속 연소파인 데토네이션파에 의한 고추력을 얻게 된다.The present invention relates to a combustor that ignites a propellant to cause the generation of a detonation wave. Propellants use, but are not limited to, hydrogen or hydrocarbon series such as oxygen (O 2 ) -acetylene (C 2 H 2 ) mixed gas. When the propellant is ignited to cause combustion, the thrust force obtained by the detonation wave, an abnormal supersonic combustion wave, is obtained.

본 발명에 따르면 주연소기(10)가 다수의 연소튜브를 각각의 입구 상에서 하나의 공급매니폴드(20)를 개재하여 연결한 구조이다. 연소튜브는 입구와 출구를 지니는 관체로서 동일한 규격으로 형성하여 방사상으로 연결된 주연소기(10)를 이룬다. 주연소기(10)의 연소튜브들은 하나의 공급매니폴드(20)를 통하여 입구를 상호 연통시킨다. 공급매니폴드(20)는 연소튜브의 수에 맞추어 방사상으로 형성되고, 외부의 추진제 공급기(도시 생략)와 연결된다.According to the present invention, the main combustion apparatus 10 has a structure in which a plurality of combustion tubes are connected through one supply manifold 20 on each inlet. The combustion tube is a tube having an inlet and an outlet, and is formed in the same standard to form a main combustion device 10 connected radially. The combustion tubes of the main combustor 10 communicate with the inlet via one supply manifold 20. The supply manifold 20 is formed radially in accordance with the number of combustion tubes, and is connected to an external propellant feeder (not shown).

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 주연소기(10)의 연소튜브는 U자형으로 벤딩된 관체를 사용하는 것을 특징으로 한다. 연소튜브에서 벤딩된 곡관부를 제외한 직관부를 입구부와 출구부로 구분할 때, 입구부 길이가 출구부 길이에 비하여 다소 짧은 것이 좋다. U자형으로 벤딩된 연소튜브를 적용함에 따라 주연소기(10)에서 데토네이션파 생성의 신뢰성이 향상된다.According to a detailed configuration of the present invention, the combustion tube of the main combustion device 10 is characterized in that the use of the tube bent in a U-shape. When the straight pipe portion except for the curved tube bent in the combustion tube is divided into the inlet portion and the outlet portion, it is preferable that the inlet length is somewhat shorter than the outlet length. As the U-shaped bent combustion tube is applied, the reliability of the detonation wave generation in the main combustion apparatus 10 is improved.

또한 U자형 연소 튜브를 사용함으로써 튜브의 출구와 입구의 거리를 줄여 분기관의 거리를 단축시킴으로써 데토네이션파의 전달성능을 향상 시킨다.In addition, the U-shaped combustion tube reduces the distance between the outlet and the inlet of the tube to shorten the distance of the branch pipe, thereby improving the transfer performance of the detonation wave.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 공급매니폴드(20)는 유로 변동을 위한 각각의 제어밸브(25)를 개재하여 주연소기(10)에 연결되는 것을 특징으로 한다. 제어밸브(25)의 유로 변동은 유로 단속과 유로 단면적 변동 기능을 포함하는 의미이다. 유로 단속 기능에 의하여 시동과 정지를 수행할 수 있고, 유로 단면적 변동 기능에 의하여 추력을 변동할 수 있다. 제어밸브(25)는 디지털 출력에 의한 작동이 가능한 전자밸브를 의미하지만 유공압 구동식 밸브, 체크밸브 방식의 배기 충격파에 의해 발생하는 압력차로 구동되는 자가제어 밸브 등을 배제하는 것은 아니다.According to a detailed configuration of the present invention, the supply manifold 20 is characterized in that it is connected to the main combustion device 10 via each control valve 25 for fluctuation of the flow path. The fluctuation of the flow path of the control valve 25 is meant to include flow path control and flow path cross-sectional area fluctuation functions. Start and stop can be performed by the flow path interruption function, and thrust can be changed by the flow path cross-sectional area fluctuation function. The control valve 25 means a solenoid valve capable of operating by a digital output, but does not exclude a hydraulic control valve, a self-control valve driven by a pressure difference generated by an exhaust shock wave of a check valve method.

또, 본 발명에 따르면 상기 주연소기(10) 중의 하나의 연소튜브에 점화플러그(30)가 설치되는 구조이다. 도 2에서 주연소기(10)가 1번 연소튜브(11), 2번 연소튜브(12), 3번 연소튜브(13), 4번 연소튜브(14), 5번 연소튜브(15), 6번 연소튜브(16)로 이루어지는 구성을 예시한다. 주연소기(10)에 구성되는 연소튜브의 수량은 시스템의 용량에 따라 광범위하게 선택될 수 있다. 어느 경우에나 주연소기(10)에서 점화플러그(30)가 설치되는 것을 편의상 1번 연소튜브(11)로 지칭한다. 본 발명은 주연소기(10)의 연소튜브의 수량에 무관하게 단 하나의 점화플러그(30)만 구비하여 반복적인 데토네이션파의 발생을 유도한다.In addition, according to the present invention is a structure in which the spark plug 30 is installed in one combustion tube of the main combustion device (10). In FIG. 2, the main combustion engine 10 includes the first combustion tube 11, the second combustion tube 12, the third combustion tube 13, the fourth combustion tube 14, and the fifth combustion tube 15, 6. The structure which consists of the burner tube 16 is illustrated. The quantity of combustion tubes configured in the main combustion apparatus 10 can be selected in a wide range depending on the capacity of the system. In any case, the installation of the spark plug 30 in the main combustion chamber 10 is referred to as the first combustion tube 11 for convenience. The present invention is provided with only one spark plug 30 irrespective of the number of combustion tubes of the main combustion apparatus 10 to induce the generation of repetitive detonation waves.

물론, 주연소기(10)의 연소튜브는 6개에 한정되는 것이 아니고 용도에 따라 다양하게 선택될 수 있다.Of course, the combustion tubes of the main combustion apparatus 10 is not limited to six, but may be variously selected according to the use.

또, 본 발명에 따르면 분기관(40)이 상기 주연소기(10)에서 인접한 연소튜브 사이를 각각 연결하는 구조이다. 도 2에서, 1번 연소튜브(11)의 출구부에서 2번 연소튜브(12)의 입구부에 1번 분기관(40)이 연결되고, 같은 방식으로 2번 연소튜브(12)에서 6번 연소튜브(16)에 이르기까지 2번~6번 분기관(40)이 연결된다. 분기관(40)은 일측 연소튜브에서 생성된 연소 화염의 일부를 인접한 연소튜브에 전달하는 통로이므로 연소튜브보다는 작은 직경의 관체를 사용한다.Further, according to the present invention, the branch pipe 40 has a structure for connecting between adjacent combustion tubes in the main combustion chamber 10, respectively. In Fig. 2, the first branch pipe 40 is connected to the inlet of the second combustion tube 12 at the outlet of the first combustion tube 11, and the sixth time at the second combustion tube 12 in the same way. 2 to 6 branch pipe 40 is connected to the combustion tube 16. Branch pipe 40 is a passage for transmitting a portion of the combustion flame generated in one combustion tube to the adjacent combustion tube, so uses a tube of smaller diameter than the combustion tube.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 분기관(40) 중의 하나에 유로 변동을 위한 제어밸브(45)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 분기관(40)의 제어밸브(45)는 유로 단속 기능이 우선적이며 유로 단면적 변동 기능을 포함할 수도 있다. 물론 제어밸브(45)도 디지털 출력에 의한 작동이 가능한 전자밸브를 사용하지만 유공압 구동식 밸브를 배제하는 것은 아니다. 제어밸브(45)는 초기 점화시 데토네이션파의 전파를 설정된 일방향으로 유도하기 위한 연소방향 제어 기능을 수행하는 것으로 정상 가동 상태에서는 항시 개방 상태를 유지한다.According to the detailed structure of this invention, the control valve 45 for fluctuation of a flow path is provided in one of the said branch pipes 40, It is characterized by the above-mentioned. The control valve 45 of the branch pipe 40 has a flow path interruption function and may include a flow path cross-sectional area variation function. Of course, the control valve 45 also uses a solenoid valve capable of operating by a digital output, but does not exclude the hydraulic-pneumatic valve. The control valve 45 performs a combustion direction control function for guiding the propagation of the detonation wave in one set direction during the initial ignition and maintains the open state at all times in the normal operation state.

이때, 상기 제어밸브(45)는 첫번째 연소튜브에서 두번째 연소튜브로 점화가 이루어진 이후 개방하는 것을 특징으로 한다. 제어밸브(45)는 1번 연소튜브(11)에서 데토네이션이 발생하고 인접한 2번 연소튜브(12)에서 연소가 개시되는 순간 이후에 개방한다. 이러한 타이밍 제어는 점화플러그(30)의 온오프 신호에 연동하여 처리될 수도 있고, 2번 연소튜브(12)에 별도의 센서(도시 생략)를 장착하여 처리될 수 있다.At this time, the control valve 45 is characterized in that the opening after the ignition from the first combustion tube to the second combustion tube. The control valve 45 opens after the moment when detonation occurs in the first combustion tube 11 and combustion commences in the adjacent second combustion tube 12. Such timing control may be processed in conjunction with the on / off signal of the spark plug 30, or may be processed by attaching a separate sensor (not shown) to the second combustion tube 12.

작동에 있어서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 1번 연소튜브(11)에 추진제가 충진되고 점화플러그(30)가 일시적으로 온되면, 1번 연소튜브(11)에서 데토네이션파가 생성되는 동시에 그 일부가 분기관(40)을 통하여 2번 연소튜브(12)에서 데토네이션를 생성하고, 계속하여 6번 연소튜브(16)에서 데토네이션파가 생성되어 하나의 사이클이 완성된다. 이어서 6번 연소튜브(16)의 분기관(40)에 의하여 다시 1번 연소튜브(11)에서 데토네이션파가 생성되므로 추진제가 공급되는 동안 반복적인 사이클로 추력을 발생하게 된다. 물론, 하나의 사이클의 소요 시간은 주연소기(10)의 연소튜브의 길이, 분기관(40)의 길이, 연소튜브의 클러스터링 개수 등에 따라 결정된다.3 and 4, when the propellant is filled in the combustion tube 11 and the spark plug 30 is temporarily turned on, a detonation wave is generated in the combustion tube 11. At the same time, a portion of which produces a detonation in combustion tube 12 through combustion branch 12, followed by a detonation wave in combustion tube 16 in sixth stage to complete one cycle. Subsequently, since the detonation wave is generated in the combustion tube 11 again by the branch pipe 40 of the combustion tube 16, the thrust is repeatedly generated while the propellant is supplied. Of course, the time required for one cycle is determined according to the length of the combustion tube of the main combustion chamber 10, the length of the branch pipe 40, the number of clustering of the combustion tube, and the like.

이와 같이 본 발명은 점화플러그(30)를 단지 1회만 작동하더라도 연속 동작 사이클을 가지는 데토네이션파를 발생할 수 있다.As such, the present invention may generate a detonation wave having a continuous operation cycle even when the spark plug 30 is operated only once.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

10: 주연소기 11~16: 1번 연소튜브~6번 연소튜브
20: 공급매니폴드 25: 제어밸브
30: 점화플러그 40: 분기관
45: 제어밸브10: main combustion machine 11 ~ 16: combustion tube 1 ~ 6 combustion tube
20: supply manifold 25: control valve
30: spark plug 40: branch pipe
45: control valve

Claims (5)

추진제를 점화하여 데토네이션파의 발생을 유발하는 연소기에 있어서:
다수의 연소튜브를 각각의 입구 상에서 하나의 공급매니폴드(20)를 개재하여 연결한 주연소기(10);
상기 주연소기(10) 중의 하나의 연소튜브에 설치되는 점화플러그(30); 및
상기 주연소기(10)에서 인접한 연소튜브 사이를 각각 연결하는 분기관(40);을 포함하여 이루어지고,
상기 분기관(40) 중의 하나에 유로 변동을 위한 제어밸브(45)를 구비하며,
상기 제어밸브(45)는 첫번째 연소튜브에서 두번째 연소튜브로 점화가 이루어진 이후 개방하는 것을 특징으로 하는 데토네이션 연소기의 연속 자가 사이클 클러스터링 시스템.In combustors that ignite propellants to cause detonation waves:
A main combustion apparatus (10) connecting a plurality of combustion tubes to each inlet via one supply manifold (20);
An ignition plug (30) installed in one combustion tube of the main combustion chamber (10); And
It comprises a; branch pipes 40 for connecting between adjacent combustion tubes in the main combustion chamber 10, respectively,
One of the branch pipe 40 is provided with a control valve 45 for changing the flow path,
The control valve (45) is a continuous self cycle clustering system of the detonation combustor, characterized in that the opening after the ignition from the first combustion tube to the second combustion tube. 청구항 1에 있어서,
상기 주연소기(10)의 연소튜브는 U자형으로 벤딩된 관체를 사용하는 것을 특징으로 하는 데토네이션 연소기의 연속 자가 사이클 클러스터링 시스템.The method according to claim 1,
The combustion tube of the main combustion chamber (10) is a continuous self-cycle clustering system of the detonation combustor, characterized in that using the U-shaped bent tube. 청구항 1에 있어서,
상기 공급매니폴드(20)는 유로 변동을 위한 각각의 제어밸브(25)를 개재하여 주연소기(10)에 연결되는 것을 특징으로 하는 데토네이션 연소기의 연속 자가 사이클 클러스터링 시스템.The method according to claim 1,
The supply manifold (20) is a continuous self-cycle clustering system of the detonation combustor, characterized in that connected to the main combustion (10) via each control valve (25) for fluctuation of the flow path. 삭제delete 삭제delete
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