KR101807535B1 - 스크램제트 엔진용 시험 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 10Mpa 이상의 고압과 1800K이상의 고온의 환경에서 라이너의 파손을 방지할 수 있는 스크램제트 엔진용 시험 장치를 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 스크램제트 엔진용 시험 장치는, 스크램제트 엔진용 시험 장치로, 고압의 환경을 견디는 파이프; 상기 파이프 내에 구비되고 고온의 환경을 견디는 관 형상의 제1 라이너; 및 상기 파이프 내에 구비되고 상기 제1 라이너의 후단부의 내주면에 선단부의 외주면이 겹쳐 놓이며 상기 고온의 환경을 견디는 관 형상의 제2 라이너를 포함한다.

Description

스크램제트 엔진용 시험 장치{Testing apparatus for Scramjet engine}
본 발명은 스크램제트 엔진을 테스트 하기 위한 스크램제트 엔진용 시험 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 스크램제트 엔진(Scramjet engine)은, 초음속 연소 램제트 엔진(Supersonic Combustion Ramjet engine)의 약어로, 램제트 엔진의 한 변형된 형태이다.
스크램제트 엔진은 램제트 엔진과 마찬가지로 공기 흡입구와, 연소실과, 그리고 노즐을 포함하나, 램제트 엔진에서는 공기가 흡입구 내에서 경사충격파 및 수직충격파를 형성하게 되어 흡입구를 지나면서 아음속으로 감속되어 연소실로 유입되는 반면, 스크램 제트 엔진에서는 공기가 흡입구 내에서 경사충격파 만을 형성하게 되어 감속되기는 하나 초음속으로 유지된 채 연소실로 유입된다.
이렇게 초음속으로 공기가 연소실로 유입되는 스크램제트 엔진을 지상에서 시험하기 위해서는 10Mpa 이상의 고압과 1800K 이상의 고온을 견딜 수 있는 시험 장치가 필요하다.
기존의 스크램제트 엔진용 시험 장치(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 10Mpa 이상의 고압을 견딜 수 있는 파이프(pipe)(11)와, 파이프(11)의 내부에 구비되어 1800K 이상의 고온을 견딜 수 있는 관 형상의 라이너(liner)(12)와, 파이프(11)와 라이더(12) 사이의 간격을 유지시키는 스페이서(spacer)(13)를 포함한다.
하지만, 기존의 스크램제트 엔진용 시험 장치는, 불어내기식 극초음속 고 엔탈피 풍동으로 시험시간이 30초 이상 유지될 경우, 라이너의 내부 압력과 라이너와 파이프 사이의 압력 차이로 라이너가 파손되는 문제가 있고, 라이너의 열팽창으로도 라이너가 파손되는 문제가 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 고압과 고온의 환경에서 라이너의 파손을 방지할 수 있는 스크램제트 엔진용 시험 장치를 제공하는 것이다.
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상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치는, 스크램제트 엔진용 시험 장치로, 고압의 환경을 견디는 곡관 형태의 파이프; 상기 파이프 내에 구비되고 고온의 환경을 견디는 직관 형태의 제1 라이너; 및 상기 파이프 내에 구비되고 상기 고온의 환경을 견디는 직관 형태의 제2 라이너;를 포함하고, 상기 직관 형태의 제1 및 제2 라이너 각각이 복수 개로 절단되며, 그리고 상기 복수 개로 절단된 제1 및 제2 라이너의 각 조각이 곡관 형태를 따라 겹쳐 배치되고, 상기 제1 및 제2 라이너의 각 조각의 겹쳐진 틈으로 압력이 이동되고, 상기 제1 라이너의 각 조각은 그 길이 전체에 대해 동일한 내경과 동일한 외경을 가지는 직선의 관이고, 상기 제2 라이너의 각 조각은 그 길이 전체에 대해 동일한 내경과 동일한 외경을 가지는 직선의 관이고, 상기 제1 라이너의 각 조각의 내경은 상기 제2 라이너의 각 조각의 외경 보다 크고, 상기 제1 라이너의 제1 조각과 상기 제2 라이너의 제1 조각은 일 열로 배치되고, 상기 제1 라이너의 상기 제1 조각의 후단부의 내주면은 상기 제2 라이너의 상기 제1 조각의 선단부의 외주면에 겹쳐 놓이고, 상기 제1 라이너의 상기 제1 조각의 선단과 상기 제1 라이너의 제2 조각이 서로 상기 곡관 형태에 맞게 경사져 접합되어 제1 접합부를 이루고, 상기 제2 라이너의 상기 제1 조각의 후단과 상기 제2 라이너의 제2 조각이 서로 상기 곡관 형태에 맞게 경사져 접합되어 제2 접합부를 이루고, 상기 스크램제트 엔진용 시험 장치는, 상기 제1 접합부를 상기 곡선 파이프와 간격을 두고 상기 곡선 파이프의 내주면에 지지시키는 제1 스페이서; 및 상기 제2 접합부를 상기 곡선 파이프와 간격을 두고 상기 곡선 파이프의 내주면에 지지시키는 제2 스페이서;를 더 포함한다.
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이상에서와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 파이프와, 제1 라이너와, 그리고 제2 라이너를 포함하고, 제1 라이너의 후단부의 내주면에 제2 라이너의 선단부의 외주면이 서로 겹치는 기술구성을 제공하므로, 불어내기식 극초음속 고 엔탈피 풍동으로 시험시간이 30초 이상 유지되더라도, 제1 및 제2 라이너의 서로 겹쳐진 틈으로 압력 이동이 이루어지면서 제1 및 제2 라이너의 내부 압력과 제1 및 제2 라이너와 파이프 사이의 압력 차이가 줄어들어 압력 차이로 인한 제1 및 제2 라이너의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 제1 및 제2 라이너가 열팽창이 되더라도 제2 라이너의 외주면이 제1 라이너의 내주면으로 슬라이딩되며 이동될 수 있어 열팽창으로 인한 제1 및 제2 라이너가 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 기존의 스크램제트 엔진용 시험 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 파이프(110)와, 제1 라이너(120)와, 그리고 제2 라이너(130)를 포함한다. 이하, 도 2를 계속 참조하여, 각 구성요소에 대해 상세히 설명한다.
파이프(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이 스크램제트 엔진용 시험 장치(100)의 외장을 이루는 것으로, 10Mpa 이상의 고압의 내부 환경을 견딜 수 있도록 마련된 구성요소이다. 예를 들어, 10Mpa 이상의 고압을 견딜 수 있도록, 파이프(110)는 압력 규격에 맞는 탄소강 또는 스테인리스강(SUS: steel use stainless)로 이루어질 수 있고, 압력 규격에 맞는 두께로 설계될 수 있다.
제1 라이너(120)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 파이프(110) 내에 구비되고, 관 형상을 가지며, 그리고 1800K 이상의 고온의 환경을 견딜 수 있도록 마련된 구성요소이다. 예를 들어, 1800K 이상의 고온을 견딜 수 있도록, 제1 라이너(120)는 인코넬(inconel), 하스텔로이(hastelloy), 탄탈지르코늄몰리브덴합금(TZM: tantalum-zirconium-molybdenum alloy) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
제2 라이너(130)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 파이프(110) 내에 구비되고, 관 형상을 가지고, 그 선단부의 외주면이 제1 라이너(120)의 후단부의 내주면에 겹쳐 놓이며, 그리고 1800K 이상의 고온의 환경을 견딜 수 있도록 마련된 구성요소이다. 예를 들어, 1800K 이상의 고온을 견딜 수 있도록, 제1 라이너(120)는 인코넬(inconel), 하스텔로이(hastelloy), 탄탈지르코늄몰리브덴합금(TZM: tantalum-zirconium-molybdenum alloy) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
따라서, 제2 라이너(130)의 선단부의 외주면이 제1 라이너(120)의 후단부의 내주면에 서로 겹치므로, 불어내기식 극초음속 고 엔탈피 풍동으로 시험시간이 30초 이상 유지되더라도, 제1 및 제2 라이너(120)(130)의 서로 겹쳐진 틈으로 압력 이동이 이루어지면서 제1 및 제2 라이너(120)(130)의 내부 압력과 제1 및 제2 라이너(120)(130)와 파이프(110) 사이의 압력 차이가 줄어들어 압력 차이로 인한 제1 및 제2 라이너(120)(130)의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 라이너(120)(130)가 열팽창이 되더라도 제2 라이너(130)의 외주면이 제1 라이너(120)의 내주면으로 슬라이딩되며 이동될 수 있어 열팽창으로 인한 제1 및 제2 라이너(120)(130)가 파손을 방지할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치(100)의 가동 전, 가동 중, 그리고 가동 후, 모두에 대해, 제1 라이너(120)의 후단부와 제2 라이너(130)의 선단부는 서로 겹쳐진 상태로 유지될 수 있다. 따라서, 온도에 상관 없이 제1 라이너(120)의 후단부와 제2 라이너(130)의 선단부는 서로 빠지지 않고 서로 슬라이딩 가능하게 안정적으로 유지될 수 있다.
나아가, 도 2에 도시된 바와 같이, 파이프(110)가 직관 형태를 가질 경우, 제1 및 제2 라이너(120)(130) 각각은 직관 형태를 따라 일 열로 배치될 수 있다.
이와 더불어, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 스페이서(140)(150)를 더 포함할 수 있다.
제1 스페이서(140)는 제1 라이너(120)와 파이프(110) 사이의 간격을 유지시키고, 제2 스페이서(150)는 제2 라이너(130)와 파이프(110) 사이의 간격을 유지시킨다. 나아가, 동일한 내경의 파이프(110)에서 제1 라이너(120)가 제2 라이너(130)보다 큰 외경을 가지는 것을 감안할 경우, 파이프(110)의 원형 단면의 반경 방향을 기준으로, 제1 스페이서(140)는 제2 스페이서(150) 보다 작은 두께를 가질 수 있다.
이하, 도 3을 참조하며, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치(200)를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 파이프(210)가 곡관 형태를 가지고, 직관 형태의 제1 및 제2 라이너(220)(230)가 복수의 조각으로 절단되어 곡관 형태로 배치되는 것을 제외하고는, 상술한 본 발명의 일 실시예와 동일하므로, 이하에서는 이러한 차이 위주로 설명한다.
파이프(210)는 곡관 형태로 준비되고, 제1 및 제2 라이너(220)(230) 각각은 직관 형태로 준비된다.
직관 형태의 제1 및 제2 라이너(220)(230) 각각이 복수의 조각으로 절단되고, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 조각으로 절단된 제1 및 제2 라이너(220)(230)의 각 조각들이 곡관 형태를 따라 배치된다.
구체적으로, 제1 라이너(220)의 제1 조각(221)과 제2 라이너(230)의 제1 조각(231)은 일 열로 배치되고, 제1 라이너(220)의 제1 조각(221)의 후단부의 내주면은 제2 라이너(230)의 제1 조각(231)의 선단부의 외주면에 겹쳐 놓이고, 제1 라이너(220)의 제1 조각(221)의 선단에는 제1 라이너(220)의 제2 조각(222)이 곡관 형태에 맞게 경사져 용접 등을 통해 접합되며, 그리고 제2 라이너(230)의 제1 조각(231)의 후단에는 제2 라이너(230)의 제2 조각(232)이 곡관 형태에 맞게 경사져 용접 등을 통해 접합될 수 있다. 파이프(210)의 곡률 반경이 클 경우에도 이러한 방식으로 연속해서 각 조각들을 배치시면 된다.
따라서, 상술한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 제1 및 제2 라이너(220)(230)가 재질 등의 문제로 곡관 형태를 가지지 못하더라도, 제1 및 제2 라이너(220)(230)의 조각 들이 서로 겹치는 구조를 통해 제1 및 제2 라이너(220)(230)의 조각들의 서로 겹쳐진 틈으로 압력 이동이 이루어지면서 제1 및 제2 라이너(220)(230)의 내부 압력과 제1 및 제2 라이너(220)(230)와 파이프(210) 사이의 압력 차이가 줄어들어 압력 차이로 인한 제1 및 제2 라이너(220)(230)의 조각들의 파손을 방지할 수 있고, 나아가, 제1 및 제2 라이너(220)(230)가 열팽창이 되더라도 제2 라이너(230)의 제1 조각(231)의 외주면이 제1 라이너(220)의 제1 조각(221)의 내주면으로 슬라이딩되며 이동될 수 있어 열팽창으로 인한 제1 및 제2 라이너(220)(230)의 조각들이 파손을 방지할 수 있다. 이와 함께, 제1 및 제2 라이너(220)(230)의 조각 들이 서로 경사져 접합되는 구조를 통해 각 조각들의 직관 형태를 그대로 유지한 채 곡관 형태의 파이프(210)에 실질적으로 대응시킬 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치(300)를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스크램제트 엔진용 시험 장치(300)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 곡관 형태의 제2 파이프(340)와 제3 및 제4 라이너(350)(360)가 더 추가되는 것을 제외하는 상술한 본 발명이 일 실시예와 동일하므로, 이하에서는 이들 위주로 설명한다.
제2 파이프(340)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 곡관 형태를 가지고, 제1 파이프(상술한 본 발명의 일 실시예에 언급된 "파이프"와 동일한 구성요소임, 이하 동일한 도면부호 "110"을 사용함)에 연결되며, 그리고 제1 파이프(110)와 함께 스크램제트 엔진용 시험 장치(300)의 외장을 이루는 것으로, 10Mpa 이상의 고압의 내부 환경을 견딜 수 있도록 마련된 구성요소이다. 예를 들어, 10Mpa 이상의 고압을 견딜 수 있도록, 제2 파이프(340)는 압력 규격에 맞는 탄소강 또는 스테인리스강(SUS: steel use stainless)로 이루어질 수 있고, 압력 규격에 맞는 두께로 설계될 수 있다.
제3 라이너(350)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 직관 형태를 가지고, 곡관 형태의 제2 파이프(340) 내에 구비되며, 그리고 1800K 이상의 고온의 환경을 견딜 수 있도록 마련된 구성요소이다. 예를 들어, 1800K 이상의 고온을 견딜 수 있도록, 제3 라이너는 인코넬(inconel), 하스텔로이(hastelloy), 탄탈지르코늄몰리브덴합금(TZM: tantalum-zirconium-molybdenum alloy) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
제4 라이너(360)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 직관 형태를 가지고, 곡관 형태의 제2 파이프(340) 내에 구비되며, 그리고 제2 파이프(340)의 내주면에 부딪히지 않도록 곡관 형태에 맞게 제3 라이너(350)에 경사져 용접 등을 통해 접합되는 구성요소이다. 제2 파이프(340)의 곡률 반경이 클 경우에도 이러한 방식으로 연속해서 다른 복수의 라이너를 접합시키면 된다. 나아가, 1800K 이상의 고온을 견딜 수 있도록, 제4 라이너(360)는 인코넬(inconel), 하스텔로이(hastelloy), 탄탈지르코늄몰리브덴합금(TZM: tantalum-zirconium-molybdenum alloy) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
따라서, 상술한 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 제3 및 제4 라이너(350)(360)가 재질 등의 문제로 곡관 형태를 가지지 못하더라도, 제3 및 제4 라이너(350)(360)의 직관 형태를 그대로 유지한 채 제3 및 제4 라이너(350)(360)를 서로 경사져 접합하는 방식으로 곡관 형태의 제2 파이프(340)에 실질적으로 대응시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100, 200, 300: 스크램제트 엔진용 시험 장치
110, 210: 파이프 120, 220: 제1 라이너
130, 230: 제2 라이너 140: 제1 스페이서
150: 제2 스페이서 221: 제1 라이너의 제1 조각
222: 제1 라이너의 제2 조각 231: 제2 라이너의 제1 조각
232: 제2 라이너의 제2 조각 340: 제2 파이프
350: 제3 라이너 360: 제4 라이너

Claims (9)

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  7. 스크램제트 엔진용 시험 장치로,
    고압의 환경을 견디는 곡관 형태의 곡선 파이프;
    상기 곡선 파이프 내에 구비되고 고온의 환경을 견디는 직관 형태의 제1 라이너; 및
    상기 곡선 파이프 내에 구비되고 상기 고온의 환경을 견디는 직관 형태의 제2 라이너;
    를 포함하고,
    상기 직관 형태의 제1 및 제2 라이너 각각이 복수 개로 절단되며, 그리고
    상기 복수 개로 절단된 제1 및 제2 라이너의 각 조각이 곡관 형태를 따라 겹쳐 배치되고,
    상기 제1 및 제2 라이너의 각 조각의 겹쳐진 틈으로 압력이 이동되고,
    상기 제1 라이너의 각 조각은,
    그 길이 전체에 대해 동일한 내경과 동일한 외경을 가지는 직선의 관이고,
    상기 제2 라이너의 각 조각은,
    그 길이 전체에 대해 동일한 내경과 동일한 외경을 가지는 직선의 관이고,
    상기 제1 라이너의 각 조각의 내경은 상기 제2 라이너의 각 조각의 외경 보다 크고,
    상기 제1 라이너의 제1 조각과 상기 제2 라이너의 제1 조각은 일 열로 배치되고,
    상기 제1 라이너의 상기 제1 조각의 후단부의 내주면은 상기 제2 라이너의 상기 제1 조각의 선단부의 외주면에 겹쳐 놓이고,
    상기 제1 라이너의 상기 제1 조각의 선단과 상기 제1 라이너의 제2 조각이 서로 상기 곡관 형태에 맞게 경사져 접합되어 제1 접합부를 이루고,
    상기 제2 라이너의 상기 제1 조각의 후단과 상기 제2 라이너의 제2 조각이 서로 상기 곡관 형태에 맞게 경사져 접합되어 제2 접합부를 이루고,
    상기 스크램제트 엔진용 시험 장치는,
    상기 제1 접합부를 상기 곡선 파이프와 간격을 두고 상기 곡선 파이프의 내주면에 지지시키는 제1 스페이서; 및
    상기 제2 접합부를 상기 곡선 파이프와 간격을 두고 상기 곡선 파이프의 내주면에 지지시키는 제2 스페이서;
    를 더 포함하는
    스크램제트 엔진용 시험 장치.
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  9. 삭제
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