KR101954034B1 - 초음속 연료 분사 장치 - Google Patents

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KR101954034B1
KR101954034B1 KR1020180121168A KR20180121168A KR101954034B1 KR 101954034 B1 KR101954034 B1 KR 101954034B1 KR 1020180121168 A KR1020180121168 A KR 1020180121168A KR 20180121168 A KR20180121168 A KR 20180121168A KR 101954034 B1 KR101954034 B1 KR 101954034B1
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최호진
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국방과학연구소
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Abstract

일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치는 외부에서 유입되는 초음속 공기가 유동하는 유동 챔버 및 상기 유동 챔버의 내벽에 연결되고 상기 초음속 공기의 유동 방향과 직각 미만의 각도를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 초음속 연료 분사 장치를 포함할 수 있다.

Description

초음속 연료 분사 장치{SUPERSONIC FUEL INJECTION APPARATUS}
아래의 설명은 초음속 연료 분사 장치에 관한 것이다.
공기흡입 엔진 중 초음속 비행속도(마하수 2 ~ 4)에서 램효과로 공기를 압축시키는 엔진을 램제트 엔진(ramjet engine)이라고 하며 아음속 상태의 연소가 일어나는 램제트 엔진과 구분하여 엔진 내부의 유동이 초음속 상태를 유지하며 연소도 초음속 상태에서 이루어지도록 하는 램제트 엔진을 스크램제트 엔진(SCRAMJET, SUPERSONIC COMBUSTION RAMJET ENGINE)이라고 한다.
스크램제트 엔진 내부에서 연소가 일어나도록 하기 위해서는 주유동에 연료를 분사하여 연료를 공기와 혼합시키는 과정이 필요하다. 별도의 장치 없이 연소실 벽면에서 연료를 분사하게 되면 연료는 주유동 중앙으로 침투하지 못하고 벽면 주변을 따라 흐르게 되는데 이경우, 연료와 공기의 혼합이 잘 안되기 때문에 연소 효율이 감소될 수 있다.
이러한 문제를 극복하기 위하여 다양한 형태의 연료 분사 방법이 제시되고 있는데, 물리적 형상으로 통해 연료의 침투 거리를 증가시키는 방법과 공력적으로 연료 침투 거리를 증가시키는 방법이 있다. 첫 번째 방법은 파일런 형태, 쐐기형태 등의 분사 방법이 있고, 두 번째 방법은 연료 분사 각도를 증가시키거나 분사각도를 다분화 하여 유체역학적 쐐기 형태가 되도록 하여 저항은 줄이면서 침투 거리를 증가시키는 공력 램프 방법이 있다. 또한 이와는 별개로 연료 분사 속도를 높여 침투 거리를 증대시킬 수 있다. 이상의 연료 분사 방법들 중 대부분은 침투 거리가 증가하면 전압력 손실이 커지는데 이는 내부 항력 증대로 엔진 추력 감소로 이어진다. 그러나 공력 램프 분사 방법의 경우 동일 침투 거리에서 상대적으로 항력이 적고 연료, 공기 혼합 효율도 높다.
하지만 종래의 공력 램프 분사 방법의 경우 출구 분사 속도가 마하 1 이상으로 형성되는데 한계가 있어 속도에 의하 침투 거리의 한계가 있고 이는 연료-공기 혼합 효율의 한계와 아울러 연소실 공간 활용 효율도 떨어트린다는 문제점이 존재하였다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 초음속 연료 분사 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치는 외부에서 유입되는 초음속 공기가 유동하는 유동 챔버; 및 상기 유동 챔버의 내벽에 연결되고 상기 초음속 공기의 유동 방향과 직각 미만의 각도를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 초음속 연료 분사 장치를 포함할 수 있다.
상기 초음속 연료 분사 장치는, 상기 초음속 공기의 유동 방향과 직각 미만의 제 1 분사 각도를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 전방 연료 분사 장치; 및 상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 전방 연료 분사 장치의 후방에 위치하고 상기 초음속 공기의 유동 방향과 상기 제 1 분사 각도보다 큰 제 2 분사 각도를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 후방 연료 분사 장치를 포함할 수 있다.
상기 유동 챔버는 상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 유동 단면적이 증가하도록 내벽이 경사지게 형성되는 연료 혼합부를 포함할 수 있고, 상기 초음속 연료 분사 장치는, 연료를 유입받는 연료 유입부; 및 상기 연료 유입부에 연결되어 연료를 유입받는 노즐 목 및 상기 노즐 목으로부터 단면적이 확대되어 상기 경사진 내벽으로 연통되고 상기 연료를 가속하여 상기 연료 유입부로 분사하는 분사 홀을 구비하는 분사 노즐을 포함할 수 있다.
상기 전방 연료 분사 장치 및 후방 연료 분사 장치는, 각각 상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 수직한 방향으로 이격되어 서로를 향해 기울어진 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 2 개의 초음속 연료 분사 장치로 형성될 수 있다.
상기 2 개의 전방 연료 분사 장치는 서로를 향해 직각 미만의 제 1 충돌 각도를 이루도록 연료를 초음속으로 분사하고, 상기 2 개의 후방 연료 분사 장치는 서로에 대해 상기 제 1 충돌 각도보다 큰 제 2 충돌 각도를 가지도록 연료를 초음속으로 분사할 수 있다.
상기 전방 연료 분사 장치 및 후방 연료 분사 장치 각각의 상기 분사 노즐의 분사 홀이 상기 초음속 공기의 유동 방향으로 이격되어 있는 간격은 상기 분사 노즐의 노즐 목의 직경의 3.5 배 내지 4.5 배일 수 있다.
상기 2 개의 전방 연료 분사 장치 각각의 상기 분사 노즐의 분사 홀이 상기 초음속 공기의 유동 방향에 수직한 방향으로 이격되어 있는 간격 및 상기 2 개의 후방 연료 분사 장치 각각의 상기 분사 노즐의 분사 홀이 상기 초음속 공기의 유동 방향에 수직한 방향으로 이격되어 있는 간격은 상기 분사 노즐의 노즐 목의 직경의 1.5 배 내지 2.5 배일 수 있다.
상기 유동 챔버 내로 유입되는 상기 초음속 공기의 마하수에 대한 상기 초음속 연료 분사 장치의 연료 분사 속도의 마하수의 비는 1.2 내지 1.6일 수 있다.
상기 유동 챔버는, 상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 연료 혼합부의 후방에 위치하고, 상기 유동 챔버의 내벽 중 상기 분사 노즐이 형성된 내벽으로부터 단면적이 확장되도록 함몰 형성되는 연료 점화부를 더 포할 수 있고, 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치는 상기 연료 점화부의 함몰된 내벽에 설치되는 점화기를 더 포함할 수 있다.
상기 유동 챔버는, 상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 연료 점화부의 후방의 말단을 형성하고, 상기 연료 점화부를 통과한 초음속 공기 및 연료의 유동 속도를 초음속으로 유지하기 위해 말단으로 갈수록 단면적이 확대되는 형상을 갖는 확산부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예의 초음속 연료 분사 장치에 의하면 연료의 침투 거리를 효과적으로 증가시킬 수 있고, 이는 연료-공기 혼합 효율을 증가시켜 결과적으로 엔진의 연소 효율이 증가될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치의 사시도이다
도 3은 일 실시 예에 따른 유동 챔버의 측 단면도이다
도 4는 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치 및 종래의 연료 분사 장치 각각에서 분사되는 연료의 궤적을 가시화한 이미지이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치 및 종래의 연료 분사 장치 각각에서 분사되는 연료의 궤적을 비교한 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치의 사시도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 유동 챔버의 측 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치(1)는 초음속으로 유동하는 공기의 유동에 연료를 초음속을 분사하는 스크램제트 엔진(SCRAMJET ENGINE)일 수 있다.
예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(1)는 유동 챔버(11), 초음속 연료 분사 장치(12), 점화기(13), 점화 연료 분사 장치(14)를 포함할 수 있다.
유동 챔버(11)는, 음속으로 비행하는 비행체에 설치될 수 있는 스크램제트 엔진의 주 유동 통로일 수 있다.
예를 들어, 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 유동 챔버(11)는 전방으로부터 초음속 공기가 유입되는 공기 유입부(111)와 유입된 초음속 공기에 연료가 분사되어 혼합되는 연료 혼합부(112)와 공기 및 연료의 혼합물이 점화되는 연료 점화부(113)와 점화되어 연소된 공기 및 연료의 혼합물을 후방으로 배출하는 확산부(115) 및 상기 연료 점화부(113) 및 확산부(115)를 경사지도록 안내하는 경사부(114)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 유동 챔버(11)는 내부에서 유동하는 공기 및 연료의 속도를 초음속을 유지시키기 위해서, 초음속 공기의 유동 방향을 따라서 적어도 일 구간의 단면적이 확대되는 내부 형상을 가질 수 있다.
연료 혼합부(112)는 초음속 공기의 유동 방향에 따라 내부 단면적이 확대되는 형상을 가질 수 있다. 연료 혼합부(112)에는 초음속 연료 분사 장치(12)가 설치될 수 있다.
예를 들어, 연료 혼합부(112)는 도 3과 같이 초음속 공기의 유동 방향에 따라 단면적이 확대되도록 경사진 내벽(1121)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 경사진 내벽(1121)에는 초음속 연료 분사 장치(12)가 설치될 수 있다.
연료 점화부(113)는 초음속 공기가 연료 혼합부(112)를 통과하면서 형성되는 공기 및 연료 혼합물을 연소시킬 수 있다. 연료 점화부(113)에는 점화기(13) 및 점화 연료 분사 장치(14)가 설치될 수 있다.
예를 들어, 연료 점화부(113)는 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 초음속 연료 분사 장치(12)의 분사 노즐(1212, 1222)이 형성되어 있는 경사진 내벽(1121)으로부터 단면적이 확장되도록 함몰 형성되는 내부 형상을 가질 수 있다.
위의 구조에 의하면, 연료 혼합부(112)를 통과하는 공기 및 연료 혼합물이 연료 점화부(113)의 함몰된 공간으로 유입되고 상대적으로 집중되어 분포될 수 있기 때문에 점화기(13)를 통한 연료의 연소가 효과적으로 수행될 수 있다.
또한, 연료 점화부(113)의 함몰된 공간으로 유입되는 연료 및 상기 연료가 연소되어 발생하는 화염이 연료 혼합부(112)의 함몰된 공간 내에서 유지되기 유리한 구조를 갖기 때문에, 연료 및 화염이 연료 혼합부(112) 내부에서 재순환 될 수 있으며, 이를 통해서 유동 챔버(11) 내부의 연소 효율을 증대시킬 수 있다.
확산부(115)는 음속 이상으로 유동하는 연소된 공기 및 연료 혼합물의 유동 속도를 초음속으로 유지시키기 위해 후방 말단을 향해 단면적이 증가하는 내부 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 연료 혼합부(112) 및 확산부(115)는 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 서로 마주보는 내벽이 특정 각도로 확산되는 내부 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같이 연료 혼합부(112) 및 확산부(115)가 확산되는 각도를 "확산 각도(θ5)"라 할 수 있다.
경사부(114)는 연료 점화부(113)에서 연소된 연료 혼합물 및 화염이 확산부(115)로 원활히 배출되도록 경사진 내벽을 가질 수 있다.
점화기(13)는 연료 점화부(113)에 설치되어 연료 혼합부(112)를 거쳐서 연료 점화부(113)로 혼입되는 공기 및 연료 혼합물을 연소시킬 수 있다. 예를 들어, 점화기(13)는 연료 점화부(113)의 함몰된 내벽에 설치될 수 있다.
점화 연료 분사 장치(14)는 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 연료 점화부(113)에서 점화기(13)의 전방에 설치되어 점화기(13)의 초기 점화를 촉진시키기 위한 가연성 연료를 분사할 수 있다.
초음속 연료 분사 장치(12)는 유동 챔버(11)에 유입되는 초음속 공기의 유동에 연료를 초음속으로 분사할 수 있다. 예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)에서 분사되는 연료는 액체 상태, 액체 및 기체 상태, 기체 상태 또는 액체 및 공기의 혼합물 상태로 분사될 수 있다.
예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는, 연료 혼합부(112)의 내벽에 연결될 수 있다. 예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는 경사진 내벽(1121)에 설치될 수 있다. 예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는 초음속 공기의 유동 방향과 직각 미만의 각도를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사할 수 있다.
예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)의 연료 분사 속도는 유동 챔버(11)내로 유입되는 초음속 공기의 속도보다 클 수 있다. 예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는 연료를 마하수 3 이상의 속도로 분사할 수 있다.
예를 들어, 일반적으로 유동 챔버(11)내로 유입되는 초음속 공기의 마하수가 약 1.8 내지 2.5 사이에서 형성되는 것을 감안하였을 경우, 유동 챔버(11) 내로 유입되는 초음속 공기의 마하수에 대한 상기 초음속 연료 분사 장치(12)의 연료 분사 속도의 마하수의 비는 1.2 내지 1.6 일 수 있다.
상기 마하수의 비가 1.6을 초과할 경우, 유동 챔버(11)의 내부 저항이 증가하여 전압력 손실이 증가함에 따라 유동 챔버(11)의 내부 항력이 증대되어 초음속 연료 분사 장치(1)의 추력이 감소될 수 있다.
반대로, 상기 마하수의 비가 1.2 미만일 경우, 초음속 연료 분사 장치(12)를 통한 연료의 침투 거리가 감소될 수 있기 때문에 연료와 공기의 혼합이 잘 이루어 지지 않아 연소 효율이 감소될 수 있다.
예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는 연료 주입부(1211, 1221) 및 분사 노즐(1212, 1222)을 포함할 수 있다. 연료 주입부(1211, 1221)는, 외부로부터 연료를 유입받을 수 있고, 유입받은 연료를 분사 노즐(1212, 1222)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 연료 주입부(1211, 1221)는 비행체에 구비된 연료 탱크로부터 연료를 유입받을 수 있다. 예를 들어, 연료 주입부(1211, 1221)는 연료를 음속의 속도로 가속하여 분사 노즐(1212, 1222)에 공급할 수 있다.
분사 노즐(1212, 1222)은, 연료 주입부(1211, 1221)로부터 공급받은 연료를 가속하여 연료 혼합부(112)를 향해 분사할 수 있다. 예를 들어, 분사 노즐(1212, 1222)은 연료 주입부(1211, 1221)로부터 유동 챔버(11)의 내부를 연통시키는 연료의 유로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 분사 노즐(1212, 1222)의 유로는 연료 주입부(1211, 1221)로부터 유동 챔버(11)를 향할수록 단면적이 증가하는 노즐 형상을 가질 수 있어서, 음속으로 유동하는 유체를 초음속으로 가속시킬 수 있다.
예를 들어, 분사 노즐(1212, 1222)은 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 직각 미만의 각도를 이루는 방향으로 연장되어 유동 챔버(11)와 연통될 수 있다. 예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는 유동 챔버(11)의 내벽의 바깥쪽에 설치될 수 있어서 연료 주입부(1211, 1221) 및 분사 노즐(1212, 1222)은 유동 챔버(11) 내부 공간의 부피를 차지하지 않을 수 있다.
예를 들어, 분사 노즐(1212, 1222)은, 연료 주입부(1211, 1221)에 연결되는 노즐 목(12121, 12221) 및 상기 노즐 목(12121, 12221)으로부터 연장되어 연료 혼합부(112)에 연통되는 분사 홀(12122, 12222)을 포함할 수 있다. 노즐 목(12121, 12221)은 분사 노즐(1212, 1222)의 부분 중 가장 작은 단면적을 가질 수 있고, 분사 홀(12122, 12222)은 분사 노즐(1212, 1222)의 부분 중 가장 큰 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 노즐 목(12121, 12221)은 원형의 단면적을 가질 수 있고, 이 경우 노즐 목(12121, 12221)은 설정 크기의 직경(D)을 가질 수 있다.
분사 홀(12122, 12222)은 분사 노즐(1212, 1222)이 연료 혼합부(112)의 경사진 내벽(1121)으로 노출된 구멍으로서 초음속으로 가속된 연료를 연료 혼합부(112)의 내부로 분사할 수 있다.
예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는 연료 혼합부(112)에서 서로 이격되어 배치되는 복수개의 구성을 가질 수 있다.
예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는 초음속 공기의 진행 방향을 따라 연료 혼합부(112)에서 특정 간격으로 이격된 2 개의 지점에 각각 설치될 수 있다. 이 경우, 2 개의 지점 중 전방(초음속 공기의 진행 방향을 기준으로 상류측)에 위치한 초음속 연료 분사 장치(12)를 "전방 연료 분사 장치(121)"라 할 수 있고, 2 개의 지점 중 후방(초음속 공기의 진행 방향을 기준으로 하류측)에 위치한 초음속 연료 분사 장치(12)를 "후방 연료 분사 장치(122)"라 할 수 있다.
전방 연료 분사 장치(121)는 초음속 공기의 유동 방향과 직각 미만의 "제 1 분사 각도(θ1)"를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사할 수 있다. 다시 말하면, 전방 연료 분사 장치(121)의 분사 노즐(1212)은 초음속 공기 유동 방향으로 비스듬하게 기울어지게 형성될 수 있다.
예를 들어, 연료의 분사 속도가 초음속 공기의 유동 속도보다 크게 형성될 수 있으므로, 연료를 공기의 유동 방향과 수직하게 분사할 경우 유동 챔버(11) 내부에서 유동 저항이 크게 증가할 수 있다.
따라서, 연료를 초음속 공기 유동의 방향과 비스듬하게 분사하는 전방 연료 분사 장치(121)에 의하면, 유동 저항을 감소시킬 수 있어서, 초음속 연료 분사 장치(1)의 추력의 감소를 완화할 수 있다.
후방 연료 분사 장치(122)는 초음속 공기의 유동 방향과 직각 미만의 "제 2 분사 각도(θ2)"를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사할 수 있다. 제 2 분사 각도(θ2)는 제 1 분사 각도(θ1) 보다 크고 직각 미만의 각도를 가질 수 있다.
다시 말하면, 후방 연료 분사 장치(122)의 분사 노즐(1222)은 전방 연료 분사 장치(121)의 분사 노즐(1212)보다 상대적으로 초음속 공기의 유동 방향에 수직한 방향으로 기울어지게 형성될 수 있다.
예를 들어, 전방 연료 분사 장치(121) 및 후방 연료 분사 장치(122)는 연료 혼합부(112)의 경사진 내벽(1121)을 따라서 설치되어 있기 때문에, 각각의 연료 분사 장치(121, 122)의 분사 홀(12122, 12222)의 높이는 상이하게 형성될 수 있다.
후방 연료 분사 장치(122)에 의하면, 전방 연료 분사 장치(121)가 초음속 공기의 유동 방향으로 치우쳐서 분사됨에 따라 전방 연료 분사 장치(121)에서 분사되는 연료의 침투 거리가 크게 형성되지 못하는 상황을 보완하기 위해서, 전방 연료 분사 장치(121)의 후방에 위치하여 초음속 공기의 유동에 대해 제 1 분사 각도(θ1)보다 큰 제 2 분사 각도(θ2)를 이루도록 연료를 분사하여 높은 침투 거리를 확보할 수 있다.
또한, 전방 연료 분사 장치(121)에서 분사된 연료는 초음속 공기의 유동과 혼합되어 유동의 속도를 감속시킬 수 있기 때문에, 후방 연료 분사 장치(122)에서 분사되는 연료는 높은 침투 거리를 형성시키기 더 유리할 수 있다.
예를 들어, 전방 연료 분사 장치(121) 및 후방 연료 분사 장치(122) 각각의 분사 노즐(1212, 1222)의 분사 홀(12122, 12222)이 초음속 공기의 유동 방향을 따라서 이격되어 있는 전후 간격은 분사 노즐(1212, 1222)의 노즐 목(12121, 12221)의 직경(D)의 3.5 배 내지 4.5 배 사이의 크기를 가질 수 있다.
예를 들면, 전후 간격은 직경(D)의 4 배에 해당할 수 있으며, 후술할 도 4 및 도 5의 실험 결과는 전후 간격이 직경(D)의 4 배에 해당하는 경우에 나타난 결과임을 밝혀 둔다.
전방 연료 분사 장치(121) 및 후방 연료 분사 장치(122)에 의하면, 유동 챔버(11) 내에서 공기의 유동 방향에 따라 연료의 분사 각도가 순차적으로 증가되는 구조를 가질 수 있으므로, 유동 저항의 감소를 최소화할 수 있는 범위 내에서 연료의 침투 거리를 효과적으로 증가시킬 수 있는 구조를 갖는다.
더불어, 유동 챔버(11) 내에 분사되는 연료가 균일하게 분포될 수 있기 때문에, 공기 및 연료의 혼합이 증진되어 보다 넓은 영역에서 균일한 연소가 형성되어 연소 효율을 추가적으로 상승시킬 수 있는 효과를 갖는다.
예를 들어, 전술한 구성과 달리, 초음속 연료 분사 장치(12)는 유동 챔버(11) 내의 공기의 유동 방향을 따라 3개, 4개 또는 그보다 많은 개수의 지점에 걸쳐서 설치될 수도 있으며, 이 경우 복수개의 지점에 걸쳐서 설치되는 복수개의 초음속 연료 분사 장치(12)의 연료의 분사 각도는 순차적으로 증가되도록 형성될 수 있다는 점을 밝혀둔다.
예를 들어, 초음속 연료 분사 장치(12)는 초음속 공기의 진행 방향과 수직한 방향으로 특정 간격으로 이격되어 서로에 향해 기울어진 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 2 개의 연료 분사 장치(12)로 형성될 수 있다.
다시 말하면, 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 유동 챔버(11)의 일 지점 상에 설치되는 초음속 연료 분사 장치(12)는 초음속 공기의 유동 방향에 수직한 횡 방향(이하, 좌우 방향)을 따라서 서로 대칭을 이루면서 이격되어 형성되는 2 개의 초음속 연료 분사 장치(12)로 형성될 수 있다.
예를 들어, 전방 연료 분사 장치(121) 및 후방 연료 분사 장치(122)는 각각 초음속 공기의 유동 방향과 수직한 방향, 즉 좌우 방향으로 이격되어 설치되는 2 개의 초음속 연료 분사 장치(12)를 포함할 수 있다.
이 경우, 초음속 공기의 유동 방향에 바라봤을 때, 좌측에 설치된 전방 연료 분사 장치(121)를 "좌측 전방 연료 분사 장치(121b)"라 할 수 있고, 우측에 설치된 전방 연료 분사 장치(121)를 "우측 전방 연료 분사 장치(121a)"라 할 수 있으며, 마찬가지로 좌측에 설치된 후방 연료 분사 장치(122)를 "좌측 후방 연료 분사 장치(122b)"라 할 수 있고, 우측에 설치된 후방 연료 분사 장치(122)를 "우측 후방 연료 분사 장치(122a)"라 할 수 있다.
좌측 전방 연료 분사 장치(121b) 및 우측 전방 연료 분사 장치(121a)는 서로를 향해 직각 미만의 "제 1 충돌 각도(θ3)"를 이루도록 연료를 분사할 수 있다.
좌측 후방 연료 분사 장치(122b) 및 우측 후방 연료 분사 장치(122a)는 서로를 향해 직각 미만의 "제 2 충돌 각도(θ4)"를 이루도록 연료를 분사할 수 있다.
위의 구조에 의하면, 좌우 방향으로 이격된 2 개의 초음속 연료 분사 장치(12) 각각에서 분사되는 연료는 서로 충돌하게 되면서 연료의 입자가 더 미세하고 조밀하게 분해되어 초음속 공기와의 혼합이 더 효과적으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제 1 충돌 각도(θ3)는 제 2 충돌 각도(θ4)보다 작을 수 있다.
상기 구조에 의하며, 연료 혼합부(112)로 유입되는 초음속 공기의 유속을 감소시키고 공기와 연료를 고르게 혼합시키는 것이 중요한 전방 연료 분사 장치(121)의 충돌 각도는 상대적으로 크게 형성시킴으로써 연료가 연료 혼합부(112)의 중앙 영역에 균일하게 분산되도록 유도할 수 있다.
다른 한편으로, 침투 거리를 증가시키는 것이 중요한 후방 연료 분사 장치(122)의 충돌 각도는 상대적으로 작게 형성시킴으로써 연료의 충돌로 인한 운동 에너지의 손실을 감소시켜 연료의 높은 침투 거리를 확보하는데 유리할 수 있다.
예를 들어, 좌우 방향으로 이격된 2 개의 초음속 연료 분사 장치(12) 각각의 분사 노즐(1212, 1222)의 분사 홀(12122, 12222)이 상기 좌우 방향으로 이격되어 있는 좌우 간격은 분사 노즐(1212, 1222)의 노즐 목(12121, 12221)의 직경(D)의 1.5 배 내지 2.5 배 사이의 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 좌우 간격은 직경(D)의 2 배에 해당할 수 있으며, 후술할 도 4 및 도 5의 실험 결과는 상기 간격이 직경(D)의 2 배에 해당하는 경우에 나타난 결과임을 밝혀 둔다.
도 4는 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치 및 종래의 연료 분사 장치 각각에서 분사되는 연료의 궤적을 가시화한 이미지이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치 및 종래의 연료 분사 장치 각각에서 분사되는 연료의 궤적을 비교한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, "(a)Inclined Injection"은 연료 혼합부(112)의 2 지점 상에서 동일한 각도의 분사 각도를 갖는 종래의 연료 분사 장치를 통해 분사되는 연료의 궤적을 나타내고, "(b)Aeroramp Injection"은 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치(12)를 통해 분사되는 연료의 궤적을 나타낸다.
두 궤적을 비교해보면 종래의 연료 분사 장치의 궤적(a)보다 일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치(12)의 궤적(b)이 보다 높은 침투 거리(h)를 형성하는 것을 확인할 수 있고, 더불어 연료 혼합부(112)의 후단 부분에서 연료가 보다 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 초음속 연료 분사 장치(1)에 의하면, 유동 챔버(11)를 통과하는 초음속 공기의 유동에 초음속을 연료를 분사하여 연료의 물리적인 침투 거리를 증가시킬 수 있는 것과 동시에 분사 지점에 따라 분사 각도를 다분화 하여 연료를 균일하게 분포시켜 공력적으로 침투 거리를 증가시킬 수 있는 효과를 갖는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 2가지 구조의 유기적인 결합 관계를 통해 연료를 초음속 공기 유동에 효과적으로 혼합시킬 수 있고, 결과적으로 초음속 연료 분사 장치(1)의 연소 효율을 크게 증대시킬 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 외부에서 유입되는 초음속 공기가 유동하는 유동 챔버; 및
    상기 유동 챔버의 내벽에 연결되고 상기 초음속 공기의 유동 방향과 직각 미만의 각도를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 초음속 연료 분사 장치를 포함하고,
    상기 초음속 연료 분사 장치는,
    상기 초음속 공기의 유동 방향과 직각 미만의 제 1 분사 각도를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 전방 연료 분사 장치; 및
    상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 전방 연료 분사 장치의 후방에 위치하고 상기 초음속 공기의 유동 방향과 상기 제 1 분사 각도보다 큰 제 2 분사 각도를 이루는 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 후방 연료 분사 장치를 포함하는 초음속 연료 분사 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 챔버는 상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 유동 단면적이 증가하도록 내벽이 경사지게 형성되는 연료 혼합부를 포함하고,
    상기 초음속 연료 분사 장치는,
    연료를 유입받는 연료 유입부; 및
    상기 연료 유입부에 연결되어 연료를 유입받는 노즐 목 및 상기 노즐 목으로부터 단면적이 확대되어 경사진 내벽으로 연통되고 상기 연료를 가속하여 상기 연료 유입부로 분사하는 분사 홀을 구비하는 분사 노즐을 포함하는 초음속 연료 분사 장치.
  4. 제 3 항에 있어서
    상기 전방 연료 분사 장치 및 후방 연료 분사 장치는, 각각 상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 수직한 방향으로 이격되어 서로를 향해 기울어진 방향으로 연료를 초음속으로 분사하는 2 개의 초음속 연료 분사 장치로 형성되는 초음속 연료 분사 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2 개의 전방 연료 분사 장치는 서로를 향해 직각 미만의 제 1 충돌 각도를 이루도록 연료를 초음속으로 분사하고,
    상기 2 개의 후방 연료 분사 장치는 서로에 대해 상기 제 1 충돌 각도보다 큰 제 2 충돌 각도를 가지도록 연료를 초음속으로 분사하는 것을 특징으로 하는 초음속 연료 분사 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 전방 연료 분사 장치 및 후방 연료 분사 장치 각각의 상기 분사 노즐의 분사 홀이 상기 초음속 공기의 유동 방향으로 이격되어 있는 간격은 상기 분사 노즐의 노즐 목의 직경의 3.5 배 내지 4.5 배인 초음속 연료 분사 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 2 개의 전방 연료 분사 장치 각각의 상기 분사 노즐의 분사 홀이 상기 초음속 공기의 유동 방향에 수직한 방향으로 이격되어 있는 간격 및 상기 2 개의 후방 연료 분사 장치 각각의 상기 분사 노즐의 분사 홀이 상기 초음속 공기의 유동 방향에 수직한 방향으로 이격되어 있는 간격은 상기 분사 노즐의 노즐 목의 직경의 1.5 배 내지 2.5 배인 초음속 연료 분사 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 유동 챔버 내로 유입되는 상기 초음속 공기의 마하수에 대한 상기 초음속 연료 분사 장치의 연료 분사 속도의 마하수의 비는 1.2 내지 1.6인 초음속 연료 분사 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 유동 챔버는,
    상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 연료 혼합부의 후방에 위치하고, 상기 유동 챔버의 내벽 중 상기 분사 노즐이 형성된 내벽으로부터 단면적이 확장되도록 함몰 형성되는 연료 점화부를 더 포함하고,
    상기 초음속 연료 분사 장치는,
    상기 연료 점화부의 함몰된 내벽에 설치되는 점화기를 더 포함하는 초음속 연료 분사 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유동 챔버는,
    상기 초음속 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 연료 점화부의 후방의 말단을 형성하고, 상기 연료 점화부를 통과한 초음속 공기 및 연료의 유동 속도를 초음속으로 유지하기 위해 말단으로 갈수록 단면적이 확대되는 형상을 갖는 확산부를 더 포함하는 초음속 연료 분사 장치.
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KR20090055412A (ko) * 2007-11-28 2009-06-02 재단법인서울대학교산학협력재단 초음속 유동장 내 공동을 이용한 연료-공기 혼합 구조

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