KR102149359B1 - 연소기 - Google Patents

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KR102149359B1
KR102149359B1 KR1020190143543A KR20190143543A KR102149359B1 KR 102149359 B1 KR102149359 B1 KR 102149359B1 KR 1020190143543 A KR1020190143543 A KR 1020190143543A KR 20190143543 A KR20190143543 A KR 20190143543A KR 102149359 B1 KR102149359 B1 KR 102149359B1
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disposed
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fuel
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권오채
안영종
김영후
구재원
김희경
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성균관대학교 산학협력단
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Abstract

연소기에 관해 개시되어 있다. 개시된 연소기는 적어도 하나의 인젝터를 포함하는 제1군의 구성부품들이 볼트에 의한 체결 없이 배치되는 분사부, 상기 분사부로부터 분사된 상기 산화제 및 연료에 의한 연소가 이루어지는 곳으로 가시창을 포함하는 제2군의 구성부품들이 배치되는 챔버부, 상기 챔버부에서 연소에 의해 발생된 배기 가스가 배출되는 곳으로 배기 노즐을 포함하는 제3군의 구성부품들이 볼트에 의한 체결 없이 배치되는 배기부 및 상기 분사부와 상기 배기부 사이에 상기 챔버부가 배치된 상태에서 상기 분사부로부터 상기 배기부까지 연장된 형태를 갖고 이들을 상호 체결하는 체결부재를 포함할 수 있다.

Description

연소기{Combustor}
본 발명은 연소 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고압 조건에서 사용할 수 있는 연소기에 관한 것이다.
연소기는 가스 터빈이나 제트 기관에 있어서, 압축기에서 분출된 공기의 고속 기류에 연료를 분사하여 혼합하고 이것을 연소시켜 가열하는 내연식 가열 장치이다. 일반적으로 환상통형 연소기가 많이 사용되고 있다. 연소기에서는 연료의 연소 효율이 높고, 압력 손실이 적으며, 안정적 연소가 가능한 연료와 공기의 혼합비 범위가 넓은 것이 바람직하다.
종래의 연소기에서는 인젝터(injector)와 연소실 부품이 분리되지 않기 때문에, 부품의 교체가 어렵고 교체 비용이나 유지ㆍ보수 비용이 높은 문제가 있다. 또한, 연소기의 제작 및 조립이 어렵고 많은 시간이 소요될 수 있다. 아울러, 다양한 체결부로 인해 무게가 증가하고, 용접에 의한 제작중 결함이나 사용중 결함 가능성이 커질 수 있다.
또한, 일반적으로 연소기의 내부를 가시화하기가 어렵기 때문에, 연소실 내부를 직접 관측하지 못하고 비가시적 방법으로 화염 특성 등을 간접 계측하는데, 이 경우, 화염 특성을 정확하고 정밀하게 확인/진단하기가 어려울 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 조립이 간편하고 부품 교체가 용이한 연소기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고온 및 고압 조건에서 사용될 수 있으면서 연소실(챔버) 내부의 가시화가 가능한 연소기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 연결부 부품 사용이 최소화되고 용접부 없이 제작될 수 있는 연소기를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 산화제 및 연료의 분사가 이루어지는 곳으로, 적어도 하나의 인젝터(injector)를 포함하는 제1군의 구성부품들이 볼트에 의한 체결 없이 배치되는 분사부(injection part); 상기 분사부로부터 분사된 상기 산화제 및 연료에 의한 연소가 이루어지는 곳으로, 가시창(visible window)을 포함하는 제2군의 구성부품들이 배치되는 챔버부(chamber part); 상기 챔버부에서 연소에 의해 발생된 배기 가스가 배출되는 곳으로, 배기 노즐(exhaust nozzle)을 포함하는 제3군의 구성부품들이 볼트에 의한 체결 없이 배치되는 배기부(exhaust part); 및 상기 분사부와 상기 배기부 사이에 상기 챔버부가 배치된 상태에서, 상기 분사부로부터 상기 배기부까지 연장된 형태를 갖고 이들을 상호 체결함으로써, 상기 제1군, 제2군 및 제3군의 구성부품들을 상호 체결 및 고정하도록 구성된 체결부재;를 포함하는 연소기(combustor)가 제공된다.
상기 제1군, 제2군 및 제3군의 구성부품들 중에서 선택된 인접한 두 개의 구성부품은 제1 구성부품 및 제2 구성부품을 포함할 수 있고, 상기 제1 구성부품은 안착홈부를 포함할 수 있고, 상기 제2 구성부품은 상기 안착홈부에 삽입되는 대응 삽입부를 포함할 수 있다.
상기 분사부는 산화제 주입 포스트(oxidizer inlet post); 상기 산화제 주입 포스트의 단부에 배치되는 산화제 인젝터(oxidizer injector); 상기 산화제 주입 포스트와 인접하여 배치되는 연료 주입 포스트(fuel inlet post); 및 상기 연료 주입 포스트의 단부에 배치되는 연료 인젝터(fuel injector);를 포함할 수 있다.
상기 산화제 주입 포스트는 산화제 주입관부 및 상기 산화제 주입관부의 일단부에서 확장된 제1 확장부를 포함할 수 있고, 상기 산화제 인젝터는 상기 산화제 주입관부의 타단부에 배치될 수 있으며, 상기 연료 주입 포스트는 상기 산화제 주입관부를 둘러싸는 연료 주입관부 및 상기 연료 주입관부의 일단부에서 확장된 제2 확장부를 포함할 수 있고, 상기 연료 인젝터는 상기 연료 주입관부의 타단부에 배치될 수 있다.
상기 연료 인젝터는 상기 산화제 인젝터의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있고, 상기 연료 인젝터와 상기 산화제 인젝터는 동축으로 배치될 수 있다.
상기 산화제 주입관부의 타단부나 그와 인접한 부분의 외주면에 바깥쪽으로 확장된 제1 브릿지부(bridge portion)가 더 구비될 수 있고, 상기 제1 브릿지부의 일부는 상기 연료 주입관부의 내측면과 접촉되거나 실질적으로 접촉될 수 있고, 상기 제1 브릿지부의 다른 일부는 연료의 유동이 가능하도록 상기 연료 주입관부의 내측면과 비접촉될 수 있다.
상기 연료 주입관부의 타단부나 그와 인접한 부분의 외주면에 바깥쪽으로 확장된 제2 브릿지부가 더 구비될 수 있고, 상기 제2 브릿지부의 일부는 상기 챔버부의 내측면과 접촉되거나 실질적으로 접촉될 수 있고, 상기 제2 브릿지부의 다른 일부는 냉각 가스의 유동이 가능하도록 상기 챔버부의 내측면과 비접촉될 수 있다.
상기 분사부는 상기 제1 확장부 및 상기 제2 확장부를 관통하여 형성된 냉각 가스 주입홀을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 가스 주입홀을 통해 주입된 냉각 가스는 상기 챔버부의 내측면 쪽으로 주입될 수 있다.
상기 산화제 주입 포스트와 상기 산화제 인젝터 사이, 상기 연료 주입 포스트와 상기 연료 인젝터 사이 및 상기 산화제 주입 포스트와 상기 연료 주입 포스트 사이 각각에 기밀을 유지하기 위한 실링부가 구비될 수 있다.
상기 챔버부는 상기 챔버부의 내부 공간을 둘러싸도록 상호 이격하여 배치된 네 개의 챔버 월부(chamber wall portion); 상기 네 개의 챔버 월부 사이에 각각 배치되는 네 개의 가시창부(visible window portion); 및 상기 네 개의 가시창부 각각을 상기 챔버 월부에 고정시키기 위한 네 개의 고정부재;를 포함할 수 있고, 상기 네 개의 고정부재 각각은 그에 대응하는 가시창부를 노출시키는 개구영역을 갖고 그에 인접한 두 개의 챔버 월부에 체결될 수 있다.
상기 네 개의 챔버 월부 각각과 이와 인접한 상기 가시창부 사이에 실링용 가스켓(gasket)이 더 구비될 수 있다.
상기 네 개의 챔버 월부 각각은 냉각수 라인을 포함할 수 있고, 상기 냉각수 라인은 그에 대응하는 상기 실링용 가스켓에 인접하게 배치될 수 있다.
상기 챔버부는 챔버 블록을 포함할 수 있고, 상기 챔버 블록은 상기 네 개의 챔버 월부, 상기 네 개의 가시창부 및 상기 네 개의 고정부재를 포함할 수 있으며, 상기 챔버부는 상기 챔버 블록과 상기 배기부 사이에 배치되는 냉각수 매니폴드(cooling water manifold)를 더 포함할 수 있다.
상기 배기부는 마운트 공간을 갖는 배기 노즐 마운트(exhaust nozzle mount) 및 상기 마운트 공간에 배치되는 상기 배기 노즐을 포함할 수 있다.
상기 배기 노즐 마운트는 상기 배기 노즐을 냉각시키기 위한 냉각유체를 상기 배기 노즐 주위로 공급할 수 있도록 설계될 수 있다.
상기 배기 노즐 마운트는 상기 마운트 공간을 정의하는 마운트부 및 상기 마운트부의 일단에서 확장된 확장부를 포함할 수 있다.
상기 분사부는 그 단부에 분사부측 확장부를 포함할 수 있고, 상기 배기부는 그 단부에 배기부측 확장부를 포함할 수 있으며, 상기 체결부재는 상기 분사부측 확장부와 상기 배기부측 확장부를 관통하여 이들을 상호 체결하도록 구성될 수 있다.
상기 체결부재는 복수의 스터드볼트(stud bolt)를 포함할 수 있다.
상기 체결부재는 4개 또는 8개의 볼트를 포함할 수 있다.
상기 연소기는 약 50 bar 이상의 압력 조건에서 사용 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 조립이 간편하고 부품 교체가 용이하여 유지/보수가 쉽고 비용을 절감할 수 있는 연소기를 구현할 수 있다. 또한, 고온 및 고압 조건에서 사용될 수 있으면서 연소실(챔버) 내부의 가시화가 가능한 연소기를 구현할 수 있다. 또한, 연결부 부품 사용의 최소화로 경량화가 가능하고, 용접부 제거에 따라 신뢰성이 향상된 연소기를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 보여주는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기의 내부 유동을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기의 기밀 및 냉각을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용되는 분사부의 일부를 보여주는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용되는 챔버부의 일부를 절단한 형태를 보여주는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 연소기를 보여주는 사진 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 가시창부를 보여주는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 고정부재(가시창 커버)를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 연료 인젝터를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 연료 주입 포스트를 보여주는 사시도이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 산화제 인젝터를 보여주는 측단면도이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 산화제 인젝터 플러그를 보여주는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 인젝터 어댑터를 보여주는 사시도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 산화제 주입 포스트를 보여주는 사시도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 챔버 월블록을 보여주는 사시도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 챔버 월블록을 보여주는 도면이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 챔버 월블록을 보여주는 도면이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 냉각수 매니폴드를 보여주는 도면이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 배기 노즐을 보여주는 측단면도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 배기 노즐 마운트를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명학하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 설명하기 위한 분해 사시도이다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해, 연소기 부품들을 부분 절단된 형태로 도시하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 설명하기 위한 분해 사시도이다. 도 2에서는 부품들을 절단되지 않은 상태로 도시하였다. 또한, 도 2는 도 1과는 다른 각도로 연소기를 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연소기는 산화제 및 연료의 분사가 이루어지는 분사부(injection part)(P10), 상기 분사부로부터 분사된 상기 산화제 및 연료에 의한 연소가 이루어지는 챔버부(chamber part)(P20) 및 상기 챔버부에서 연소에 의해 발생된 배기 가스가 배출되는 배기부(exhaust part)(P30)를 포함할 수 있다.
분사부(P10)는 적어도 하나의 인젝터(injector)를 포함하는 제1군의 구성부품들을 포함할 수 있다. 상기 제1군의 구성부품들은 볼트에 의한 체결이나 용접부 없이 배치될 수 있다. 상기 제1군의 구성부품들 각각은 독립적인 부품일 수 있고, 이들이 서로 대응하는 부분에 안착되거나 끼워지는 방식으로 배치될 수 있다.
챔버부(P20)는 가시창(visible window)[즉, 이하에서 설명할 가시창부(210)]을 포함하는 제2군의 구성부품들을 포함할 수 있다. 상기 가시창을 통해 챔버부(P20)의 내부를 볼 수 있다.
배기부(P30)는 배기 노즐(exhaust nozzle)(310)을 포함하는 제3군의 구성부품들을 포함할 수 있다. 상기 제3군의 구성부품들은 볼트에 의한 체결이나 용접부 없이 배치될 수 있다. 상기 제1군의 구성부품들과 유사하게, 상기 제3군의 구성부품들 각각은 독립적인 부품일 수 있고, 이들이 서로 대응하는 부분에 안착되거나 끼워지는 방식으로 배치될 수 있다.
상기 제1군, 상기 제2군 및 상기 제3군의 구성부품들 중에서 선택된 인접한 두 개의 구성부품은 제1 구성부품 및 제2 구성부품을 포함할 수 있고, 상기 제1 구성부품은 '안착홈부'를 포함할 수 있으며, 상기 제2 구성부품은 상기 안착홈부에 삽입되는 '대응 삽입부'를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 대응 삽입부를 상기 안착홈부에 삽입함으로써 상기 제1 구성부품과 제2 구성부품을 조립할 수 있다. 제1군의 구성부품과 제2군의 구성부품 사이 및 제2군의 구성부품과 제3군의 구성부품 사이의 조립 방식도 이와 같을 수 있다. 상기 '안착홈부' 및 '대응 삽입부'는 도 1 및 추후에 설명할 도 3 등으로부터 용이하게 이해될 수 있다.
도 1에 도시하지는 않았지만, 본 실시예에 따른 연소기는 분사부(P10)와 배기부(P30) 사이에 챔버부(P20)가 배치된 상태에서, 분사부(P10)로부터 배기부(P30)까지 연장된 형태를 갖고 이들을 상호 체결하는 '체결부재'(도 3의 500)를 포함할 수 있다. 상기 체결부재를 이용해서 분사부(P10)와 배기부(P30)를 체결함으로써, 상기한 제1군, 제2군 및 제3군의 구성부품들을 상호 체결 및 고정할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 연소기는 조립이 쉽고 빠르며, 해체 및 부품 교체가 매우 용이할 수 있다. 상기한 체결부재에 대해서는 추후에 도 3 등을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
분사부(P10)는 산화제 주입 포스트(oxidizer inlet post)(100), 산화제 주입 포스트(100)의 단부에 배치되는 산화제 인젝터(oxidizer injector)(110), 산화제 주입 포스트(100)와 인접하여 배치되는 연료 주입 포스트(fuel inlet post)(120) 및 연료 주입 포스트(120)의 단부에 배치되는 연료 인젝터(fuel injector)(130)를 포함할 수 있다.
산화제 주입 포스트(100)는 산화제 주입관부(101) 및 산화제 주입관부(101)의 일단부에서 확장된 제1 확장부(102)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 일단부는 챔버부(P20)에서 먼쪽에 위치하는 단부일 수 있다. 산화제 인젝터(110)는 산화제 주입관부(101)의 타단부에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 타단부는 챔버부(P20)에 가까이 위치하는 단부일 수 있다.
연료 주입 포스트(120)는 산화제 주입관부(101)를 둘러싸는 연료 주입관부(121) 및 연료 주입관부(121)의 일단부에서 확장된 제2 확장부(122)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 일단부는 챔버부(P20)에서 먼쪽에 위치하는 단부일 수 있다. 연료 인젝터(130)는 연료 주입관부(121)의 타단부에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 타단부는 챔버부(P20)에 가까이 위치하는 단부일 수 있다.
연료 인젝터(130)는 산화제 인젝터(110)의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있고, 연료 인젝터(130)와 산화제 인젝터(110)는 동일한 중심축(즉, 동축)을 갖도록 배치될 수 있다. 연료 인젝터(130)와 산화제 인젝터(110)가 동축을 가지면서, 연료 인젝터(130)의 단부가 산화제 인젝터(110)의 단부를 일정 간격 이격하여 둘러싸는 형태를 이룰 수 있다.
분사부(P10)는 산화제 주입 포스트(100)에 형성된 산화제 주입홀(h10) 및 연료 주입홀(h11)을 포함할 수 있다. 산화제 주입홀(h10)은 산화제 주입관부(101)에 연결될 수 있고, 연료 주입홀(h11)은 연료 주입관부(121)에 연결될 수 있다. 또한, 분사부(P10)는 제1 확장부(102) 및 제2 확장부(122)를 관통하여 형성된 냉각 가스 주입홀(h12)을 더 포함할 수 있고, 냉각 가스 주입홀(h12)을 통해 주입된 냉각 가스는 챔버부(P20)의 내측면 쪽으로 주입될 수 있다. 냉각 가스 주입홀(h12)은 단수 개 또는 복수 개로 구비될 수 있다. 여기에는, 두 개의 냉각 가스 주입홀(h12)이 산화제 주입홀(h10)의 양측으로 대칭을 이루도록 구비된 경우가 도시된다. 또한, 분사부(P10)는 산화제 주입 포스트(100)의 제1 확장부(102)의 가장자리 부분에 형성된 복수의 제1 체결홀(h13)을 더 포함할 수 있다. 제1 체결홀(h13)을 관통하도록 전술한 체결부재(도 3의 500)가 구비될 수 있다.
산화제 주입 포스트(100)와 산화제 인젝터(110) 사이, 연료 주입 포스트(120)와 연료 인젝터(130) 사이 및 산화제 주입 포스트(100)와 연료 주입 포스트(120) 사이 각각에 기밀을 유지하기 위한 '실링부'가 더 구비될 수 있다. 상기 실링부는 오링(O-ring)을 포함할 수 있다. 오링홈 내에 오링을 배치시킬 수 있다. 상기 실링부에 대해서는 추후에 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
연료 주입 포스트(120)와 챔버부(P20) 사이에는 인젝터 어댑터(injector adaptor)(140)가 더 구비될 수 있다. 인젝터 어댑터(140)를 사이에 두고 연료 주입 포스트(120)와 챔버부(P20)가 상호 조립될 수 있다. 인젝터 어댑터(140)는 연료 주입관부(121)의 삽입을 위한 중공부를 가질 수 있고, 연료 주입 포스트(120)가 안착될 수 있는 안착홈부를 가질 수 있다. 또한, 인젝터 어댑터(140)의 가장자리 부분에는 복수의 제2 체결홀(h23)이 더 구비될 수 있다. 복수의 제2 체결홀(h23)은 복수의 제1 체결홀(h13)에 각각 대응하는 위치에 구비될 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 제2 체결홀(h23)이 부분 원형을 갖는 것으로 도시하였는데, 완전 원형을 갖는 것도 가능할 수 있다. 인젝터 어댑터(140)는 분사부(P10)의 일부로 여길 수 있다. 그러나 인젝터 어댑터(140)는 분사부(P10)와 챔버부(P20) 사이의 삽입부재로 볼 수도 있다.
챔버부(P20)는 복수의 챔버 월부(chamber wall portion)(200)를 갖는 챔버 월블록(chamber wall block)(205)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 챔버 월부(200)는 챔버부(P20)의 내부 공간을 둘러싸도록 상호 이격하여 배치될 수 있다. 복수의 챔버 월부(200)는 도면상 상하 방향으로 곧게 연장된 형태를 가질 수 있고, 복수의 챔버 월부(200)의 상하부에는 이들을 지지하는 제1 프레임(201)과 제2 프레임(202)이 구비될 수 있다.
챔버부(P20)는 복수의 챔버 월부(200) 사이에 각각 배치되는 복수의 가시창부(visible window portion)(210)를 포함할 수 있다. 복수의 가시창부(210)는, 예컨대, 석영(quartz)으로 형성될 수 있다. 각각의 가시창부(210)는 복수의 챔버 월부(200) 사이에 정의된 홈 영역 내에 안착될 수 있다.
챔버부(P20)는 복수의 가시창부(210) 각각을 챔버 월부(200)에 고정시키기 위한 복수의 고정부재(220)를 더 포함할 수 있다. 복수의 고정부재(220) 각각은 그에 대응하는 가시창부(210)를 노출시키는 개구영역을 가질 수 있고, 상기 대응하는 가시창부(210)에 인접한 두 개의 챔버 월부(200)에 체결될 수 있다. 예를 들어, 고정부재(220)는 대략적인 직사각 프레임 형상을 가질 수 있다. 각각의 고정부재(220)에는 체결요소가 삽입될 수 있는 챔버 체결홀(h20)이 구비될 수 있다. 챔버 월블록(205)에 의해 복수의 챔버 월부(200) 사이에 정의된 홈 영역 내에 가시창부(210)를 안착한 후, 가시창부(210) 상에 고정부재(220)를 배치한 후, 챔버 체결홀(h20)을 통해 체결요소를 삽입함으로써, 챔버 월블록(205)에 가시창부(210)를 체결 및 고정할 수 있다. 여기서, 상기 체결요소는, 예컨대, 볼트를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, 복수의 가시창부(210)가 챔버부(P20)에 마련되어 있고, 이들의 체결 및 고정에 신뢰성이 있기 때문에, 고온 및 고압의 사용 조건에서도 챔버부(P20)는 우수한 안전성 및 내구성을 가질 수 있다. 따라서, 고온 및 고압의 사용 조건에서도 가시창부(210)를 통해 챔버부(P20)(연소실) 내의 화염 특성을 직접적으로 확인할 수 있다. 가시창부(210)가 복수 개로 배치되기 때문에, 사방에서(다양한 각도에서) 챔버부(P20)의 내부를 확인할 수 있다.
챔버부(P20)는 그 중앙부에서 사방으로 균등 이격하여 배치된 네 개의 챔버 월부(200)를 가질 수 있고, 네 개의 챔버 월부(200) 사이에 각각 배치되는 네 개의 가시창부(210)를 가질 수 있으며, 네 개의 가시창부(210)에 각각 대응하는 네 개의 고정부재(220)를 가질 수 있다. 이와 같이, 네 개의 챔버 월부(200), 네 개의 가시창부(210) 및 네 개의 고정부재(220)를 구비시키면, 구조 및 체결의 안정성이 향상될 수 있고, 사방에서 가시화가 가능하며, 제작 및 조립도 비교적 용이할 수 있다.
복수의 챔버 월부(200) 각각과 이와 인접한 가시창부(210) 사이에 실링용 가스켓(gasket)(도시 안됨)이 더 구비될 수 있다. 또한, 복수의 챔버 월부(200) 각각은 그 내부에 냉각수 라인(도시 안됨)을 포함할 수 있다. 상기 냉각수 라인은 그에 대응하는 상기 실링용 가스켓에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 냉각수 라인 및 상기 실링용 가스켓에 대해서는 추후에 도 7을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
복수의 챔버 월부(200)를 갖는 챔버 월블록(205)과 복수의 가시창부(210) 및 복수의 고정부재(220)는 상호 조합 및 조립되어 하나의 '챔버 블록'을 구성할 수 있다. 챔버부(P20)는 상기 챔버 블록을 포함하면서, 상기 챔버 블록과 배기부(P30) 사이에 배치되는 냉각수 매니폴드(cooling water manifold)(230)를 더 포함할 수 있다. 챔버 월블록(205)의 도면상 상단부에 제1 냉각수 주입구(도 2의 CH1)가 마련될 수 있고, 냉각수 매니폴드(230)에 제1 냉각수 배출구(도 2의 CH2)가 마련될 수 있다. 제1 냉각수 주입구(도 2의 CH1)를 통해 주입된 냉각수는 복수의 챔버 월부(200) 내에 마련된 상기 냉각수 라인을 거쳐 냉각수 매니폴드(230)의 제1 냉각수 배출구(도 2의 CH2)를 통해 배출될 수 있다. 이러한 냉각수의 유동에 대해서는 추후에 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
배기부(P30)는 마운트 공간을 갖는 배기 노즐 마운트(exhaust nozzle mount)(300) 및 상기 마운트 공간에 배치되는 배기 노즐(310)을 포함할 수 있다. 배기 노즐 마운트(300)는 배기 노즐(310)을 냉각시키기 위한 냉각유체를 배기 노즐(310) 주위로 공급할 수 있도록 설계될 수 있다. 다시 말해, 배기 노즐 마운트(300)는 제2 냉각수 주입구 및 제2 냉각수 배출구를 포함할 수 있고, 이들을 통해 유동하는 냉각수를 통해 배기 노즐(310)이 냉각될 수 있다. 배기 노즐(310)의 냉각에 대해서는 추후에 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
아울러, 배기 노즐 마운트(300)는 상기한 마운트 공간을 정의하는 마운트부(301) 및 마운트부(301)의 일단(도면상 하단)에서 확장된 제3 확장부(302)를 포함할 수 있다. 제3 확장부(302)의 가장자리 부분에는 복수의 제3 체결홀(h33)이 형성될 수 있다. 복수의 제3 체결홀(h33)은 복수의 제1 체결홀(h13)과 각각 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 또한, 복수의 제3 체결홀(h33)은 복수의 제2 체결홀(h23)과 각각 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
제1 체결홀(h13)과 제2 체결홀(h23) 및 제3 체결홀(h33)을 관통하도록 전술한 체결부재(도 3의 500)가 구비될 수 있다. 상기 체결부재를 이용해서 분사부(P10)와 배기부(P30)를 체결함으로써, 상기한 제1군, 제2군 및 제3군의 구성부품들을 상호 체결 및 고정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 분사부(P10)의 제1군의 구성부품, 챔버부(P20)의 제2군의 구성부품 및 배기부(P30)의 제3군의 구성부품들이 상호 인접하게 조립될 수 있다. 이때, 상기 제1군, 상기 제2군 및 상기 제3군의 구성부품들 중에서 선택된 인접한 두 개의 구성부품은 제1 구성부품 및 제2 구성부품을 포함할 수 있고, 상기 제1 구성부품은 '안착홈부'를 포함할 수 있으며, 상기 제2 구성부품은 상기 안착홈부에 삽입되는 '대응 삽입부'를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 대응 삽입부를 상기 안착홈부에 삽입함으로써 상기 제1 구성부품과 제2 구성부품을 조립할 수 있다. 제1군의 구성부품과 제2군의 구성부품 사이 및 제2군의 구성부품과 제3군의 구성부품 사이의 조립 방식도 이와 같을 수 있다.
분사부(P10)는 산화제 주입 포스트(100), 산화제 주입 포스트(100)의 단부에 배치되는 산화제 인젝터(110), 산화제 주입 포스트(100)와 인접하여 배치되는 연료 주입 포스트(120) 및 연료 주입 포스트(120)의 단부에 배치되는 연료 인젝터(130)를 포함할 수 있다. 또한, 분사부(P10)는 인젝터 어댑터(140)를 더 포함할 수 있다.
챔버부(P20)는 복수의 챔버 월부(chamber wall portion)를 갖는 챔버 월블록(205)을 포함할 수 있다. 챔버 월블록(205)은 그 양단에 상기 복수의 챔버 월부를 지지하는 제1 프레임(201)과 제2 프레임(202)을 포함할 수 있다. 챔버부(P20)는 복수의 가시창부(210) 및 복수의 고정부재(220)를 포함할 수 있다. 또한, 챔버부(P20)는 챔버 월블록(205)과 배기부(P30) 사이에 배치되는 냉각수 매니폴드(230)를 더 포함할 수 있다.
배기부(P30)는 마운트 공간을 갖는 배기 노즐 마운트(300) 및 상기 마운트 공간에 배치되는 배기 노즐(310)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 연소기는 분사부(P10)와 배기부(P30) 사이에 챔버부(P20)가 배치된 상태에서, 분사부(P10)로부터 배기부(P30)까지 연장된 형태를 갖고 이들을 상호 체결하는 체결부재(500)를 포함할 수 있다. 체결부재(500)를 이용해서 분사부(P10)와 배기부(P30)를 체결함으로써, 상기한 제1군, 제2군 및 제3군의 구성부품들을 상호 체결 및 고정할 수 있다. 체결부재(500)는 분사부(P10) 및 배기부(P30)를 관통하여 구비될 수 있다. 분사부(P10)는 그 단부에 분사부측 확장부를 포함한다고 할 수 있고, 배기부(P30)는 그 단부에 배기부측 확장부를 포함한다고 할 수 있으며, 체결부재(500)는 상기 분사부측 확장부와 상기 배기부측 확장부를 관통하여 이들을 상호 체결하도록 구성될 수 있다. 특히, 분사부(P10)의 제1 체결홀(도 1의 h13)과 제2 체결홀(도 1의 h23) 및 배기부(P30)의 제3 체결홀(도 1의 h33)을 관통하여 체결부재(500)가 구비될 수 있다. 제2 체결홀(도 1의 h23)은 제1 체결홀(도 1의 h13)과 제3 체결홀(도 1의 h33) 사이에 배치되므로, 체결부재(500)는 세 지점에서 그 위치가 고정될 수 있고, 이는 체결부재(500)의 축정렬 및 위치 고정에 유리하게 작용할 수 있다.
체결부재(500)는 복수의 볼트(510)를 포함할 수 있다. 여기서, 볼트(510)는 일종의 스터드볼트(stud bolt)일 수 있다. 각각의 볼트(510)가 복수의 제1 체결홀(도 1의 h13) 각각에 대응하게 구비될 수 있다. 체결부재(500)는 4개의 볼트(510)를 포함하거나, 또는, 8개의 볼트(510)를 포함할 수 있다. 8개의 볼트(510)를 사용하는 경우, 8개 중 4개의 볼트는 연소기(또는 연소기의 일부)의 높이를 조절하는데 유용하게 이용될 수 있다. 체결부재(500)는 볼트와 함께 너트 부재 등을 더 포함할 수 있다.
용접을 이용한 접합부의 경우, 파손 및 누설의 가능성이 있기 때문에, 고온, 고압, 산화 분위기의 조건에서 예측 불가능한 위험을 초래할 수 있다. 이러한 위험을 방지 및 최소화하기 위해, 실시예에서는 모든 부품이 절삭 가공될 수 있고 안착홈부와 대응 삽입부를 이용해서 부품들이 용이하게 조립될 수 있다. 실시예에 따르면, 연소기를 구성하는 제1군 내지 제3군의 구성부품(구성요소) 중 가시창부(210)와 고정부재(가시창 커버)(220)를 제외한 나머지 부품들을 볼트 4개만으로 결합/체결하는 것이 가능하다. 또한, 연소기(또는 연소기의 일부)의 높이를 용이하게 조절하기 위해 4개의 볼트를 추가하여 총 8개의 볼트를 이용할 수도 있다. 따라서, 실시예에 따른 연소기는 조립이 쉽고 빠르며, 해체 및 부품 교체가 매우 용이할 수 있다. 특히, 소모성 부품에 해당하는 산화제 인젝터(110)의 교체 및 배기 노즐(310)의 교체가 매우 용이할 수 있다.
종래의 연소기에서는 인젝터와 연소실 부품이 분리되지 않기 때문에, 부품의 교체가 어렵고 교체 비용이나 유지/보수 비용이 높은 문제가 있다. 또한, 연소기의 제작 및 조립이 어렵고 많은 시간이 소요될 수 있다. 아울러, 다양한 체결부로 인해 무게가 증가하고, 용접에 의한 제작중 결함이나 사용중 결함 가능성이 커질 수 있다. 또한, 일반적으로 연소기의 내부를 가시화하기가 어렵기 때문에, 연소실 내부를 직접 관측하지 못하고 비가시적 방법으로 화염 특성 등을 간접 계측하는데, 이 경우, 화염 특성을 정확하고 정밀하게 확인/진단하기가 어려울 수 있다.
실시예에 따른 연소기는 고압 및 고온 조건에서 실험을 수행할 수 있는 고압 연소기(high pressure combustor)이면서, 압력용기(챔버) 내부를 가시화할 수 있고, 부품 및 부품 연결부를 모듈화함으로써 간편한 조립이 가능하고, 부품의 교체가 쉽고, 다양한 인젝터나 다양한 배기 노즐의 교체 적용이 용이할 수 있다. 또한, 연결부 부품의 최소화로 경량화가 가능하고, 용접부 제거에 따라 신뢰도가 향상될 수 있다. 따라서, 비교적 경량이면서 화염 가시화가 가능하고 조립이 쉽고 유지/보수 비용이 낮으며 우수한 신뢰성을 갖는 고압 연소실을 구현할 수 있다.
실시예에 따른 연소기는 저압 연소기의 내압 성능을 상회하는 고압 실험을 위해 설계 및 제작된 것일 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 연소기는 고압 연소기(고압 모델연소기)일 수 있다. 고압 연소기는 이원추진제의 초임계 압력 조건인 50 bar 이상에서 실험이 가능할 수 있고, 최대 실험 압력은 약 60 bar 혹은 그 이상일 수 있다. 추진제의 예혼합 반응물 폭발을 고려한 파손 압력은 약 360 bar 정도일 수 있다. 고압 연소기는 대략적인 원통 형태나 그와 유사한 형태를 가질 수 있고, 네 개의 광학창(가시창)을 설치하여 화염 가시화가 용이할 수 있다. 또한, 배기 노즐의 교체 및 크기 변경이 용이하도록 교체형 배기 노즐을 사용할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 리세스가 없는 동축 단일 인젝터(즉, 산화제 인젝터와 연료 인젝터가 결합된 형태)를 사용할 수 있다.
실시예에 따른 연소기(고압 연소기)에서는 저압 연소실에서 발생하였던 문제들을 해결하기 위한 다양한 방안들이 반영되었다. 고온 연속운전(약 30분 내외)시 발생할 수 있는 누설 문제를 해결하기 위해 다양한 기밀 소재를 이용하였으며, 과도하게 긴 부품으로 인한 인젝터 축 정렬 불량을 최소화하기 위해 인젝터의 길이를 최소화하였다. 레이저 가시화를 위한 슬릿 가시창의 불충분한 열전달로 인해 발생하는 수증기 응결을 피하기 위해 가시창을 네 방향 대칭으로 구성하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기의 내부 유동을 설명하기 위한 단면도이다. 편의상, 도 4에는 체결부재(500)를 도시하지 않았다.
도 4를 참조하면, 연소기 내 유동은 동축 단일 인젝터(즉, 산화제 인젝터와 연료 인젝터가 결합된 형태), 막냉각 유로 및 배기 노즐에 의해 형성될 수 있다.
산화제(oxidizer)는 분사부(P10) 중앙에 직선으로 위치한 공급 유로(즉, 산화제 주입홀(도 1의 h10))를 통해 공급되어 연소실(즉, 챔버부(P20))의 중앙으로 분사된다. 산화제 공급 유로는 압력 스월 인젝터(pressure swirl injector)의 간편한 설치가 가능하도록 제작되었다.
연료(fuel)는 산화제 공급 유로의 주위에 위치한 환형 유로(즉, 연료 주입홀(도 1의 h11))로 공급되어 연료 인젝터(130)를 통과하여 산화제 주위에 동축 제트로 공급된다. 이때, 2단계의 플레넘(plenum)(즉, 연료공간)을 구성하여 동축 제트를 균일하게 공급할 수 있도록 설계하였다. 연료 공급 유로 역시 산화제 공급 유로와 마찬가지로 압력 스월 인젝터(pressure swirl injector)의 설치가 가능하도록 제작되었다. 동축의 단일 인젝터를 통해 공급된 산화제 및 연료는 연소실(즉, 챔버부(P20))에서 혼합 및 연소되어 브러쉬(brush) 형상의 화염을 형성할 수 있다. 이때, 연소실의 중심부에서 후류로(후방으로) 향하는 유동이 발생하며 일부는 배기 가스로 배출되고, 일부는 재순환하여 연소실 상류로 돌아올 수 있다.
막냉각 가스(film cooling gas)는 연소실 벽면 냉각의 기능뿐 아니라 연소실 내 가시창 표면 수증기 응결을 방지하는 역할을 할 수 있다. 또한, 연소실 내부 재순환을 억제하는 기능을 가져 실제 로켓 연소실과 유사한 유동 환경을 구현할 수 있다. 막냉각 가스 공급 유로(즉, 냉각 가스 주입홀(도 1의 (h12)) 역시 동축 제트를 보다 균일하게 공급하기 위해 플레넘(즉, film cooling gas plenum)을 구성할 수 있다.
그러나 도 4에서 설명한 연소기의 내부 유동은 예시적인 것이고, 이는 경우에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기의 기밀 및 냉각을 설명하기 위한 단면도이다. 편의상, 도 5에는 체결부재(500)를 도시하지 않았다.
도 5를 참조하면, 산화제 주입 포스트(100)와 연료 주입 포스트(120) 사이에 제1 실링부(s1) 및 제2 실링부(s2)가 구비될 수 있다. 제2 실링부(s2)는 각각의 냉각 가스 주입홀(도 1의 h12)에 대응하는 부분에 링(ring) 형상으로 구비될 수 있고, 링 형상의 제2 실링부(s2)의 안쪽 영역을 통과하여 냉각 가스가 유동될 수 있다. 연료 주입 포스트(120)와 인젝터 어댑터(140) 사이에 제3 실링부(s3)가 구비될 수 있다. 인젝터 어댑터(140)와 챔버부(P20)의 제1 프레임(201) 사이에 제4 실링부(s4) 및 제5 실링부(s5)가 구비될 수 있다.
산화제 주입 포스트(100)와 산화제 인젝터(110) 사이에 제6 실링부(s6)가 구비될 수 있고, 연료 주입 포스트(120)와 연료 인젝터(130) 사이에 제7 실링부(s7)가 구비될 수 있다.
챔버부(P20)의 제2 프레임(202)과 냉각수 매니폴드(230) 사이에 제8 실링부(s8) 및 제9 실링부(s9)가 구비될 수 있다. 냉각수 매니폴드(230)와 배기 노즐(310) 사이에 제10 실링부(s10)가 구비될 수 있고, 냉각수 매니폴드(230)와 배기 노즐 마운트(300) 사이에 제11 실링부(s11)가 구비될 수 있으며, 배기 노즐(310)과 배기 노즐 마운트(300) 사이에 제12 실링부(s12)가 구비될 수 있다.
한편, 가시창부(210)와 챔버부(P20)의 제1 프레임(201) 사이에 실링용 제1 가스켓부(g1)가 구비될 수 있고, 가시창부(210)와 고정부재(가시창 커버)(220) 사이에 실링용 제2 가스켓부(g2)가 구비될 수 있다.
제1 내지 제5 실링부(s1∼s5)는 고무로 형성된 오링(O-ring), 즉, 고무 오링일 수 있다. 제6 내지 제12 실링부(s6∼s12)는 금속으로 형성된 오링(O-ring), 즉, 메탈 오링일 수 있다. 제1 및 제2 가스켓부(g1, g2)는 예컨대, 그라파이트(graphite) 등으로 형성될 수 있다.
고압, 상온 조건의 기밀을 위해서는 가장 신뢰도 높고 재사용이 용이한 고무 오링을 사용할 수 있다. 고무 오링을 사용한 위치는 화염의 열충격이 전달되지 않으며, 상온의 액체 또는 기체가 공급되어 과열될 우려가 없는 영역일 수 있다. 산화제 공급 라인은 LO2(liquid oxygen) 등 극저온 유체의 저온 분위기를 견디기 위해, 연료 공급 라인은 화염으로부터 열충격이 전달되는 고온 조건에서 기밀을 유지하기 위해, 예컨대, 은(Ag)으로 코팅된 스테인리스(ex, 316L) 강 오링을 설치할 수 있다. 가시창부(210)의 결합부는 온도는 높으나, 금속 재질을 사용하기 어렵기 때문에, 예컨대, 그라파이트(ex, Frenzelit, Novaphit SSTC) 가스켓을 사용할 수 있다.
배기 노즐(310)은 연소 실험에 의한 열 및 압력 부하가 집중되는 부품으로써 냉각이 이루어지지 않을 경우 가장 먼저 파손이 될 수 있는 곳이므로, 냉각수를 이용한 냉각이 가능하도록 설계되었다. 즉, 배기 노즐 마운트(300)를 통해 냉각수(LH2O)를 유동시킴으로써 배기 노즐(310)을 냉각시킬 수 있다.
또한, 가시창부(210)의 파손을 방지하고 챔버부(P20)의 냉각을 위해서 챔버 월부 내에 냉각수 라인(도 7의 CL1)을 형성하였다. 챔버부(P20)의 제1 프레임(201)에 마련된 제1 냉각수 주입구(도 2의 CH1)를 통해서 주입된 냉각수(LH2O)는 챔버 월부의 상기 냉각수 라인(도 7의 CL1)을 거쳐 냉각수 매니폴드(230)에 마련된 제1 냉각수 배출구(도 2의 CH2)를 통해 배출될 수 있다. 상기 냉각수 라인(도 7의 CL1)은 연소기의 연장을 위한 연소실(챔버부)의 직렬 배치에도 적용될 수 있다.
실시예에 따른 연소기는 화염으로부터 전달되는 열이 연소실 벽면에 직접 전달되지 않도록 하는 막냉각(film cooling)이 가능하도록 설계되었다. 막냉각을 통해 가시창부(210) 및 챔버 월부의 과열을 방지할 수 있다. 다만, 막냉각은 그로 인해 발생하는 연소실 내의 유동 변화를 줄이기 위해 제한적으로 이용할 수 있다.
한편, 고온 연속운전 시 연소실 벽 및 가시창의 온도를 예측하기 위해, 저압 연소 실험 직후 내벽 온도를 측정하였으며, 이를 도 5에 표시하였다. 이러한 측정 온도 및 그 분포는 연소기 설계에 반영되었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용되는 분사부의 일부를 보여주는 사시도이다. 설명의 편의를 위해, 일부 절단된 형태로 도시하였다.
도 6을 참조하면, 분사부(도 1의 P10)는 산화제 주입 포스트(100), 산화제 주입 포스트(100)의 단부에 배치되는 산화제 인젝터(110), 산화제 주입 포스트(100)와 인접하여 배치되는 연료 주입 포스트(120) 및 연료 주입 포스트(120)의 단부에 배치되는 연료 인젝터(130)를 포함할 수 있다. 연료 인젝터(130)는 산화제 인젝터(110)의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있고, 연료 인젝터(130)와 산화제 인젝터(110)는 동일한 중심축(즉, 동축)을 갖도록 배치될 수 있다. 연료 인젝터(130)와 산화제 인젝터(110)가 동축을 가지면서, 연료 인젝터(130)의 단부가 산화제 인젝터(110)의 단부를 일정 간격 이격하여 둘러싸는 형태를 이룰 수 있다.
분사부의 중심에서 산화제를 분사하는 산화제 인젝터(110)의 내경은, 예컨대, 약 2.00 mm 일 수 있고, 산화제 인젝터(110) 립의 두께는 약 0.40 mm 일 수 있으며, 동축으로 연료를 분사하는 연료 인젝터(130)의 직경은 약 3.44 mm 일 수 있다. 스월(swirl), 리세스(recess), 인젝터 직경 등 다양한 실험 조건의 변경이 가능하도록 인젝터(110, 130)와 지지대(즉, 포스트)(100, 120)를 분리 설계하였다. 특히, 산화제 인젝터(110)는 고압 실험 도중 금속 발화의 가능성이 있는 소모성 부품일 수 있기 때문에, 교체가 용이하도록 설계되었다. 산화제 인젝터(110)는 추가적인 부품을 이용해서 압력 스월 분사(pressure swirl injection)가 가능할 수 있다. 별도의 메커니즘이나 연결부재 없이도 체결부재(도 3의 500)를 이용한 압축을 통해 인젝터(110, 130)와 지지대(즉, 포스트)(100, 120)를 결합할 수 있고, 이때, 산화제와 연료의 기밀을 위해 실링부 홈(즉, 오링 홈)을 설계하였다.
고속 연속 운전에서 인젝터(110, 130)의 축 정렬 불량 방지를 위해서 지지대(즉, 포스트)(100, 120)의 외주면에 브릿지부를 구비시킬 수 있다. 예를 들어, 산화제 주입 포스트(100)(도 6에서 '산화제 주입관부')의 단부나 그와 인접한 부분의 외주면에 바깥쪽으로 확장된 제1 브릿지부(bridge portion)(b1)가 더 구비될 수 있다. 제1 브릿지부(b1)의 일부는 연료 주입 포스트(120)(도 6에서 '연료 주입관부')의 내측면과 접촉되거나 실질적으로 접촉될 수 있고, 제1 브릿지부(b1)의 다른 일부는 연료의 유동이 가능하도록 연료 주입 포스트(120)(도 6에서 '연료 주입관부')의 내측면과 접촉되지 않을 수 있다. 이를 위해, 제1 브릿지부(b1)의 일부는 둥근 접촉면을 가질 수 있고, 다른 일부는 연료 유동이 가능하도록 함몰된 절단면을 가질 수 있다. 또한, 연료 주입 포스트(120)(도 6에서 '연료 주입관부')의 단부나 그와 인접한 부분의 외주면에 바깥쪽으로 확장된 제2 브릿지부(b2)가 더 구비될 수 있다. 제2 브릿지부(b2)의 일부는 챔버부(도 1의 P20)의 내측면과 접촉되거나 실질적으로 접촉될 수 있고, 제2 브릿지부(b2)의 다른 일부는 냉각(막냉각) 가스의 유동이 가능하도록 챔버부(도 1의 P20)의 내측면과 접촉되지 않을 수 있다. 이를 위해, 제2 브릿지부(b2)의 일부는 둥근 접촉면을 가질 수 있고, 다른 일부는 냉각(막냉각) 가스의 유동이 가능하도록 함몰된 절단면을 가질 수 있다. 상기 냉각(막냉각) 가스는 챔버부(도 1의 P20)의 내측면 쪽으로 주입될 수 있다. 제2 브릿지부(b2) 보다 앞쪽에 연료 주입 포스트(120)(도 6에서 '연료 주입관부')의 단부에는 프린지부(b2')가 더 구비될 수 있다. 프린지부(b2')와 챔버부(도 1의 P20)의 내측면 사이에는 수 mm 이내의 간격(틈)이 있을 수 있고, 이러한 간격으로 냉각(막냉각) 가스가 유동될 수 있다. 제1 브릿지부(b1), 제2 브릿지부(b2) 및 프린지부(b2')의 형태나 위치 등은 도시된 바에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용되는 챔버부의 일부를 절단한 형태를 보여주는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 챔버부는 그 내부 공간을 둘러싸도록 상호 이격하여 배치된 네 개의 챔버 월부(chamber wall portion)(200)를 포함할 수 있고, 네 개의 챔버 월부(200) 사이에 각각 배치되는 네 개의 가시창부(visible window portion)(210)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 챔버부는 네 개의 가시창부(210) 각각을 챔버 월부(200)에 고정시키기 위한 복수의 고정부재(220)를 포함할 수 있다. 복수의 고정부재(220) 각각은 그에 대응하는 가시창부(210)를 노출시키는 개구영역을 갖고 그에 인접한 두 개의 챔버 월부(200)에 체결될 수 있다. 고정부재(220)가 챔버 월부(200)에 체결됨에 따라, 이들 사이에 가시창부(210)가 고정될 수 있다. 참조번호 222는 체결을 위한 '결합볼트'(fastenner)를 나타낸다.
챔버 월부(200) 각각은 챔버부의 안쪽에서부터 바깥쪽으로 가면서 순차로 배치되는 제1 부분(p1), 제2 부분(p2) 및 제3 부분(p3)으로 나눠질 수 있다. 각 부분(p1, p2, p3)의 형상은 도시된 바와 같을 수 있다. 제1 부분(p1)은 안쪽에 둥근 내측면을 가질 수 있다. 제1 부분(p1) 및 제2 부분(p2)은 가시창부(210)가 안착될 수 있는 홈 영역을 형성할 수 있도록 디자인될 수 있다. 제3 부분(p3)은 가장 바깥쪽에서 고정부재(220)가 안착될 수 있는 홈 영역을 형성할 수 있도록 디자인될 수 있다.
가시창부(210) 각각은 제1 부분(p11)과 제2 부분(p22)을 포함할 수 있고, 제1 부분(p11)은 제2 부분(p22)보다 좁은 폭을 갖고 챔버부의 안쪽에 배치될 수 있다. 가시창부(210)의 제1 부분(p11)은 그와 인접한 두 개의 챔버 월부(200)의 제1 부분(p1) 사이에 삽입될 수 있고, 가시창부(210)의 제2 부분(p22)은 그와 인접한 두 개의 챔버 월부(200)의 제2 부분(p2) 사이에 삽입될 수 있다. 고정부재(220)는 그와 인접한 두 개의 챔버 월부(200)의 제3 부분(p3) 사이에 삽입될 수 있고, 챔버 월부(200)의 제2 부분(p2)에 체결될 수 있다.
네 개의 챔버 월부(200) 각각과 이와 인접한 가시창부(210) 사이에 실링용 제1 가스켓부(g1)가 더 구비될 수 있다. 제1 가스켓부(g1)는 챔버 월부(200)의 제1 부분(p1)과 가시창부(210)의 제2 부분(p22) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 가시창부(210)와 그에 대응하는 고정부재(220) 사이에 실링용 제2 가스켓부(g2)가 더 구비될 수 있다. 제2 가스켓부(g2)는 가시창부(210)의 제2 부분(p22)과 고정부재(220) 사이에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 가스켓부(g1, g2)는, 예컨대, 그라파이트(graphite)로 형성될 수 있다.
네 개의 챔버 월부(200) 각각은 냉각수 라인(CL1)을 포함할 수 있다. 냉각수 라인(CL1)은 챔버 월부(200)의 제1 부분(p1) 내에 구비될 수 있고, 각각의 제1 부분(p1)에 복수 개, 예컨대, 두 개의 냉각수 라인(CL1)이 구비될 수 있다. 냉각수 라인(CL1)은 그에 대응하는 실링용 제1 가스켓부(g1)에 인접하게 배치될 수 있다. 따라서, 냉각수 라인(CL1)을 통과하는 냉각수에 의해 제1 가스켓부(g1)가 과열되는 것이 방지될 수 있다. 또한, 냉각수 라인(CL1)을 통과하는 냉각수는 챔버 월부(200)의 제1 부분(p1) 및 그와 인접한 가시창부(210)가 과열되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
고압 조건의 실험을 위해 설계된 연소실 벽면의 강도 분석을 수행하였다. 도 7의 연소실 안쪽에서 바깥쪽으로 도시된 다수의 화살표들은 압력과 로드(load)를 나타낸다. 연소실 내부에서 발생한 압력은 가시창부(210) 및 챔버 월부(200)에 힘(pressure load)을 가한다. 이 중에서 가시창부(210)에 가해진 힘은 고정부재(가시창 커버)(220)로 전달되며, 고정부재(가시창 커버)(220)로 전달된 힘은 결합볼트(fastenner)(222)로 전달되어, 최종적으로 챔버 월부(200)로 전달된다(chamber wall reaction). 챔버 월부(200)는 고정된 보로써 대부분의 힘을 지탱하는 역할을 할 수 있다. 특히, 챔버 월부(200)의 제3 부분(p3)은 내부로부터 발생되는 압력을 견디기 위해 두껍게 형성할 수 있다. 챔버 월부(200)의 제1 부분(p1)은 냉각수의 통로(즉, 냉각수 라인(CL1))를 포함할 수 있고, 제1 부분(p1)의 두께를 증가시켜 내압효과를 높일 수 있다.
가시창부(210)는 3차원 형상을 가지지만 2차원 구조를 갖는 것으로 가정할 때, 연소실 내부압력 400 bar를 기준으로 가시창부(210)의 최소 두께는 16 mm 정도로 계산되었으며 충분한 강도를 위해 약 20 mm로 설계할 수 있다. 이때, 가시창부(210)의 재질은 석영 유리였다. 외부 방향의 힘을 버티기 위한 결합볼트(222)로는 M6(모델명)을 선정할 수 있고, M6이 버틸 수 있는 단위길이는 24 mm로 계산되어 결합볼트(222)의 간격은 20 mm로 하였다. 가장 취약한 부분인 압력계와 점화기 접속구의 단위 단면에 대한 유한요소해석 결과, 연소실 벽에서 발생하는 최대 응력은 150 Mpa이며, 이는 ASME(American society of mechanical engineering) 코드(code)에서 규정하는 해당 온도의 스테인리스 강의 강도보다 낮은 값으로 평가되었다. 그러나 여기서 언급한 설계 기준이나 규격, 구체적인 설계 값들은 예시적인 것에 불과하고 다양하게 변화될 수 있다.
단위 부분을 확장한 실제 연소실(모델연소실)의 연소실 벽은 분포하중이 가해지는 보와 같이 모델링할 수 있다. 이때, 고려해야할 조건은 첫째, 연소실 벽의 최대 굽힘 강도, 둘째, 가시창의 최대 변형 한도이다. 세라믹 재질인 석영(가시창부의 물질예)의 최대 변형 한도는 금속(챔버 벽부의 물질예)에 비해 상대적으로 낮기 때문에, 고압 연소실의 지배적인 구속 조건은 가시창의 최대 변형 한도이다. 연소실 벽을 제외한 나머지 구성요소들(가시창, 고정부재)이 아무런 굽힘 저항을 하지 않는다는 가정(실제보다 나쁜 조건으로 가정) 하에 가시창의 최대 변형 한도를 고려할 때, 연소실의 최대 길이는 약 200 mm 정도일 수 있다. 이에 따라 연소실의 단면구조, 가시창의 두께, 결합볼트의 규격, 연소실의 길이 등 치수들의 설계 조건이 정해질 수 있다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 여기서 언급한 설계 기준이나 규격, 구체적인 설계 값들은 예시적인 것에 불과하고 다양하게 변화될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 연소기를 보여주는 사진 이미지이다.
도 8을 참조하면, 분사부에서 배기부까지 연장되어 이들을 상호 체결하는 체결부재(500)를 이용해서, 모듈형 조립식 연소기를 구성할 수 있다. 연소기는 복수의 가시창을 가질 수 있고, 고온 및 고압(ex, 약 50 bar 이상) 조건에서 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 가시창부를 보여주는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 고정부재(가시창 커버)를 보여주는 도면이다. (a)도면은 평면도이고, (b)도면은 (a)도면의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 연료 인젝터를 보여주는 도면이다. (a)도면은 측단면도이고, (b)도면은 (a)도면의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 연료 주입 포스트를 보여주는 사시도이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 산화제 인젝터를 보여주는 측단면도이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 산화제 인젝터 플러그를 보여주는 단면도이다. (a)도면은 측단면도이고, (b)도면은 (a)도면의 표시된 선에 따른 단면도이다. 도 17 내지 도 19의 산화제 인젝터 플러그는 스월(swirl) 분사에 사용될 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 인젝터 어댑터를 보여주는 사시도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 산화제 주입 포스트를 보여주는 사시도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 챔버 월블록을 보여주는 사시도이다. 도 22의 (a) 및 (b)는 하나의 챔버 월블록을 서로 다른 각도에서 보여준다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 챔버 월블록을 보여주는 도면이다. (a)도면은 제1 측면도이고, (b)도면은 (a)도면의 A-A'선에 따른 단면도이고, (c)도면은 제2 측면도이고, (d)도면은 (c)도면의 B-B'선에 따른 단면도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 챔버 월블록을 보여주는 도면이다. (a)도면은 제3 측면도이고, (b)도면은 (a)도면의 C-C'선에 따른 단면도이고, (c)도면은 (a)도면의 D-D'선에 따른 단면도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 냉각수 매니폴드를 보여주는 도면이다. (a)도면은 평면도이고, (b)도면은 (a)도면의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 배기 노즐을 보여주는 측단면도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 배기 노즐 마운트를 보여주는 도면이다. (a)도면은 평면도이고, (b)도면은 (a)도면의 A-A'선에 따른 단면도이고, (c)도면은 (a)도면의 B-B'선에 따른 단면도이다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 27을 참조하여 설명한 실시예에 따른 연소기는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
P10 : 분사부 P20 : 챔버부
P30 : 배기부 100 : 산화제 주입 포스트
101 : 산화제 주입관부 102 : 제1 확장부
110 : 산화제 인젝터 120 : 연료 주입 포스트
121 : 연료 주입관부 122 : 제2 확장부
130 : 연료 인젝터 140 : 인젝터 어댑터
200 : 챔버 월부 201 : 제1 프레임
202 : 제2 프레임 205 : 챔버 월블록
210 : 가시창부 220 : 고정부재
230 : 냉각수 매니폴드 300 : 배기 노즐 마운트
301 : 마운트부 302 : 제3 확장부
310 : 배기 노즐 500 : 체결부재

Claims (20)

  1. 산화제 및 연료의 분사가 이루어지는 곳으로, 적어도 하나의 인젝터(injector)를 포함하는 제1군의 구성부품들이 볼트에 의한 체결 없이 배치되는 분사부(injection part);
    상기 분사부로부터 분사된 상기 산화제 및 연료에 의한 연소가 이루어지는 곳으로, 가시창(visible window)을 포함하는 제2군의 구성부품들이 배치되는 챔버부(chamber part);
    상기 챔버부에서 연소에 의해 발생된 배기 가스가 배출되는 곳으로, 배기 노즐(exhaust nozzle)을 포함하는 제3군의 구성부품들이 볼트에 의한 체결 없이 배치되는 배기부(exhaust part); 및
    상기 분사부와 상기 배기부 사이에 상기 챔버부가 배치된 상태에서, 상기 분사부로부터 상기 배기부까지 연장된 형태를 갖고 이들을 상호 체결함으로써, 상기 제1군, 제2군 및 제3군의 구성부품들을 상호 체결 및 고정하도록 구성된 체결부재;를 포함하는, 연소기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1군, 제2군 및 제3군의 구성부품들 중에서 선택된 인접한 두 개의 구성부품은 제1 구성부품 및 제2 구성부품을 포함하고,
    상기 제1 구성부품은 안착홈부를 포함하고, 상기 제2 구성부품은 상기 안착홈부에 삽입되는 대응 삽입부를 포함하는 연소기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분사부는,
    산화제 주입 포스트(oxidizer inlet post);
    상기 산화제 주입 포스트의 단부에 배치되는 산화제 인젝터(oxidizer injector);
    상기 산화제 주입 포스트와 인접하여 배치되는 연료 주입 포스트(fuel inlet post); 및
    상기 연료 주입 포스트의 단부에 배치되는 연료 인젝터(fuel injector);를 포함하는 연소기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 산화제 주입 포스트는 산화제 주입관부 및 상기 산화제 주입관부의 일단부에서 확장된 제1 확장부를 포함하고,
    상기 산화제 인젝터는 상기 산화제 주입관부의 타단부에 배치되며,
    상기 연료 주입 포스트는 상기 산화제 주입관부를 둘러싸는 연료 주입관부 및 상기 연료 주입관부의 일단부에서 확장된 제2 확장부를 포함하고,
    상기 연료 인젝터는 상기 연료 주입관부의 타단부에 배치되는 연소기.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 인젝터는 상기 산화제 인젝터의 일부를 둘러싸도록 배치되고,
    상기 연료 인젝터와 상기 산화제 인젝터는 동축으로 배치되는 연소기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 산화제 주입관부의 타단부나 그와 인접한 부분의 외주면에 바깥쪽으로 확장된 제1 브릿지부(bridge portion)가 더 구비되고,
    상기 제1 브릿지부의 일부는 상기 연료 주입관부의 내측면과 접촉되거나 실질적으로 접촉되고, 상기 제1 브릿지부의 다른 일부는 연료의 유동이 가능하도록 상기 연료 주입관부의 내측면과 비접촉된 연소기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 주입관부의 타단부나 그와 인접한 부분의 외주면에 바깥쪽으로 확장된 제2 브릿지부가 더 구비되고,
    상기 제2 브릿지부의 일부는 상기 챔버부의 내측면과 접촉되거나 실질적으로 접촉되고, 상기 제2 브릿지부의 다른 일부는 냉각 가스의 유동이 가능하도록 상기 챔버부의 내측면과 비접촉된 연소기.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 분사부는 상기 제1 확장부 및 상기 제2 확장부를 관통하여 형성된 냉각 가스 주입홀을 더 포함하고, 상기 냉각 가스 주입홀을 통해 주입된 냉각 가스는 상기 챔버부의 내측면 쪽으로 주입되는 연소기.
  9. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 산화제 주입 포스트와 상기 산화제 인젝터 사이, 상기 연료 주입 포스트와 상기 연료 인젝터 사이 및 상기 산화제 주입 포스트와 상기 연료 주입 포스트 사이 각각에 기밀을 유지하기 위한 실링부가 구비된 연소기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버부는,
    상기 챔버부의 내부 공간을 둘러싸도록 상호 이격하여 배치된 네 개의 챔버 월부(chamber wall portion);
    상기 네 개의 챔버 월부 사이에 각각 배치되는 네 개의 가시창부(visible window portion); 및
    상기 네 개의 가시창부 각각을 상기 챔버 월부에 고정시키기 위한 네 개의 고정부재;를 포함하고, 상기 네 개의 고정부재 각각은 그에 대응하는 가시창부를 노출시키는 개구영역을 갖고 그에 인접한 두 개의 챔버 월부에 체결되는 연소기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 네 개의 챔버 월부 각각과 이와 인접한 상기 가시창부 사이에 실링용 가스켓(gasket)이 더 구비된 연소기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 네 개의 챔버 월부 각각은 냉각수 라인을 포함하고, 상기 냉각수 라인은 그에 대응하는 상기 실링용 가스켓에 인접하게 배치되는 연소기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버부는 챔버 블록을 포함하고, 상기 챔버 블록은 상기 네 개의 챔버 월부, 상기 네 개의 가시창부 및 상기 네 개의 고정부재를 포함하며,
    상기 챔버부는 상기 챔버 블록과 상기 배기부 사이에 배치되는 냉각수 매니폴드(cooling water manifold)를 더 포함하는 연소기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기부는 마운트 공간을 갖는 배기 노즐 마운트(exhaust nozzle mount) 및 상기 마운트 공간에 배치되는 상기 배기 노즐을 포함하는 연소기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 배기 노즐 마운트는 상기 배기 노즐을 냉각시키기 위한 냉각유체를 상기 배기 노즐 주위로 공급할 수 있도록 설계된 연소기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 배기 노즐 마운트는 상기 마운트 공간을 정의하는 마운트부 및 상기 마운트부의 일단에서 확장된 확장부를 포함하는 연소기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사부는 그 단부에 분사부측 확장부를 포함하고,
    상기 배기부는 그 단부에 배기부측 확장부를 포함하며,
    상기 체결부재는 상기 분사부측 확장부와 상기 배기부측 확장부를 관통하여 이들을 상호 체결하도록 구성된 연소기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 체결부재는 복수의 스터드볼트(stud bolt)를 포함하는 연소기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 체결부재는 4개 또는 8개의 볼트를 포함하는 연소기.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소기는 50 bar 이상의 압력 조건에서 사용 가능하도록 구성된 연소기.
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