KR102471814B1 - 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기에 관한 것으로서, 특히 1차 연소실(가스발생기)에서 발생된 과농 연소가스를 재연소장치에 전달하는 과정에서 가스의 양을 조절하여 추력 제어를 쉽게 이루도록 하는 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기에 관한 것이다. 구성은 1차 연소실과 2차 연소실 사이에 위치하는 덕티드 램제트 엔진용 가스유량조절기에 있어서, 상기 1차 연소실을 통해 유입되는 가스를 2차 연소실로 공급하기 위해 가스가 유입되는 일단이 작은 지름으로 형성되고 가스가 배출되는 반대편에 위치하는 타단은 큰 지름으로 테이퍼진 복수개의 유로가 형성된 하우징과; 상기 하우징의 일측에 위치하여 각 유로를 개폐할 수 있도록 유로 개폐날개와, 상기 유로 개폐날개와 결합되어 1차 연소실에서 발생하는 가스의 유동저항을 최소화할 수 있도록 단면이 원추형을 이루도록 형성되는 커버로 구성되며, 2차 연소실의 압력에 따라 각 유로의 개폐 면적을 달리 조절하도록 회전동작 가능한 회전형 유로 개폐부와; 상기 하우징의 외부 일측에 형성되어 동력을 제공하는 감속기를 구비하는 모터와, 상기 하우징의 내부 중앙 부분에 위치하여 일단은 상기 모터의 회전동작에 연동하도록 형성되고, 타 일단은 상기 회전형 유로 개폐부와 연결되어 회전형 유로 개폐부를 회전동작시키도록 연결되는 기어부로 이루어지는 구동수단; 을 포함하고, 필요 추력 형성을 위한 가스 유량 조절의 필요성에 따라 가스의 공급량을 조절하도록 회전형 유로 개폐부를 회전시켜 유로의 가스 공급 면적을 가감시키는 것을 특징으로 한다.

Description

덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기{Gas flow regulator for ducted ramjet engine}

본 발명은 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기에 관한 것으로서, 특히 1차 연소실(가스발생기)에서 발생된 과농 연소가스를 재연소장치에 전달하는 과정에서 가스의 양을 조절하여 추력 제어를 쉽게 이루도록 하는 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기에 관한 것이다.

일반적으로 램제트 추진기술의 하나인 덕티드 로켓(Ducted Rocket)의 추진기에는 추진력을 얻기 위해 가스발생기인 1차 연소실과 상기 1차 연소실을 통해 배출되는 불완전 연소 가스발생기와 연소가스 또는 미연소가스를 공기나 산화제를 혼합하여 연소 및 분출하는 2차 연소실 사이에 가스의 유량을 조절하기 위한 가스유량 조절기가 설치된다.

이러한 추진 장치에서 유량을 조절하기 위해 기존에 널리 사용되던 가스유량 조절기는 도 1에 도시된 바와 같은 핀틀형 가스유량조절기(100)와, 도 2에 도시된 바와 같은 플런저형 가스유량조절기(200)가 있다.

그러나, 종래의 핀틀형 가스유량조절기(100)는 고압/고온 환경에서 적용이 유리하여 제품의 신뢰도는 높으나 구조적 특성상 유량의 정밀제어가 불가능하고 고온 연소기체에 의한 삭마에 취약하여 장시간 구동시 유량의 조절양이 달라진다는 문제점이 있었다.

그리고, 핀틀을 제어하기 위한 시스템이 복잡해지는 취약점도 갖고 있었다.

또, 종래의 플런저형 가스유량조절기(200)는 구동 시스템의 구조가 간단하고 내삭마성이 높으나 가스 배출구가 한방향으로 편중되어 고체연료의 고른 연소를 방해하는 문제점이 있었다.

공개특허 10-2012-0134297

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유로의 면적을 변화시켜 고체연료가 연소되는 1차 연소실에서 배출되는 가스의 유량을 정밀하게 조절할 수 있도록 함으로써, 정확한 추력 제어를 함과 동시에 연소가스와 공기의 고른 혼합으로 2차 연소실에서 연소 효율을 향상시키도록 하는 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 1차 연소실과 2차 연소실 사이에 위치하는 덕티드 램제트 엔진용 가스유량조절기에 있어서, 상기 1차 연소실을 통해 유입되는 가스를 2차 연소실로 공급하기 위해 가스가 유입되는 일단이 작은 지름으로 형성되고 가스가 배출되는 반대편에 위치하는 타단은 큰 지름으로 테이퍼진 복수개의 유로가 형성된 하우징과; 상기 하우징의 일측에 위치하여 각 유로를 개폐할 수 있도록 유로 개폐날개와, 상기 유로 개폐날개와 결합되어 1차 연소실에서 발생하는 가스의 유동저항을 최소화할 수 있도록 단면이 원추형을 이루도록 형성되는 커버로 구성되며, 2차 연소실의 압력에 따라 각 유로의 개폐 면적을 달리 조절하도록 회전동작 가능한 회전형 유로 개폐부와; 상기 하우징의 외부 일측에 형성되어 동력을 제공하는 감속기를 구비하는 모터와, 상기 하우징의 내부 중앙 부분에 위치하여 일단은 상기 모터의 회전동작에 연동하도록 형성되고, 타 일단은 상기 회전형 유로 개폐부와 연결되어 회전형 유로 개폐부를 회전동작시키도록 연결되는 기어부로 이루어지는 구동수단; 을 포함하고, 필요 추력 형성을 위한 가스 유량 조절의 필요성에 따라 가스의 공급량을 조절하도록 회전형 유로 개폐부를 회전시켜 유로의 가스 공급 면적을 가감시키는 것을 특징으로 한다.

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이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 덕티드 로켓의 고체 추진제에서 발생된 가스(연소가스 또는 미연소가스)의 유량조절 효율을 증대시키고, 구동시스템의 부피를 최소화하여 체계 적용시 비행거리를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명은 원주를 따라 균일하게 형성되는 가스배출 유로를 통해 가스가 분사되도록 함으로써 균일한 연소로 연소효율을 증대시키는 효과가 있다.

도 1은 종래의 핀틀형 조절방식의 가스유량 조절기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 플런저형 조절방식의 가스유량 조절기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기의 요부 분해 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 개폐도어와 구동수단의 분리 확대도이다.
도 5는 3의 조립도이다.
도 6은 도 5의 정면도이다.
도 7은 도 5의 좌측면도이다.
도 8은 도 5의 우측면도이다.
도 9는 도 5의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기를 반대편에서 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 1차 연소실과 2차 연소실 사이에 설치된 가스유량 조절기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 다량의 미연가스 공급이 필요한 경우 가스유량 조절기의 보조 분사홀을 완전히 개방한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 소량의 미연가스 공급이 필요한 경우 가스유량 조절기의 보조 분사홀을 일부만 개방한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14은 본 발명에 따른 미연가스 공급을 최소화할 경우 가스유량 조절기의 보조 분사홀을 거의 폐쇄한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 덕티드 램제트용 가스유량 조절기의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 3 내지, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기(300)는 1차 연소실(400)과 2차 연소실(500) 사이에 설치되며, 하우징(310)과, 회전형 유로 개폐부(320) 및 구동수단(330)으로 대별되어 이루어진다.

상기 하우징(310)은 1차 연소실을 통해 유입되는 가스를 2차 연소실로 공급하기 위한 복수 개의 유로(311)가 형성된다.

그리고, 상기 복수 개의 유로(311)는 가스가 고르게 연소될 수 있도록 하우징(310)의 원주를 따라 상호 간격을 두고 고르게 형성된다.

또, 상기 유로(311)는 1차 연소실(400)에서 발생되어 유입되는 가스의 유속(흐름)을 고속으로 가속화되도록 단면 형상이 테이퍼(taper)지게 형성된다.

즉, 상기 유로(311)는 가스가 유입되는 일단이 작은 지름으로 형성되고 가스가 배출되는 반대편에 위치하는 타단은 큰 지름으로 테이퍼지게 형성된다.

또한, 상기 하우징(310)은 내측면에 고온 환경에 강한 단열재(312)가 형성된다.

상기 회전형 유로 개폐부(320)는 상기 하우징(310)의 일측에 위치하여 각 유로(311)를 개폐할 수 있도록 회전동작 가능하게 형성된다.

상기 회전형 유로 개폐부(320)는 유로 개폐날개(321)와, 상기 유로 개폐날개(321)와 결합되어 상기 1차 연소실(400)에서 발생하는 가스의 유동저항을 최소화할 수 있도록 단면이 원추형(conical type)을 이루도록 형성되는 커버(322)로 구성된다.

여기서, 상기 커버(322)의 내부 중앙에는 상기 유로 개폐날개(321)와 결합된 후 유로 개폐날개(321)를 회전시킬 수 있도록 추후 설명할 상기 구동수단(330)의 제2 베벨기어(333b)의 회전축(s2)이 결합되는 회전축 결합구멍(322a)이 형성된다.

그리고, 상기 커버(322)는 원추형의 꼭지점이 일체로 형성되거나 분리가능하도록 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 1차 연소실(400)에서 발생된 가스가 상기 유로(311)를 통과시 유동저항이 최소화되어 2차 연소실(500)에서 균일 유동장을 확보하여 원활하고 안정된 연소를 이룰 수 있다.

또, 상기 회전형 유로 개폐부(320)의 유로 개폐날개(321)는 각 유로(311)를 개폐할 수 있도록 각 유로(311)의 갯수와 동일하게 형성되거나 대응하는 형태로 형성된다.

그리고, 상기 유로 개폐날개(321)는 각 유로(311)의 면적을 변화시켜 통과하는 가스 유량을 가감 조절할 수 있도록 회전량을 가감할 수 있다.

즉, 상기 유로 개폐날개(321)는 2차 연소실(500)의 압력에 따라 상기 각 유로(311)의 개폐 면적을 달리하여 가스의 유량을 정밀하게 조절하여 정확한 추력 제어가 이루어질 수 있게 한다.

또, 상기 유로(311)의 갯수는 덕티드 램제트 엔진의 사양에 따라 가감(加減)하여 형성할 수 있다.

예컨대, 상기 유로(311)의 갯수를 3개에서 12개 범위로 가감 형성할 수도 있다.

상기 구동수단(330)은 상기 하우징(310)의 외부 일측에 형성되어 동력을 제공하는 감속기(331)를 구비하는 모터(332)와, 상기 하우징(310)의 내부 중앙 부분에 위치하여 일단은 상기 모터(332)와 감속기(331)의 회전동작에 연동하도록 형성되고, 타 일단은 상기 회전형 유로 개폐부(320)와 연결되어 회전형 유로 개폐부(320)를 회전동작시키도록 연결되는 기어부로 이루어진다.

상기 기어부는 원뿔 모양으로서 서로 직각·둔각 등으로 만나 두 축 사이에 운동을 전달하는 베벨기어(bevel gear)와 같은 교차축기어로 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 기어부는 수직으로 위치하는 회전축(s1)을 구비하는 제1 베벨기어(333a)와 수평으로 위치하는 회전축(s2)을 구비하는 제2 베벨기어(333b)로 이루어지고, 상기 제1 베벨기어(333a)의 회전축(s1)은 상기 감속기(331)의 동력전달축(미도시)과 연동하도록 결합된다.

그리고, 상기 제2 베벨기어(333b)는 제1 베벨기어(333a)와 치(齒)결합되고 제2 베벨기어(333b)의 회전축(s2)은 상기 커버(322)의 내부 중앙에 형성된 회전축 결합구멍(322a)과 결합된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기(300)는 도 8에 도시된 바와 같이 일측에 고체연료를 연소시키는 1차 연소실(400)과 일측에 공기 흡입구(510)를 구비하는 2차 연소실(500) 사이에 설치된다.

또한, 본 발명은 상기 가스유량 조절기(300)를 구비하는 덕티드 램제트 엔진(미도시)을 더 제공한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기(300)는 상기 1차 연소실(400)에서 미연소가스가 발생하게 되면 상기 2차 연소실(500)의 압력에 따라 가스유량을 조절하도록 동작한다.

예컨대, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 2차 연소실(500)의 압력이 높은 경우 연소가 잘되는 것이기 때문에 별도의 제어부(미도시)를 통해 피드백 제어가 이루어져 상기 구동수단(330)의 모터(332)와 감속기(331)를 소정의 회전이 이루어지도록 한다.

이와 동시에 상기 모터(332)의 회전동작에 연동하여 상기 제1 베벨기어(333a)와 제2 베벨기어(333b)가 회전하게 되고, 상기 제2 베벨기어(333b)에 연동하여 상기 유로 개폐날개(321)가 소정의 회전이 이루어지면서 상기 복수 개의 유로(311) 전체를 완전히 개방시킨다.

이때, 상기 1차 연소실(400)을 통해 배출되는 가스는 개방된 유로(311)를 통과하여 소정 량이 2차 연소실(500)로 공급되게 된다.

그리고, 상기 2차 연소실(500)로 공급되는 가스는 2차 연소실(500)의 일측에 형성된 공기 흡입구(510)를 통해 유입되는 공기와 원활한 혼합이 이루어지면서 효율적인 연소를 이룰 수 있게 된다.

반대로, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 상기 2차 연소실(500)의 압력이 낮은 경우 연소가 잘 안되는 것이기 때문에 별도의 제어부(미도시)를 통해 2차 연소실(500)의 압력에 따라 가스의 유량 공급이 가감되도록 프로그램 및 피드백 제어가 이루어지도록 설정되어 있다.

여기서, 상기 제어부와 프로그램 및 피드백 제어는 2차 연소실(500)의 압력에 따라 여러 조건으로 설계될 수 있는 통상적인 것이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이 상기 2차 연소실(500)의 압력이 낮으면 상기 제어부에서는 구동수단(330)의 모터(332)가 소정의 회전만 이루어지도록 제어한다.

다음, 상기 모터(332)의 회전동작에 연동하여 상기 제1 베벨기어(333a)와 제2 베벨기어(333b)가 회전하게 되고, 상기 제2 베벨기어(333b)의 회전동작에 연동하여 상기 유로 개폐날개(321)가 소정의 회전이 이루어지면서 상기 각 유로(311)의 가스 공급면적이 조절되도록 각 유로(311)의 개폐면적을 1/5, 2/5, 3/5, 4/5 등과 같이 다양하게 조절한다.

그리고, 상기 2차 연소실(500)로 공급되는 가스는 상기 공기 흡입구(510)를 통해 유입되는 공기와 원활한 혼합이 이루어져 빠르고 효율적인 연소를 이룰 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 2차 연소실(500)에서는 연소반응이 빨리 이루어져 엔진의 추력 제어를 용이하게 할 수 있다.

이러한 구성의 상기 각 유로(311)는 1차 연소실(400)에서 발생되는 가스가 유입되는 유입구의 지름이 작고, 반대편에 위치하여 유입된 가스를 배출하는 배출구의 지름은 유입구의 지름 보다 크게 확대되기 때문에 가스 유동은 노즐목에서 초킹(choking)이 발생되어 배출구까지 고속으로 가속될 수 있다.

여기서, 초킹(choking)은 가스체에 압력차가 있으면 흐름이 생긴다.

그러나, 압력비를 증가시키면 유로(流路)(111)의 최소 단면에서의 유속(流速)은 증가하되, 그 속도가 음속(音速)에 달하면 그 이상 증가하지 않는데 이 현상을 말한다.

이와 같이 본 발명은 상기 유로 개폐날개에 의해 가스의 공급면적이 조절되는 각 유로가 1차 연소실로부터 발생되는 가스의 흐름을 고속으로 가속화시켜 가스에 포함된 고체 연료의 입자로 인한 슬래그(slag)가 내부에 침적되는 차폐 현상을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

300 : 가스유량 조절기 310 : 하우징
311 : 유로 312 : 단열재
320 : 회전형 유로 개폐부 321 : 유로 개폐날개
322 : 커버 322a : 회전축 결합구멍
330 : 구동수단 331 : 감속기
332 : 모터 333a : 제1 베벨기어
333b : 제2 베벨기어 s1, s2 : 회전축
400 : 1차 연소실 500 : 2차 연소실
510 : 공기 흡입구

Claims (8)

1차 연소실과 2차 연소실 사이에 위치하는 덕티드 램제트 엔진용 가스유량조절기에 있어서,
상기 1차 연소실을 통해 유입되는 가스를 2차 연소실로 공급하기 위해 가스가 유입되는 일단이 작은 지름으로 형성되고 가스가 배출되는 반대편에 위치하는 타단은 큰 지름으로 테이퍼진 복수개의 유로가 형성된 하우징과;
상기 하우징의 일측에 위치하여 각 유로를 개폐할 수 있도록 유로 개폐날개와, 상기 유로 개폐날개와 결합되어 1차 연소실에서 발생하는 가스의 유동저항을 최소화할 수 있도록 단면이 원추형을 이루도록 형성되는 커버로 구성되며, 2차 연소실의 압력에 따라 각 유로의 개폐 면적을 달리 조절하도록 회전동작 가능한 회전형 유로 개폐부와;
상기 하우징의 외부 일측에 형성되어 동력을 제공하는 감속기를 구비하는 모터와, 상기 하우징의 내부 중앙 부분에 위치하여 일단은 상기 모터의 회전동작에 연동하도록 형성되고, 타 일단은 상기 회전형 유로 개폐부와 연결되어 회전형 유로 개폐부를 회전동작시키도록 연결되는 기어부로 이루어지는 구동수단; 을 포함하고,
필요 추력 형성을 위한 가스 유량 조절의 필요성에 따라 가스의 공급량을 조절하도록 회전형 유로 개폐부를 회전시켜 유로의 가스 공급 면적을 가감시키는 것을 특징으로 하는 덕티드 램제트 엔진용 가스유량 조절기.

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