KR102487603B1 - 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드에 관한 것으로서, 특히 산화제 공급관에서 제공되는 산화제가 유입되는 산화제 유입홈이 상면에 일정깊이로 형성되고, 상기 산화제 유입홈과 연통되는 다수의 산화제 배출홀이 형성되며, 상기 산화제 배출홀과 연통되어 산화제를 연소실의 벽면을 향해 분사하는 산화제 분사관이 저면에 구비된 상판과; 상기 상판의 저면에 밀착되고, 연료 공급관에서 제공되는 연료가 유입되는 연료 유입홈이 상면에 일정깊이로 형성되며, 상기 산화제 분사관을 일정거리 이격된 상태로 포위하면서 상기 연료 유입홈과 연통되어 산화제 분사관과의 사이에서 연소실의 벽면을 향해 연료를 분사하는 연료 분사홀이 형성된 하판;을 포함하여 구성되어, 추진제로 사용되는 연료와 산화제의 연소 효율을 향상시키고 연소실의 벽면을 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드{Vortex-like shear coaxial injector head used in small rocket thrusters}

본 발명은 와류형 동축 전단 분사 헤드에 관한 것으로서, 특히 소형 로켓 추력기에 적용하여 추진제를 효율적으로 연소시킬 수 있고 고온의 열로부터 연소실 벽을 보호할 수 있는 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드에 관한 것이다.

액체 추진 로켓은 추진제를 혼합기를 통해 분사/혼합한 후 연소실에서 연소시켜 발생된 연소가스의 압축 팽창으로 추력을 얻게 되는데, 추진제의 분사/혼합의 정도가 엔진의 성능을 좌우한다고 하여도 무방하다 할 정도이다.

특히, 소형 액체 로켓 엔진은 작은 연소실 부피로 인해 추진제가 완벽히 연소되기 어렵고, 고온의 열로부터 연소실 벽이 훼손될 수 있는 위험성이 높다.

일반적인 동축 전단 분사기의 경우 추진제가 분무되는 속도가 매우 빨라 추진제의 완전 연소 측면을 고려했을 때 소형 엔진에 적용하기에는 어려움이 있을 뿐만 아니라 연소실 내에서의 추진제 체류시간이 짧은 문제가 있다.

등록특허 10-1013934

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 추진제의 미립화 효과를 향상시키고 추진제의 축 방향 속도를 감소시켜 연소 효율을 향상시키며 연소실 벽면을 고온의 열로부터 보호할 수 있는 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드는 산화제 공급관에서 제공되는 산화제가 유입되는 산화제 유입홈이 상면에 일정깊이로 형성되고, 상기 산화제 유입홈과 연통되는 다수의 산화제 배출홀이 형성되며, 상기 산화제 배출홀과 연통되어 산화제를 연소실의 벽면을 향해 분사하는 산화제 분사관이 저면에 구비된 상판과; 상기 상판의 저면에 밀착되고, 연료 공급관에서 제공되는 연료가 유입되는 연료 유입홈이 상면에 일정깊이로 형성되며, 상기 산화제 분사관을 일정거리 이격된 상태로 포위하면서 상기 연료 유입홈과 연통되어 산화제 분사관과의 사이에서 연소실의 벽면을 향해 연료를 분사하는 연료 분사홀이 형성된 하판;을 포함하여 구성된다.

여기에서, 상기 산화제 배출홀과 산화제 분사관 및 연료 분사홀은 연소실 벽면의 접선 방향을 향하도록 경사지게 배치된다.

그리고, 상기 상판의 산화제 유입홈 내에는 산화제 배출홀로 산화제를 안내하는 다수의 산화제 안내홀이 방사상으로 형성된 상부 유도판이 구비되고, 상기 하판의 연료 유입홈 내에는 연료 분사홀로 연료를 안내하는 다수의 연료 안내홀이 방사상으로 형성된 하부 유도판이 구비된다.

한편, 상기 상판의 상면을 덮으면서 상기 연소실에 부착되는 덮개판;를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 덮개판, 상부 유도판, 상판, 하부 유도판 및 하판의 중앙을 관통하는 센터홀이 형성되고, 상기 센터홀에 점화기가 설치된다.

또한, 상기 산화제 공급관은 상기 덮개판을 관통하여 상기 산화제 유입홈에 산화제를 제공하고, 상기 연료 공급관은 상기 덮개판과 상판을 관통하여 상기 연료 유입홈에 연료를 제공한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드는 산화제와 연료가 연소실의 벽면을 향해 분사되므로, 벽면과의 충돌을 이용한 미립화 효과와 운동량 손실로 인한 유속감소 효과를 통해 산화제와 연료가 잘 혼합되도록 함으로써 연소 효율을 높일 수 있으며, 연소실 벽면이 냉각되는 효과도 기대할 수 있는 이점이 있다.

또한, 산화제와 연료가 연소실 벽면을 향해 분사되되 연소실 벽면의 접선 방향으로 분사되므로, 산화제와 연료의 연소실 내 체류시간을 증가시켜 산화제와 연료의 혼합이 잘 일어나게 함으로써 연소가 더 잘 일어나게 할 수 있는 이점이 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드가 설치된 모습을 보인 도.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드를 보인 도.

이하, 본 발명에 의한 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드가 설치된 모습을 보인 도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드를 보인 도이다.

본 발명에 의한 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드는 소형 로켓 엔지의 연소실에 산화제와 연료가 혼합된 혼합기를 공급하기 위한 것으로서, 상판(10)과, 상기 상판(10)의 저면에 밀착 설치되는 하판(20)을 포함하여 구성된다.

상기 상판(10)은 그 전체적인 형태가 일정한 높이를 같은 원형의 판과 유사한 형상으로 이루어지고, 여기에는 산화제 유입홈(11)과 다수의 산화제 배출홀(12)이 형성됨과 아울러 다수의 산화제 분사관(13)이 구비된다.

상기 산화제 유입홈(11)은 산화제 공급관(P1)에서 제공되는 액체 상태의 산화제가 유입되는 공간으로서, 상판(10)의 상면에서 일정깊이로 함몰되어 형성된다.

상기 산화제 배출홀(12)은 산화제 유입홈(11)과 연통되게 형성되어 산화제 유입홈(11)에 공급된 산화제를 상판(10) 밖으로 안내하는 역할을 한다.

부연하면, 산화제 배출홀(12)은 상판(10)을 관통하여 형성되되 산화제 유입홈(11) 내에서 원형을 이루도록 다수개가 형성되는데, 이때 이 산화제 배출홀(12)은 연소실(B)의 벽면을 향해 경사지게 형성되면서 동시에 연소실(B) 벽면의 접선방향을 향하도록 경사지게 형성된다.

상기 산화제 분사관(13)은 상판(10)의 저면에 일체로 구비되되, 산화제 배출홀(12)과 연통되게 구비되면서 연소실(B)의 벽면을 향해 경사지게 배치되면서 동시에 연소실(B) 벽면의 접선방향으로 향하도록 경사지게 돌출 구비된다. 따라서 산화제 유입홈(11) 내에 공급된 산화제는 산화제 배출홀(12)을 통해 산화제 분사관(13) 내부로 공급된 후 연소실(B)의 벽면을 향해 분사된다.

한편, 상판(10)의 산화제 유입홈(11) 내에는 상부 유도판(14)이 일체로 구비된다.

상기 상부 유도판(14)은 그 지름이 산화제 유입홈(11)의 지름보다 작으며, 그 전체적인 형태가 원형판과 유사한 형태를 취한다. 이러한 상부 유도판(14)의 가장자리에는 다수의 산화제 안내홀(14a)이 일정간격을 이루면서 각각 하나씩 방사상으로 형성된다.

상기 산화제 안내홀(14a)은 상부 유도판(14)의 가장자리에서 상부 유도판(14)의 중심쪽을 향하여 길게 형성된다. 산화제 유입홈(11) 내에 유입된 산화제는 상판(10)의 테두리 부분과 상부 유도판(14)의 테두리 부분 사이를 유동하다가 산화제 안내홀(14a) 내부로 들어간 후 산화제 배출홀(12)을 통해 산화제 분사관(13) 내부로 공급된다.

상기 하판(20)은 상판(10)과 거의 동일한 직경과 형태의 원형 판 형태로 제작되고, 여기에는 연료 유입홈(21)과 연료 분사홀(22)이 형성된다.

상기 연료 유입홈(21)은 연료 공급관(P2)에서 제공되는 기체 상태의 연료가 유입되는 공간으로서, 하판(20)의 상면에서 일정깊이로 함몰되어 형성된다.

상기 연료 분사홀(22)은 연료 유입홈(21)과 연통되게 형성되어 연료 유입홈(21)에 공급된 연료를 하판(20) 밖으로 안내하는 역할을 한다.

부연하면, 연료 분사홀(22)은 하판(20)을 관통하여 형성되되 연료 유입홈(21) 내에서 원형을 이루도록 다수개가 형성되는데, 이때 이 연료 분사홀(22)은 연소실(B)의 벽면을 향해 경사지게 형성되면서 동시에 연소실(B) 벽면의 접선방향을 향하도록 경사지게 형성된다.

이러한 연료 분사홀(22)은 산화제 분사관(13)의 외측면을 일정거리 이격된 상태로 포위하면서 연료 유입홈(21)과 연통되어 산화제 분사관(13)과의 사이에서 연소실(B) 벽면의 접선방향으로 분사한다. 즉 상판(10)과 하판(20)을 밀착시켰을 때 연료 분사홀(22) 내에 산화제 분사관(13)이 삽입되어, 산화제 분사관(13)을 통해서 산화제가 연소실(B) 벽면의 접선방향으로 분사되고, 산화제 분사관(13)의 외측면과 연료 분사홀(22)을 형성하는 벽면 사이의 공간을 통해서 연료가 연소실(B) 벽면의 접선방향으로 분사된다.

한편, 하판(20)의 연료 유입홈(21) 내에는 하부 유도판(23)이 일체로 구비된다.

상기 하부 유도판(23)은 그 지름이 연료 유입홈(21)의 지름보다 작으며, 그 전체적인 형태가 원형판과 유사한 형태를 취한다. 이러한 하부 유도판(23)의 가장자리에는 다수의 연료 안내홀(23a)이 일정간격을 이루면서 각각 하나씩 방사상으로 형성된다.

상기 연료 안내홀(23a)은 하부 유도판(23)의 가장자리에서 하부 유도판(23)의 중심쪽을 향하여 길게 형성된다. 연료 유입홈(21) 내에 유입된 연료는 하판(20)의 테두리 부분과 상부 유도판(14)의 테두리 부분 사이를 유동하다가 연료 안내홀(23a) 내부로 들어간다.

한편, 본 발명은 상판(10)의 상면을 덮으면서 연소실(B)에 부착되는 덮개판(30)을 더 포함하여 구성된다.

상기 덮개판(30)은 연소실(B)의 가장자리에 볼팅이나 용접 등의 방법에 의해 체결됨으로써 연소실(B) 상부에 설치된 상판(10)과 하판(20)이 연소실(B) 밖으로 이탈되는 것을 방지한다.

이러한 덮개판(30)의 중앙부분, 상부 유도판(14)의 중앙부분, 상판(10)의 중앙부분, 하부 유도판(23)의 중앙부분 및 하판(20)의 중앙부분에는 센터홀(H)이 관통 형성되는데, 이 센터홀(H)에 산화제와 연료를 연소시키기 위한 점화기(S)가 설치된다.

그리고, 상기 산화제 공급관(P1)은 일측단이 덮개판(30) 밖으로 노출되고 타측단이 덮개판(30)을 관통하여 상판(10)의 산화제 유입홈(11)에 산화제를 제공하며, 상기 연료 공급관(P2)은 일측단이 덮개판(30) 밖으로 노출되고 타측단이 덮개판(30)과 상판(10)을 관통하여 하판(20)의 연료 유입홈(21)에 연료를 제공한다.

10: 상판 11: 산화제 유입홈
12: 산화제 배출홀 13: 산화제 분사관
14: 상부 유도판 14a: 산화제 안내홀
20: 하판 21: 연료 유입홈
22: 연료 분사홀 23: 하부 유도판
23a: 연료 안내홀 30: 덮개판
B: 연소실 H: 센터홀
P1: 산화제 공급관 P2: 연료 공급관
S: 점화기

Claims (6)

1. 산화제 공급관(P1)에서 제공되는 산화제가 유입되는 산화제 유입홈(11)이 상면에 일정깊이로 형성되고, 상기 산화제 유입홈(11)과 연통되는 다수의 산화제 배출홀(12)이 형성되며, 상기 산화제 배출홀(12)과 연통되어 산화제를 연소실(B) 내로 분사하는 산화제 분사관(13)이 저면에 구비된 상판(10)과; 상기 상판(10)의 저면에 밀착되고, 연료 공급관(P2)에서 제공되는 연료가 유입되는 연료 유입홈(21)이 상면에 일정깊이로 형성되며, 상기 산화제 분사관(13)을 일정거리 이격된 상태로 포위하면서 상기 연료 유입홈(21)과 연통되어 산화제 분사관(13)과의 사이에서 연료를 연소실(B) 내로 분사하는 연료 분사홀(22)이 형성된 하판(20)과; 상기 상판(10)의 상면을 덮으면서 상기 연소실(B)에 부착되는 덮개판(30);를 포함하여 구성되되,
   상기 상판(10)의 산화제 유입홈(11) 내에는 산화제 배출홀(12)로 산화제를 안내하는 다수의 산화제 안내홀(14a)이 방사상으로 형성된 상부 유도판(14)이 구비되고, 상기 하판(20)의 연료 유입홈(21) 내에는 연료 분사홀(22)로 연료를 안내하는 다수의 연료 안내홀(23a)이 방사상으로 형성된 하부 유도판(23)이 구비되며,
   상기 산화제 배출홀(12)과 산화제 분사관(13) 및 연료 분사홀(22)은 연소실(B)의 벽면을 향해 경사지게 형성되면서 동시에 연소실(B) 벽면의 접선 방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 덮개판(30), 상부 유도판(14), 상판(10), 하부 유도판(23) 및 하판(20)의 중앙을 관통하는 센터홀(H)이 형성되고, 상기 센터홀(H)에 점화기(S)가 설치되는 것을 특징으로 하는 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 산화제 공급관(P1)은 상기 덮개판(30)을 관통하여 상기 산화제 유입홈(11)에 산화제를 제공하고,
   상기 연료 공급관(P2)은 상기 덮개판(30)과 상판(10)을 관통하여 상기 연료 유입홈(21)에 연료를 제공하는 것을 특징으로 하는 소형 추력기에 사용되는 와류형 동축 전단 분사 헤드.

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