KR102649754B1 - 제트 펌프 - Google Patents

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다니엘 킨테아
루카스츠 가브뤼스
크리스티안 칼
브라이텐바흐 게리트 폰
미할 자이다크
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노르마 저머니 게엠베하
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Abstract

본 발명은 추진제(propellant)를 가속시키기 위한 제트 노즐(14)을 포함하는 제트 펌프(jet pump)에 관한 것으로서, 상기 제트 노즐(14)은 수렴형 유입부(convergent inlet portion)(28)와, 상기 수렴형 유입부(28)에 연결된 배출부(outlet portion)(26)를 가지며, 상기 배출부(26)는 개방 각도(opening angle)(16)로 발산되는 내측 벽(38)을 포함하며, 본 발명에 따르면, 상기 개방 각도(16)는 상기 배출부(26)를 통해 아음속으로 흐르는 추진제는 상기 내측벽(38)으로부터 분리되고 상기 배출부(26)를 통해 초음속으로 흐르는 추진제는 상기 내측벽(38)에 의해 안내되도록 설계된다. 따라서, 본 발명은 상이한 압력비들로의 제트 펌프(10)의 자동적이고, 비용-효과적이며 단순한 전환을 제공한다.

Description

제트 펌프
본 발명은 추진제를 가속시키기 위한 제트 노즐을 포함하는 제트 펌프(jet pump)에 관한 것으로서, 제트 노즐은 수렴형(convergent) 유입부와 수렴형 유입부에 연결된 배출부를 가지며, 배출부는, 청구항 제1항의 전제부에 따라, 내측벽에 의해 둘러싸이고 개방 각도로 발산되는 내부 공간을 포함한다.
제트 펌프들은 흡입 매체(suction medium)를 끌어들이고 가속시키기 위해 추진제(propellant)를 포함하는 유체 제트를 사용한다. 흡입 동작은 흡입 매체를 지나가며 흐르는 추진제에 의해 유발되며, 흡입 매체는 또한 추진제의 유속이 충분히 높을 때 추진제에 의해 운반된다. 추진제를 가속시키기 위해, 추진제는 압력하에서 노즐을 통해 안내되며, 이는 추진제를 가속시킨다. 흡입 압력과 추진제 압력이 아임계 관계(subcritical relationship)를 가지는 경우에는, 수렴 노즐이 제트 펌프 내에서 추진제를 가속시키는데 사용된다. 초임계(supercritical) 압력 관계의 경우에는, 수렴/발산 노즐, 소위 라발 노즐(Laval nozzle)의 수렴부 내에서 음속까지 가속된 추진제를 더 가속시키기 위해 라발 노즐이 사용된다. 아음속으로 흐르는 추진제를 가진 라발 노즐은, 라발 노즐의 발산부가 추진제에 대해 디퓨저로서의 역할을 하기 때문에 유속의 감속으로 이어진다.
본 발명의 목적은 아임계 및 초임계 압력 관계들에서 작동을 가능하게 하는 개선된 제트 펌프를 제공하는 것이다.
본 발명의 주된 특징들은 청구항 제1항의 특징부에서 제시된다. 청구항 제2항 내지 제8항은 실시예들에 관한 것이다.
본 발명은 추진제(propellant)를 가속시키기 위한 제트 노즐을 포함하는 제트 펌프(jet pump)에 관한 것으로서, 상기 제트 노즐은 수렴형 유입부(convergent inlet portion)와, 상기 수렴형 유입부에 연결된 배출부(outlet portion)를 가지며, 상기 배출부는 내측벽에 의해 둘러싸이고 개방 각도(opening angle)로 발산되는 내부 공간을 포함하며, 본 발명에 따라, 상기 개방 각도는 상기 배출부를 통해 아음속으로 흐르는 추진제는 상기 내측벽으로부터 이탈되고(released) 상기 배출부를 통해 초음속으로 흐르는 추진제는 상기 내측벽에 의해 안내되는 방식으로 구성된다.
본 발명은 제트 노즐을 가진 제트 펌프를 제공하며, 상기 제트 노즐의 수렴형 유입부는 수렴형 유입부를 통해 흐르는 추진제를 가속시키고, 상기 추진제는 상기 유입부를 통해 흐르기 전에 아음속으로 흐른다. 유입부를 통해 흘러서 가속된 후의 추진제가 계속 아음속을 가지는 경우에, 추진제는 배출부를 통해 아음속으로 흐른다. 이 예에서, 상기 제트 노즐의 배출부는 발산형 내측벽을 가지며, 즉 배출부의 단면이 수렴형 유입부로부터 증가한다. 이 예에서, 상기 제트 노즐은 특별히 구성된 라발 노즐(Laval nozzle)일 수 있다. 이 예에서, 상기 발산형 내측벽의 개방 각도는 배출부를 통해 아음속으로 흐르는 추진제가 배출부의 내측벽으로부터 이탈될 정도로 크다. 결과적으로, 상기 제트 노즐의 배출부는 아음속으로 흐르는 추진제에 대해 디퓨저로서 작용하지 않으며, 이로써 배출부를 통해 흐를 때 추진제의 속도의 감속이 초래되지 않는다. 대신에, 오직 제트 노즐의 수렴형 유입부만 아음속으로 흐르는 추진제에 작용한다. 상기 제트 노즐은 아음속으로 흐르는 추진제에 대해 수렴형 노즐로서 작용한다. 추진제가 수렴형 유입부에 의해 음속으로 가속되는 경우에, 추진제는 배출부의 발산형 내부 공간에 의해 더 가속된다. 이 예에서, 추진제는 내측벽으로부터 이탈되지 않기 때문에, 배출부의 발산형 내측벽에 의해 안내된다. 이 예에서, 배출부는 초음속으로 흐르는 추진제를 위한 노즐로서 작용하며, 추진제를 더 가속시킨다. 결과적으로, 상기 제트 노즐은 초음속으로 흐르는 추진제를 위한 라발 노즐로서의 역할을 한다.
본 발명은 결과적으로, 아임계 압력 조건 하에서, 다시 말해서, 추진제가 아음속으로 흡입 작용을 초래할 때, 및 초임계 압력 조건 하에서, 다시 말해서, 추진제가 초음속으로 흡입 작용을 초래할 때 둘 다에서, 단일의 제트 노즐로 작동되는 제트 펌프를 제공한다. 이 예에서, 흐르는 추진제에 대한 배출부의 작용은 상기 내측벽의 개방 각도에 의해 자동적으로 조절된다. 따라서, 본 발명의 결과로서, 상이한 압력 관계들로의 제트 펌프의 자동적이고, 비용-효과적이며 단순한 전환이 제공된다.
상기 배출부의 내측벽은 초음속으로부터 아음속으로 전환 중에 상기 배출부를 통해 흐르는 추진제가 상기 내측벽으로부터 이탈되는 방식으로 구성될 수 있다. 다시 말해서, 상기 배출부의 내측벽은 초임계 압력 관계로부터 아임계 압력 관계로 전환 중에 배출부를 통해 흐르는 추진제가 상기 내측벽으로부터 이탈되는 방식으로 구성될 수 있다.
결과적으로, 상기 제트 펌프의 작동 중에 압력은 초임계 압력 관계로부터 아임계 압력 관계로 전환될 수 있으며, 전환 작동 중에 압력 충격이 방지된다. 이는 상기 제트 펌프의 적용 범위의 추가적인 확장을 초래한다.
또한, 상기 배출부의 내측벽은 아음속으로부터 초음속으로 전환 중에 상기 배출부를 통해 흐르는 추진제가 상기 내측벽에 접하도록 위치하여 상기 내측벽에 의해 안내되는 방식으로 구성될 수 있다. 다시 말해서, 상기 배출부의 내측벽은 아임계 압력 관계로부터 초임계 압력 관계로 전환 중에 상기 배출부를 통해 흐르는 추진제가 상기 내측벽에 의해 안내되는 방식으로 구성될 수 있다.
결과적으로, 아임계 압력 관계로부터 초임계 압력 관계로의 마찰 없는 전환이 수행될 수 있다. 이는 상기 제트 펌프의 적용 범위를 더 확장시킨다.
또한, 상기 배출부에서 흡입 압력에 대한 상기 추진제의 추진제 압력의 압력 관계는 1.05 내지 5 사이, 바람직하게는 1.1 내지 2.5 사이일 수 있다.
결과적으로, 상기 제트 펌프는 넓은 압력 범위에서 작동될 수 있으며, 원하는 흡입 압력과 비교하여 상기 압력 관계는 아임계 또는 초임계일 수 있다.
결과적으로, 추진제가 아음속으로 흐르는 낮은 압력 관계와 추진제가 초음속으로 흐르는 높은 압력 관계 둘 다에서, 제트 펌프의 작동을 위한 충분한 흡입 압력이 제공된다.
상기 제트 펌프는 결과적으로 제트 펌프가 작동될 수 있는 아임계 및 초임계 작동 범위를 가진다. 결과적으로, 상기 제트 펌프는 넓은 적용 범위에서 작동될 수 있다.
유리하게는, 상기 개방 각도는 7° 이상이다.
7° 이상의 개방 각도를 가지면, 배출부를 통해 아음속으로 흐르는 추진제의 내측벽으로부터의 이탈이 더 촉진된다. 결과적으로, 배출부를 통해 아음속으로 흐르는 추진제가 배출부의 내측벽에 접착되는 것이 방지된다.
본 발명의 다른 특징들, 상세 사항들 및 이점들은 청구항들의 기재와 도면들을 참조한 다음의 실시예들의 설명으로부터 이해될 것이다.
도 1은 제트 펌프의 개략도이며,
도 2a와 2b는 제트 노즐의 개략도이며,
도 3a와 3b는 배출부의 예들의 개략도들이다.
도 1은 제트 펌프의 개략적인 단면도이며, 상기 제트 펌프는 전체적으로 참조번호 10으로 지정되어 있다.
상기 제트 펌프(10)는 추진제 탱크(12), 제트 노즐(14), 흡입 매체 탱크(18), 혼합 챔버(20) 및 디퓨저(22)를 구비한다.
추진제(propellant)는 추진제 탱크(12) 내에 제공된다. 상기 추진제는 이 예에서 압축성 추진제일 수 있다. 상기 추진제는 추진제 탱크(12) 내에서 압력으로 작용하거나 또는 추진제 탱크(12) 내에 압력하에서 저장될 수 있다. 압력 관계(pressure relationship)는, 예를 들어, 1.05 내지 5 사이, 바람직하게는 1.1 내지 2.5 사이일 수 있다. 이러한 추진제 압력하에서, 상기 추진제는 상기 제트 펌프(10)의 작동 중에 추진제 탱크(12)로부터 제트 노즐(14)로 흐른다. 이는 화살표(30)로 표시되어 있다.
이 예에서, 상기 추진제 노즐(14)은 수렴형 유입부(convergent inlet portion)(28)와, 발산형 내부 공간(divergent inner space)(40)을 가진 배출부(26)를 구비한다. 상기 배출부(26)와 수렴형 유입부(28)는 서로 연결된다. 상기 수렴형 유입부(28)와 배출부(26)의 연결 위치는 제트 노즐(14)의 최소 단면을 가진다.
상기 수렴형 유입부(28)는 테이퍼진 단면을 가진다. 상기 추진제는 초기에 큰 단면을 가진 수렴형 유입부(28)의 영역 내부로 흐른다. 상기 수렴형 유입부(28)의 단면의 테이퍼의 결과로서, 수렴형 유입부(28)를 통해 흐르는 추진제는 가속된다.
추진제 압력에 따라, 추진제가 수렴형 유입부(28)를 통해 흐를 때 추진제는 수렴형 유입부(28)에 의해 아음속 또는 음속으로 가속된다.
상기 배출부(26)는 수렴형 유입부(28)의 테이퍼진 단부에 인접한다. 이 예에서, 상기 배출부(26)는 내부 공간(40)을 측방에서 둘러싸는 내측벽(38)을 포함한다. 이 경우에, 상기 내측벽(38)은 일 실시예에서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 원뿔형 커버링 면(conical covering face)의 형태로 내부 공간(40)을 둘러싼다. 다른 실시예에서, 상기 내측벽(38)은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 종-유사 형상(bell-like shape)을 가진 커버링 면의 형태로 내부 공간(40)을 둘러싼다.
이 예에서, 상기 내부 공간(40)은 수렴형 유입부(28)의 배출구(outlet opening)에 연결된 유입구(inlet opening)를 가진다. 또한, 상기 내부 공간(40)은 내부 공간(40)의 유입구보다 큰 배출구를 가진다. 상기 내측벽(38)은 상기 내부 공간(40)의 유입구와 배출구 사이에 연장된다. 이 예에서, 상기 내부 공간(40)은 발산 방식으로 구성되며 개방 각도(opening angle)(16)로 발산한다. 상기 내측벽(38)은 내부 공간(40)의 유입구에서 가장 좁은 단면에 맞춰 바로 개방 각도(16)를 형성한다. 이 예에서, 상기 내측벽(38)의 개방 각도(16)는 상기 유입구로부터 증가하는 간격과 함께 변할 수 있다.
이 예에서, 상기 개방 각도(16)는 배출부(26)를 통해 아음속으로 흐르는 추진제는 내측벽(38)으로부터 이탈되고 배출부(26)를 통해 초음속으로 흐르는 추진제는 내측벽(38)에 의해 안내되는 방식으로 선택된다. 즉, 상기 내측벽(38)은 배출부(26)를 통해 아음속으로 흐르는 추진제에 영향을 주지 않는다. 대신에, 아음속으로 흐르는 추진제는 내측벽(38)으로부터 이탈되어 수렴형 유입부(28)의 배출구로부터 배출부(26)를 통해 제트 노즐(14) 밖으로 제트로서 흐른다.
상기 개방 각도(16)는 추가적으로, 배출부(26)를 통해 초음속으로 흐르는 추진제가 내측벽(38)에 의해 안내되는 방식으로 선택된다. 이 예에서, 상기 배출부(26)를 통해 흐르는 추진제의, 흐름 방향에 대해 직각으로 수행되는, 팽창은 내측벽(38)에 의해 제한된다. 따라서, 추진제의 흐름의 외측 영역은 내측벽(38)을 따라서 흐른다.
이 예에서, 상기 개방 각도(16)는 적어도 7°일 수 있다. 상기 개방 각도(16)의 상한은, 예를 들어, 8° 내지 45° 사이일 수 있다.
흐름 방향에 대해 직각으로 수행되고 내측벽(38)에 의해 제한되는 팽창의 결과로서, 상기 추진제는 더 가속되어 배출부(26)로부터 상승된 초음속으로 흐른다.
상기 배출부(26)를 떠난 후에, 상기 추진제는 흡입 매체 탱크(18)의 개구를 지나 흐르며 흡입 압력을 유발한다.
상기 흡입 매체는 흡입 매체 탱크(18)를 지나가며 흐르는 추진제에 의해 운반되고 가속된다. 이에 의해, 상기 추진제와 흡입 매체는 혼합 챔버(20)에 도달한다. 상기 추진제와 흡입 매체가 혼합 챔버(20)를 통해 흐르는 동안, 상기 추진제와 흡입 매체는 혼합된다.
상기 혼합 챔버(20)는 디퓨저(22)와 인접하며, 혼합된 추진제와 흡입 매체는 상기 디퓨저(22) 내에서 감속된다. 상기 디퓨저(22)는 배출구(24)를 포함한다. 상기 추진제와 흡입 매체는 배출구(24)를 통해 제트 펌프 밖으로 흐를 수 있다.
도 2a와 2b는 제트 노즐(14)을 관통하는 개략적인 단면도이며, 제트 노즐(14)을 통한 추진제의 흐름은 유선들(flow lines)(32, 34)에 의해 표시된다.
이 예에서, 도 2a의 추진제는 수렴형 유입부(28)에 의해 음속으로 가속된다. 상기 수렴형 유입부(28)에서, 추진제는 합류하는 유선들(32)로 표시된다. 상기 수렴형 유입부(28)로부터, 음속으로 가속된 추진제는 배출부(32) 내부로 흐른다. 상기 배출부(28) 내에서, 유선들(32)은 서로로부터 발산된다. 이 예에서, 외측 유선들(32)은 내측벽(38)을 따라서 연장되며, 이에 의해 추진제는 내부 공간(40)을 통과하면서 내측벽(38)을 따라서 안내되는 것으로 볼 수 있다. 이 예에서, 상기 추진제는 팽창되며 속도는 결과적으로 초음속으로 더 증가한다.
도 2b에서, 추진제는 수렴형 유입부(28)에 의해 가속되지만 추진제의 속도는 음속보다 낮게 유지된다. 따라서, 추진제는 수렴형 유입부(28) 밖으로 아음속으로 흐른다. 유선들(34)은 수렴형 유입부(28) 내에서 압축된다.
상기 발산형 내측벽(38)의 개방 각도(16)가, 아음속으로 흐르는 추진제가 발산형 내측벽(38)으로부터 이탈되는 방식으로 선택되기 때문에, 추진제는 배출부(26)에서 팽창되지 않지만, 대신에 배출부(26)를 통과하며 자유 제트(free jet)로서 흐른다. 이는 배출부(26) 내에 유선들(34)로 도시되며, 이들은 실질적으로 서로 평행하게 연장된다. 자유 제트는 배출부(26) 내에서 거의 일정한 폭(36)을 가진다.
따라서, 상기 배출부(26) 내에서 추진제의 아음속 흐름의 폭(36)은 내측벽(38)에 의해 측방으로 한정된 내부 공간(40)의 안치수(clear width)보다 작으며, 안치수는 발산형 내측벽(38)의 결과로서 증가한다.
결과적으로, 상기 내측벽(38)이 아음속으로 흐르는 추진제에 대해 디퓨저로서 작용하는 것이 방지되며, 상기 추진제는 배출부(26)에 의해 제동된다.
상기 수렴형 유입부(28) 내의 추진제의 압력은 작동 중에 증가되거나 감소될 수 있다. 이 예에서, 상기 배출부(26)의 내측벽(38)은 초임계 압력 관계로부터 아임계 압력 관계로의 전환 중에 배출부(26)를 통해 흐르는 추진제가 내측벽(38)으로부터 이탈되는 방식으로 구성된다. 역으로, 아임계 압력 관계로부터 초임계 압력 관계로의 전환 중에 배출부(26)를 통해 흐르는 추진제는 내측벽(38)에 접하도록 위치하여 내측벽(38)에 의해 안내될 것이다.
이는 상기 제트 펌프(10)의 작동에 대한 임의의 중단 없이 배출부(26) 내의 추진제의 속도가 초음속과 아음속 사이에서 변할 수 있다는 것을 의미한다. 결과적으로, 상기 제트 펌프(10)는 초임계 압력 관계와 아임계 압력 관계 둘 다에서 작동될 수 있다.
이 예에서, 0.98 bar의 흡입 압력과 1.1 bar의 추진제 압력에서, 추진제가 배출부(26)를 통해 아음속으로 흐르는 아임계 압력 관계가 조절될 수 있으며, 흐르는 추진제는 내측벽(38)으로부터 이탈된다.
0.98 bar의 흡입 압력과 2.5 bar의 추진제 압력에서는, 추진제가 배출부(36)를 통해 초음속으로 흐르는 초임계 압력 관계가 결과적으로 조절될 수 있으며, 흐르는 추진제는 내측벽(38)에 의해 안내된다.
본 발명은 위에서 서술된 실시예들 중 하나에 제한되지 않으며, 대신에 다양한 방식으로 수정될 수 있다
구조적 상세사항들, 공간적 배치들 및 방법의 단계들을 포함하는, 상세한 설명과 도면들, 청구항들로부터 도출된 모든 특징들과 이점들은 개별적으로 그리고 매우 다양한 조합들로서 발명적으로 상당한 의미가 있을 수 있다.
10. 제트 펌프
12. 추진제 탱크
14. 제트 노즐
16. 개방 각도
18. 흡입 매체 탱크
20. 혼합 챔버
22. 디퓨저
24. 배출구
26. 배출부
28. 수렴형 유입부
30. 흐름 방향
32. 초음속 유선들
34. 아음속 유선들
36. 자유 제트의 폭
38. 내측벽
40. 내부 공간

Claims (5)

  1. 추진제(propellant)를 가속시키기 위한 제트 노즐(14)을 포함하는 제트 펌프(jet pump)로서,
    상기 제트 노즐(14)은 수렴형 유입부(convergent inlet portion)(28)와, 상기 수렴형 유입부(28)에 연결된 배출부(outlet portion)(26)를 가지며, 상기 배출부(26)는 내측벽(38)에 의해 둘러싸이고 개방 각도(opening angle)(16)로 발산되는 내부 공간(40)을 포함하며,
    상기 내측벽은 내부 공간의 유입구에서 가장 좁은 단면에 따라 직접 개방 각도를 형성하며,
    상기 개방 각도(16)는 상기 배출부(26)를 통해 아음속으로 흐르는 추진제가 상기 내측벽(38)으로부터 이탈(released)되는 방식으로 되되,
    상기 배출부는 아음속으로 흐르는 추진제에 대해 디퓨저로서 작용하지 않으며,
    상기 배출부(26)를 통해 초음속으로 흐르는 추진제는 상기 내측벽(38)에 의해 안내되며,
    상기 개방 각도는 7°를 초과하는 것을 특징으로 하는, 제트 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출부(26)의 내측벽(38)은 초음속으로부터 아음속으로 전환 중에 상기 배출부(26)를 통해 흐르는 추진제가 상기 내측벽(38)으로부터 이탈되는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 제트 펌프.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출부(26)의 내측벽(38)은 아음속으로부터 초음속으로 전환 중에 상기 배출부(26)를 통해 흐르는 추진제가 상기 내측벽(38)에 접하도록 위치하여 상기 내측벽(38)에 의해 안내되는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 제트 펌프.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출부(26) 후에 상기 추진제의 추진제 압력과 흡입 압력 사이의 압력 관계는 1.05 내지 5 사이인 것을 특징으로 하는, 제트 펌프.
  5. 삭제
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