KR20030054459A

KR20030054459A - 물을 이용한 후류처리장치

Info

Publication number: KR20030054459A
Application number: KR1020010084622A
Authority: KR
Inventors: 조남경; 정용갑; 문일윤
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-02
Also published as: KR100469008B1

Abstract

본 발명은 로켓 및 항공기 가스터빈 엔진의 연소시험시 물분사를 통해 연소가스의 속도 및 온도를 감소시킴으로 소음을 감쇠 시키고 유해배기 가스를 중화시키는 후류처리 장치에 관한 것이다.

물분사와 아울러 실내에 설비를 위치시킴으로 흡기부 및 배기구를 두고 약 190 dB 에 가까운 소음을 70dB(A)로 줄이는 방법에 대한 것이다.

본 발명은 자연녹지 내지 택지 인근지역에서 로켓 엔진연소시험이나 가스터빈 엔진 시험을 수행할 때 활용될 수 있다.

기존의 발명은 소형 로켓 엔진에 적용된 방법으로 대형 로켓 엔진에 적용되기에는 어려운 측면이 있다.

따라서 본 발명은 제트 풀룸에서 발생하는 소음을 감소시킴 있어서,

연소실의 일측으로 물분사장치와,

상기 물분사장치의 일측으로 내부에 공간을 갖고 물을 공급하며 후방에 노즐이 설치된 이젝터부와,

상기 이젝터부의 후방으로 공간이 넓어져 공기의 정압을 높이고 속도를 낮추는 디퓨저부와,

상기 디퓨저부의 일측으로 물분사장치가 2단으로 설치된 소음 저감부와,

상기 소음 저감부의 일측으로 혼합 유동의 스케일을 적게 하는 멀티채널 익스텐션으로 구성되어 있다.

Description

물을 이용한 후류처리장치{Plume treatement system using water}

본 발명은 로켓 엔진 및 항공기 가스터빈 엔진의 연소시험시 물분사를 통해 연소가스의 속도 및 온도를 감소시킴으로 소음을 감쇄시키고 유해배기 가스를 중화시키는 물을 이용한 후류처리장치에 관한 것이다.

로켓 엔진 및 항공기 가스터빈 엔진의 지상연소시험시 제트 풀룸에서 발생하는 소음을 감소시키기 위해서는 소음발생에 가장 지배적인 요인으로 알려져 있는 제트 풀룸의 속도를 낮추어야한다.

그런데 엔진의 배기 풀룸 속도를 줄이는 것은 모멘텀 차에 의해서 발생하는 추력을 감소시키는 것을 의미하기 때문에 엔진 성능에 손실을 가져오게 된다.

따라서 소음저감은 별도의 설비를 구성하여 배출 풀룸의 후방에서 추력에 영향을 주지 않는 영역에서 이루어져야 한다.

소음저감 장치의 목적은 소음저감과 아울러 유해 배기가스를 중화시키는데 있다.

제트 풀룸에 의해 발생하는 대표적인 유해 배기가스에는 일산화탄소가 있는데 이것은 산소의 공급에 의하여 이산화탄소로 중화시킬 수 있다.

그런데 일산화탄소의 중화반응은 발열 반응이기 때문에 중화에 의한 온도상승은 설비에 손상을 줄 수 있으므로 적절한 양의 물을 공급하여 풀룸의 온도를 낮춘 후 이루어지게 한다.

후연소가 이루어진 후에는 본격적으로 물을 분사하여 제트의 유속을 낮추게 되며 이러한 과정은 분사된 물과 제트 풀룸 간의 대류 열전달 및 물의 기화에 의해 일어나는 상변화 열전달에 의해 주로 이루어지게 된다.

물과 제트 풀룸간의 열전달 과정은 몇 단계로 나누어지게 되는데 먼저 풀룸의 해당 온도에서 물이 기체상태로 포화상태에 도달할 때까지 분사시켜 제트 풀룸의 에너지를 급속히 감소시킨 후, 일정 거리 후에 추가적인 물을 분사하여 기화된 물을 응축(condensation) 시킴과 아울러 물분사에 의해 유동의 mass를 크게 함으로서 제트 풀룸의 속도를 낮추게 된다.

소음수준의 예측방법은 로켓의 추력과 추진제 량, 또는 해석적으로 예측된 풀룸의 속도, 밀도, 음속등을 이용하는 방법이 있다.

도 5는 KSR-III 연소시험시 소음저감 장치를 부착하지 않고 시험한 데이터이며, 정상상태에서 최대 약 168 dB의 음압수준(L) 보인다.

이 때 소음 측정 센서의 거리(R)는 소음 소스라고 가정한 노즐 중심에서 약 4.1m 떨어진 위치에서 제트의 분출방향과의 각(PHI )은 90도에 해당한다.

이 값을 sound power level (Lw)은 거리에 따른 보정식을 적용하면

L_w= L+Ø+20lgR-10lgΦ = 168 + 8+12.24 +3 =191. 24 dB 이 된다.

도 6 은 연소시험시 물분사를 수행하였을 때 측정한 sound pressure level 값을 보여준다.

정상상태시 약 148 dM의 갑을 보인다. 측정 위치는 제트 소스의 소스라고 가정되는 엔진 노즐 출구에서 5m의 거리를 유지하고 풀룸의 축방향으로 170도의 각을 유지하므로 소스에서의 소음은

L_w=L+Ø+20lgR-10lgΦ= 148 + 8 + 13.97 + 4.7 =174. 67 dB 이 된다.

따라서 도 6의 물분사에 의한 소음 저감 설비가 없는 경우에 대하여 약 17 dB의 소음 감소 효과가 존재하는 것으로 파악되었다.

액체로켓 지상연소시험에서 엔진의 연소 성능시 추진제가 추력실에서 연소시 고온·고압의 연소 가스가 발생하여 대기중으로 분출되는 초음속 배기가스에 의하여 발생되는 소음 수준은 약 190 db 정도로서 소음 감쇠 장치 없이 연소시험을 할 경우 생물체에 심각한 피해를 주게 된다.

특히 인접 지역의 주거환경이나 연구에 종사하는 사람의 인체에 직접적인 피해를 주게 된다. 이러한 소음 발생을 감소시키는 기술은 현재 많은 시도가 있으나 액체 로켓과 같은 발사체 분야의 경우 미비한 상태이다.

본 발명은 발사체 엔진에서 발생되는 제트 소음은 고온·고속의 배기가스에 의한 것으로 물을 이용하여 고속으로 배출되는 배기가스에 물을 분사시켜 유체를 증발시킨다.

이때 배기가스가 증발되면서 온도를 낮추어 밀도를 높여 대기중으로 배출되는 부분의 면적을 증대시켜 소음의 강도를 감쇠 시키게 된다.

사용 유체로 가장 용이하게 사용할 수 있는 것은 물이며 소음 감쇠 장치의 유체 분사 노즐로 분사되는 물은 서로 충돌시키는 충돌형으로 이루어진다.

충돌형은 제트와 물의 상호 혼합시간을 지연시키고 소음 감쇠 장치 내부에서 미립화된 유체 분포가 일정하게 하기 위해서 충돌형으로 설계되었으며 유체인 물의공급은 고온 고속 제트의 온도를 낮추고 제트의 운동에너지를 흡수하는 역할 이외에도 소음 감쇠 장치를 냉각시키는 역할을 하게 된다.

이러한 소음 감쇠 장치는 지상연소시험이 가능하도록 제트 소음의 대기오염 소음 강도 허용치까지의 소음 감쇠 기능, 배출 연소가스의 온도 감소 효과, 장시간 연소에 대한 소음 감쇠 장치 냉각 등의 역할을 충족시키는 것이 가능한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 물을 이용한 소음 감쇠 장치의 개발은 우주 발사체 엔진시험 뿐만 아니라 항공기나 기타 대형 연소기 등의 연소성능 시험시 발생되는 소음을 감소시킬 필요가 있는 분야에 응용이 기대된다.

도 1 은 본 발명의 전체 시스템의 구성도

도 2 는 본 발명의 전체 시스템의 평면도

도 3 은 본 발명의 주요부분에 대한 요부 확대도

도 4 는 본 발명의 이젝터부에 대한 측면도

도 5 는 본 발명의 연소시험시 물분사에 의한 사운드 퍼스널 레벨값에 대한 그래프

도 6 은 소음저감부의 미부착시 소음수준을 나타낸 그래프

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 흡입 소음기2, 12, 13 : 물분사장치

3 : 이젝터부4 : 디퓨저부

5 : 소음저감부6 : 멀티채널 익스텐션

7 : 배기 소음기10 : 공간

11 : 노즐14 : 연소실

도 1은 KARI 엔진에 대한 소음기의 내부를 나타낸 것으로, 상측으로 흡입 소음기(1)가 설치된 연소실(14)에서 추진제가 연소되도록 하는 것이다.

연소실(14)의 일측으로 물분사장치(2)와 이젝터부(3), 디퓨저부(4) 및 소음저감부(5)와 멀티채널 익스텐션(6)이 연속해서 설치된다.

상기 멀티채널 익스텐션(6)의 후방에는 상측으로 배기 소음기(7)가 설치되어 있다.

상기 물분사장치(2)는 제트 풀룸에 직접 물을 분사시키도록 하며, 이젝터부(3)의 내부에는 도 4와 같이 공간(10)이 형성되어 있어서 제트 풀룸으로 인한 내벽의 온도상승과 손상을 방지하기 위하여 물이 채워져 있으며, 후방에는 노즐(31)이 설치되어 있도록 하는 것이다.

상기 디퓨저부(4)는 전방으로 양측에서 물이 분사되는 물분사장치(12)와 일정한 간격으로 좌측에 설치되어 후방으로 물이 분사되는 물분사장치(13)가 설치되어 있다.

이젝터부(3)와 디퓨저부(4)의 하측에는 저수조(15)가 설치되어 있어서 상측에서 발생되는 물이 저장되도록 한다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 연소실(14)에서는 제트 풀룸이 이젝터부(3)를 향하여 분사되는 것이다.

제트 풀룸에서 발생되는 열원에는 물분사장치(2)에서 30∼50㎏/s의 압력으로 물을 직접 분사시키게 된다.

또한 이젝터부(3)의 공간(10)에는 물이 200∼220㎏/s의 압력으로 공급되어 내벽이 제트 풀룸을 냉각시켜 열원에 의하여 온도가 상승되는 것과, 손상되는 것을 방지하는 것이다.

이때 흡입 소음기(1)를 통하여 외부에서 공기가 유입되는 것으로 흡음재가 설치되어 있어서 공기의 유입으로 인한 소음을 방지하고, 제트 풀룸이 이젝터부(3)에 원활하게 진입할 수 있도록 하는 것이다.

이젝터부(3)의 공간(10) 후방에서는 노즐(31)을 통하여 제트 풀룸에 직접 물을 분사하게 된다.

따라서 이젝터부(3)에서는 물을 이용하여 고속으로 배출되는 배기가스에 분사시켜 유체를 증발시키게 되며, 이때 배기가스가 증발되면서 온도를 낮추게 되는 것이다.

또한 디퓨저부(4)의 좌측에 설치된 물분사장치(12)의 전방에 100kg/s의 압력으로, 후방에 150kg/s의 압력으로 물을 분사시키고, 우측에 설치된 물분사장치(13)에서는 후방에 200kg/s의 압력으로 물을 분사시키게 된다.

이때 디퓨저부(4)는 2단의 물분사장치에 의하여 공기의 정압을 높이며 속도를 낮추게 되는 충돌형의 구조를 제공한다.

상기 충돌형은 제트 풀룸과 물의 상호 혼합시간을 지연시키고 소음 저감부(5)의 내부에서 미립화된 유체 분포가 일정하게 하는 것이다.

물분사장치(2)(12)(13)는 물의 공급으로 고온 고속 제트 풀룸의 운동에너지를 흡수하는 역할 이외에도 이젝터부(3)와 소음 저감부(5)를 냉각시키는 역할을 하게 된다.

또한 소음 저감부(5)의 후방에 설치된 멀티채널 익스텐션(6)은 벌집구조로 형성되어 있어서 혼합 유동의 스케일을 적게 해서 소산시키게 되므로 배출되는 소음을 크게 낮추게 된다.

멀티채널 익스텐션(6)의 후방에는 상측으로 굴뚝과 같이 돌출되어 있어서 이중으로 흡음재가 설치된 배기 소음기(7)를 통하여 최종적으로 소음을 저감시키게 된다.

표 1은 엔진에서 배출되는 배기가스량과 본 발명을 통과한 배기가스량을 보여주고 있다.

본 발명을 통하여 유해 배기가스인 일산화탄소가 획기적으로 줄어드는 것을 볼 수 있다.

배기가스 성분명	배출 배기가스량	본 발명의 배기가스량
Carbon oxide(C0)	23.73 kg/s	0.0001 kg/S
Hydrogen(H₂)	0.6523 kg/s	0.0000 kg/S
Nitrogen oxide(NO)	-	0.2130 kg/S
Oxygen(O₂)	0.0098 kg/s	45.688 kg/S
Carbon dioxide(CO₂)	17.75 kg/s	55.153 kg/S
Argon(Ar)	-	3.569 kg/S
Water steam(H₂O)	16.09 kg/s	231.91 kg/S
Nitrogen(N₂)	-	210.704 kg/S

본 발명은 물을 이용한 후류처리장치의 첫 번째 우수성은 물분사 채널 및 흡음재가 설치된 공기 유입구 흡음재가 설치된 공기 배기구를 이용하여 소음과 유해배기 가스인 일산화탄소를 획기적으로 저감시킴과 아울러 초기 물분사를 통해 채널 벽면을 보호할 수 있는 것이다.

Claims

제트 풀룸에서 발생하는 소음을 감소시킴 있어서,

연소실(14)의 일측으로 물분사장치(2)와,

상기 물분사장치(2)의 일측으로 내부에 공간(10)을 갖고 물을 공급하며 후방에 노즐(31)이 설치된 이젝터부(3)와,

상기 이젝터부(3)의 후방으로 공간이 넓어져 공기의 정압을 높이고 속도를 낮추는 디퓨저부(4)와,

상기 디퓨저부(4)의 일측으로 물분사장치(12)(13)가 2단으로 설치된 소음 저감부(5)와,

상기 소음 저감부(5)의 일측으로 혼합 유동의 스케일을 적게 하는 멀티채널 익스텐션(6)으로 구성됨을 특징으로 하는 물을 이용한 후류 처리장치.
제1항에 있어서, 이젝터부(3)는 공간(10)에 물을 200∼220 kg/s로 공급하며, 후방의 노즐(31)을 통하여 제트 풀룸에 직접 공급되도록 함을 특징으로 하는 물을 이용한 후류 처리장치.
제1항에 있어서, 소음 저감부(5)는 좌측으로 전방에 100 kg/s의 압력으로 물을 공급하고 후방에 150 kg/s의 압력으로 물을 공급하는 물분사장치(12)와,

후방에 200 kg/s의 압력으로 물을 공급하는 물분사장치(12)가 2단으로 설치됨을 특징으로 하는 물을 이용한 후류 처리장치.
제1항에 있어서, 멀티채널 익스텐션(6)은 혼합 유동의 스케일을 적게 해서 소산시키는 벌집모양의 구조로 설치됨을 특징으로 하는 물을 이용한 후류 처리장치.