KR20040009473A - 전단형 동축 인젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우주개발선진국에서 액체추진로켓의 혼합기에 사용되는 인젝터의 설계기술에 대한 기술 이전을 회피하고 있어 이에 대한 독자기술의 개발이 시급한 실정이기 때문에,

선단부가 기체 상태의 산화제를 공급하는 산화제 공급부에 연결되는 환형의 대경부와, 상기 대경부와 동일 축을 갖도록 형성되고 상기 대경부에 비해 일정 정도 돌출되도록 형성되며 상기 대경부측에 형성된 구멍을 통해 공급된 액체 연료를 분사하는 오리피스로 이루어진 부시와; 상기 부시의 대경부 끝단에 선단부가 용접되고 상기 대경부의 내측을 통해 공급된 산화제와 상기 오리피스를 통해 분사되는 액체 연료가 혼합되어 분사되는 케이스로 구성됨으로써,

고비추력을 가진 극저온 추진제의 사용이 가능하고 연소기에 조립되는 숫자의 변화를 통해 여러 추력의 엔진 개발이 가능하도록 하는 전단형 동축 인젝터에 관한 것이다.

Description

전단형 동축 인젝터 { Coaxial shear injector }

본 발명은 액체로켓엔진에서 연소실로 혼합기를 공급하는 인젝터에 관한 것으로서, 특히 고비추력을 갖는 극저온추진제의 사용이 가능하도록 한 전단형 동축 인젝터에 관한 것이다.

일반적으로 액체추진로켓은 액체추진제를 혼합기를 통해 분사/혼합한 후, 연소실에서 연소시켜 발생된 연소가스의 압축 팽창으로 추력을 얻게 되는데, 추진제의 분사/혼합의 정도가 엔진의 성능을 좌우한다고 하여도 과언이 아니다. 통상저긍로 혼합기는 많은 수의 인젝터가 장착되어 있으며, 이러한 인젝터의 고효율 설계를 통하여 연소능력의 향상 및 엔진 성능을 높일 수 있다. 이러한 인젝터의 설계기술은 수많은 시험과 경험을 통하여 얻을 수 있으며, 우주개발 선진국의 기존 인젝터는 엔진의 규모 및 인젝터 형식이 상이할 뿐 아니라 기술이전의 회피로 인하여 독자기술의 개발이 절실한 상황이다.

액체추진로켓의 엔진 성능은 혼합기를 구성하는 인젝터의 분사특성에 매우 밀접한 관련이 있으며, 분사된 추진제의 미립화 특성은 액체추진로켓에서의 추진제 혼합에 매우 중요한 영향을 끼치게 된다. 본 발명에서는 액체/가스의 2상 추진제를 조합으로 하여 코어 형태의 액주 주위로 환형의 가스제트가 고속으로 유동하면서 발생되는 전단력을 이용하여 액주를 붕괴시킴으로써, 분사 및 미립화가 진행되도록 하게 된다.

이러한 전단형 동축 인젝터 기술은 극저온 추진제이며 차세대 환경친화성 대체 추진제로 각광을 받고 있는 액체산소-액체메탄를 이용하는 액체추진로켓에 적용이 가능하다. 인젝터의 설계는 인젝터의 성능에 영향을 미치는 기하학적 형상 및 작동 조건의 선정, 수력학 특성과 분사 및 미립화 특성 등을 고려해야 하며, 이와 같은 각종 특성에 따라 최적의 인젝터 설계요소를 도출할 필요가 있다.

그러나, 이와 같은 기술을 소유하고 있는 우주개발 선진국에서는 국내에 기술 이전을 회피하고 있어, 국내의 독자적인 기술개발이 절실하다.

본 발명은 상기한 필요성에 의해 안출된 것으로서, 인젝터의 성능에 영향을 미치는 기하학적 형상과 미립화 특성을 고려하여 목표 성능을 토출할 수 있도록 각종 설계조건을 최적화함과 동시에 고비추력을 갖는 극저온추진제의 사용이 가능한 전단형 동축 인젝터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 전단형 동축 인젝터가 도시된 구성도,

도 2는 도 1의 "A" 부분이 도시된 상세도,

도 3은 본 발명의 요부 구성인 부시가 도시된 단면도,

도 4는 본 발명의 전단형 동축 인젝터의 각 파라미터를 나타낸 참고도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

50 : 부시 51 : 대경부

52 : 코킹부(부시의) 53 : 오리피스

60 : 케이스 61 : 코킹부(케이스의)

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 선단부가 기체 상태의 산화제를 공급하는 산화제 공급부에 연결되는 환형의 대경부와, 상기 대경부와 동일 축을 갖도록 형성되고 상기 대경부에 비해 일정 정도 돌출되도록 형성되며 상기 대경부측에 형성된 구멍을 통해 공급된 액체 연료를 분사하는 오리피스로 이루어진 부시와; 상기 부시의 대경부 끝단에 선단부가 용접되고 상기 대경부의 내측을 통해 공급된 산화제와 상기 오리피스를 통해 분사되는 액체 연료가 혼합되어 분사되는 케이스로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 전단형 동축 인젝터는 도 1내지 도 3에 도시된 바와 같이 선단부가 기체 상태의 산화제를 공급하는 산화제 공급부에 연결되는 환형의 대경부(51)와, 상기 대경부(51)와 동일 축을 갖도록 형성되고 상기 대경부(51)에 비해 일정 정도 돌출되도록 형성되며 상기 대경부(51)측에 형성된 구멍(54)을 통해공급된 액체 연료를 분사하는 오리피스(53)로 이루어진 부시(50)와; 상기 부시(50)의 대경부 끝단에 선단부가 용접되고 상기 대경부(51)의 내측을 통해 공급된 산화제와 상기 오리피스(53)를 통해 분사되는 액체 연료가 혼합되어 분사되는 케이스(60)로 구성된다.

상기 부시(50)와 케이스(60)는 TIG 용접되며, 혼합기 플레이트에 브레이징 접합될 수 있도록 상기 부시(50)의 대경부(51) 선단 및 상기 케이스(60)의 끝단에 소정 크기의 코킹부(52,61)가 형성된다. 또, 상기 오리피스(53)는 끝단이 외측으로 갈수록 내경이 커지도록 테이퍼 형상으로 형성되고, 끝단이 상기 케이스(60)의 끝단에 비해 소정 길이 안쪽에 위치되도록 형성된다. 또한, 상기 케이스(60)의 내면과의 사이로 산화제가 공급될 수 있도록 상기 케이스(60)의 내벽과 오리피스(53) 사이에는 소정의 애뉼러스 갭(G)이 형성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 전단형 동축 인젝터는 혼합기 플레이트에 복수개가 브레이징 접합되어 연료와 산화제를 혼합시켜 연소실로 토출하게 된다.

엔진 본체의 산화제 공급부에서 공급되는 산화제는 부시(50)의 대경부(51)로 공급되며, 케이스(60)와 오리피스(53) 사이의 애뉼러스 갭(G)을 통과한 후 케이스(60)의 출구를 통해 분사된다. 또, 엔진 본체의 연료공급부에서 공급된 액체 연료는 부시(50)에 형성된 구멍(54)을 통해 부시(50)의 내측으로 공급되며, 테이퍼 형상으로 형성된 오리피스(53)를 통해 분사된다.

여기서, 상기 오리피스(53)는 케이스(60)의 내부에 위치되고, 오리피스(53)의 끝단부가 케이스(60)의 안쪽에 위치되므로 오리피스(53)를 통해 분사되는 연료와 애뉼러스 갭(G)을 통과한 산화제는 케이스(60)의 안쪽에서 혼합된 후 케이스(60)를 통해 분사된다.

그런데, 상기한 전단형 동축 인젝터는 혼합기에 장착되기 이전에 미립화 특성을 고찰하기 위한 시험을 요구하게 되며, 이에 따라 표 1과 같이 도 4에 도시된 각 파라미터를 변경하면서 실험을 실시하였다. 여기서, 모의 추진제로는 실제 추진제와 물성치가 유사한 물과 기체질소가 사용되었으며, 실험 조건은 물은 15~50g/s, 기체질소는 4.3~33g/s였다.

파라미터	D1(㎜)	D2(㎜)	D3(㎜)	D4(㎜)	R(㎜)	인젝터 No.
오리피스직경	2.0	4.9	5.5	6.5	5.0	A1
	2.5	4.9	5.5	6.5	5.0	A2
	3.5	4.9	5.5	6.5	5.0	A3
	4.0	4.9	5.5	6.5	5.0	A4
테이퍼	3.5	4.9	5.5	6.5	5.0	A3
	3.5	3.5	5.5	6.5	5.0	B1
가스 출구직경	3.5	4.9	5.5	6.5	5.0	A3
	3.5	4.9	5.5	7.0	5.0	C1
	3.5	4.9	5.5	8.0	5.0	C2
리세스길이	3.5	4.9	5.5	6.5	0.0	D1
	3.5	4.9	5.5	6.5	3.5	D2
	3.5	4.9	5.5	6.5	5.0	A3
	3.5	4.9	5.5	6.5	7.0	D4
구멍	직경(㎜)	구멍의 수
	1.3	6	E1
	1.3	10	E2
	1.6	8	E3
	2.0	8	E4

[실험 예 1]

오리피스의 내경(D1)을 변화시켜 가면서 액적의 크기 변화를 시험한 결과 대부분 반경 방향의 거리가 증가될수록 액적의 크기가 감소하다가 분무의 바깥 구역에서 증대되는 경향을 가짐을 알 수 있었다. 분무의 중심축 부분에서 액적의 평균 직경이 최대가 되는 것은 초기에 미립화된 액적이 축방향 및 반경 방향으로의 궤적을 거치면서 증발과 재분열에 의해 직경이 감소되기 때문이며, 비교적 운동량이 적은 중심 부분에서는 국부적으로 액적의 크기가 최대로 나타나는 것이다. 또, 오리피스의 내경이 커질수록 중심부의 액적 크기는 커지고 분무 외곽에서는 작아지는 결과를 얻었으며, 이는 오리피스의 내경이 커짐에 따라 액적과 기체의 접촉면이 커져 기체의 운동 에너지를 받기 쉽게 되므로 분무의 외곽에서는 작아지는 현상을 보였다.

[실험 예 2]

오리피스의 테이퍼를 변경시켜 가면서 액적의 크기 변화를 살펴본 결과, 분무의 외곽쪽으로 갈수록 액적의 직경이 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 테이퍼가 있는 경우(D2=4.9)가 없는 경우(D2=3.5)에 비하여 어느 정도 액정의 직경이 작아짐을 확인할 수 있었으며, 이는 액주와 기체의 접촉이 수월해짐에 따른 미립화 효과로 보여진다. 따라서, 오리피스가 테이퍼를 갖도록 설계하였다.

[실험 예 3]

오리피스의 외경과 케이스의 내경의 차이인 애뉼러스 갭의 영향에 따른 미립화 특성을 고찰하였다. 이 실험에서는 모든 조건에서 분무의 외곽으로 갈수록 액적의 직경 및 액적의 속도가 감소함을 보였으며, D4(케이스 내경)가 커질수록 액적의 크기가 커지고 액적의 속도 또한 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 D4의 증가에 따라 액주에 접촉되는 기체의 속도가 감소되어 미립화에 필요한 에너지가 감소되기 때문이다.

[실험 예 4]

리세스의 길이를 변화시켜 가면서 액적의 크기 변화를 고찰한 실험이다. 오리피스를 인젝터의 출구면에서 일정 길이 리세스하는 이유는 분무의 미립화를 향상시키고 연소의 불안정성을 방지하기 위한 것이다. 이 실험의 결과 분무의 외곽쪽에서 리세스가 많을수록 액적의 직경이 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 리세스 구간 내에서 생성된 비교적 큰 액적의 운동이 활발하여 반경 방향으로 분사된 결과로 보이며, 분무 하류로 감에 따라 리세스가 많을수록 액적의 직경이 감소하게 된다.

[실험 예 5]

오리피스의 구멍의 단면적을 변화시켜 가면서 액적의 크기 변화를 살펴본 결과, 구멍의 단면적이 커질수록 액적의 직경이 약간 증가됨을 확인할 수 있었다.

이와 같은 실험을 통하여 분사특성과 혼합특성, 분무특성, 제작성 및 연소 안정성을 고려하여 최종적으로 표 1의 A3 인젝터를 선정하였다. 이 인젝터는 연소실의 연소시의 고온과 극저온추진체유동에 견딜 수 있는 스테인리스 스틸 재질로 제작되며, 부시와 케이스가 TIG 용접으로 조립된다. 조립된 부시와 게이스의 양 끝단은 엔진의 혼합기에 장착 및 조립이 용이하도록 코킹 부위가 형성되며, 이로 인하여 혼합기에 브레이징 접합될 때 필러 메탈의 장착과 용입이 쉬워지게 된다.

이 인젝터의 개당 단위 추력은 105kgf미여, 9.5톤급 액체산소/액체메탄용 액체추진로켓엔진의 경우에는 혼합기에 91개의 인젝터를 장착하여 시험한 결과 연소시험 등을 성공적으로 완수할 수 있었다. 따라서, 혼합기에 조립되는 인젝터의 수량을 변화시키면 여러 종류의 추력을 내는 엔진의 개발이 가능하게 되고, 실험에 사용된 추진제 이외의 극저온 추진제를 사용할 수 있으므로 추진제의 종류에 관계없이 액체로켓엔진의 개발에 적용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 전단형 동축 인젝터는 고비추력을 가진 극저온 추진제의 사용이 가능하고 연소기에 조립되는 숫자의 변화를 통해 여러 추력의 엔진 개발이 가능하도록 하는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 전단형 동축 인젝터의 개발 과정에서 얻어진 데이터를 이용하면 각종 연소기의 연료 공급용 인젝터 개발에 도움을 줄 수 있는 다른 이점이 있다.

Claims (6)

1. 선단부가 기체 상태의 산화제를 공급하는 산화제 공급부에 연결되는 환형의 대경부와, 상기 대경부와 동일 축을 갖도록 형성되고 상기 대경부에 비해 일정 정도 돌출되도록 형성되며 상기 대경부측에 형성된 구멍을 통해 공급된 액체 연료를 분사하는 오리피스로 이루어진 부시와;

   상기 부시의 대경부 끝단에 선단부가 용접되고 상기 대경부의 내측을 통해 공급된 산화제와 상기 오리피스를 통해 분사되는 액체 연료가 혼합되어 분사되는 케이스로 구성된 것을 특징으로 하는 전단형 동축 인젝터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 부시와 상기 케이스는 TIG 용접된 것을 특징으로 하는 전단형 동축 인젝터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 부시와 케이스는 혼합기 플레이트에 브레이징 접합될 수 있도록 상기 부시의 대경부 선단 및 상기 케이스의 끝단에 소정 크기의 코킹부가 형성된 것을 특징으로 하는 전단형 동축 인젝터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 오리피스는 끝단이 외측으로 갈수록 내경이 커지도록 테이퍼 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 전단형 동축 인젝터.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 오리피스는 끝단이 상기 케이스의 끝단에 비해 소정 길이 안쪽에 위치되도록 형성된 것을 특징으로 하는 전단형 동축 인젝터.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 오리피스는 상기 케이스의 내면과의 사이로 산화제가 공급될 수 있도록 상기 케이스의 내벽과 소정의 애뉼러스 갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 전단형 동축 인젝터.