KR20040023396A

KR20040023396A - Design method for swirl test injector

Info

Publication number: KR20040023396A
Application number: KR1020020055110A
Authority: KR
Inventors: 남궁혁준
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-03-18

Abstract

PURPOSE: A design method for a swirl test injector is provided to obtain data with changing each parameter of a swirl test injector, thereby manufacturing the swirl test injector at low cost. CONSTITUTION: A relative length of an injection nozzle formed at a front end of a body of an injector is optimized. The optimum thickness of tangential channel is calculated to decide a width of a fuel path formed at an outer peripheral surface of a swirl chamber. The total length of the swirl chamber is calculated. An inlet angle of the injection nozzle connecting an outlet part of the swirl chamber with an inlet of the injection nozzle is decided. Injected particles are analyzed to grasp an influence of high frequency vibration.

Description

Design method for swirl test injector}

본 발명은 스월 인젝터의 특성을 분석 시험하기 위한 모사 시험장치인 스월 혼합기를 설계하는 방법에 관한 것으로서, 특히 스월 혼합기의 구성하는 요소의 각 파라미터에 대한 데이터를 획득하여 스월 혼합기를 설계하는 스월 혼합기 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for designing a swirl mixer, which is a simulation test apparatus for analyzing and testing the characteristics of a swirl injector, and in particular, a swirl mixer design for designing a swirl mixer by acquiring data for each parameter of elements of the swirl mixer. It is about a method.

액체 로켓 엔진에서 연료와 산화제를 혼합시켜 분사하는 인젝터는 엔진의 성능을 좌우하는 매우 중요한 구성 요소이다. 따라서, 연소 능력의 향상 및 엔진 성능을 향상시킬 수 있는 고효율의 인젝터 설계가 필요하다.Injectors that mix fuel and oxidant in a liquid rocket engine are very important components that determine engine performance. Accordingly, there is a need for a high efficiency injector design that can improve combustion performance and engine performance.

현재 액체 로켓 엔진에서 주로 사용되고 있는 인젝터는 동축 인젝터인데, 동축 인젝터는 연료와 산화제가 완전 혼합되지 않은 상대로 분사하게 되므로, 혼합 정도가 낮아 완전 연소가 이루어지지 않는 단점이 있다.Currently, the injector mainly used in the liquid rocket engine is a coaxial injector, and the coaxial injector is injected to the fuel and the oxidant is not completely mixed, there is a disadvantage that does not complete combustion due to the low mixing degree.

이러한 동축 인젝터의 단점을 극복한 새로운 형태의 인젝터가 스월 인젝터이며, 스월 인젝터는 유체를 선회시키는 스월 챔버를 구비하고 있어 선회되는 유체와 직선으로 토출되는 유체가 혼합된 후 분사되는 구조로 되어 있어 혼합도가 매우 좋은 특징을 가지고 있다.The new type of injector that overcomes the disadvantages of the coaxial injector is the swirl injector, and the swirl injector has a swirl chamber for swirling the fluid, and the swirling fluid and the fluid discharged in a straight line are mixed and sprayed. The island has very good features.

상기 스월 인젝터의 성능은 상기 스월 챔버 및 인젝터 구조에 의해 결정되는데, 실제 제작된 스월 인젝터를 이용하여 그 특성 및 효과를 얻어내기에는 비용 등 여러 부분에서 상당한 문제점이 있다. 따라서, 이와 같은 효과를 예측하기 위한 모사 시험 장치가 개발되었으며, 이러한 모사 시험 장치를 스월 혼합기라 한다.The performance of the swirl injector is determined by the swirl chamber and the injector structure, and there are significant problems in many aspects, such as cost, to obtain the characteristics and effects by using the actual swirl injector. Therefore, a simulation test apparatus for predicting such effects has been developed, and this simulation test apparatus is called a swirl mixer.

상기한 스월 혼합기를 설계하기 위해서는 스월 혼합기를 구성하는 인젝터 바디와 스월 챔버의 각 파라미터를 구해야 하며, 시험용 인젝터 바디와 스월 챔버를분리 및 조립이 가능하게 함으로써 복수의 인젝터 바디와 스월 챔버를 교체해 가면서 각 각 파라미터를 얻을 수 있다.In order to design the swirl mixer, the parameters of the injector body and the swirl chamber, which constitute the swirl mixer, must be obtained, and the injector body and the swirl chamber can be separated and assembled, thereby replacing the plurality of injector bodies and the swirl chamber. Each parameter can be obtained.

다시 말해서, 보다 효과적인 스월 인젝터를 얻기 위해서는 스월 인젝터의 모사 시험장치인 스월 혼합기를 구성하는 각 요소의 각종 파라미터에 대한 데이터를 얻을 필요가 있다.In other words, in order to obtain a more effective swirl injector, it is necessary to obtain data on various parameters of each element constituting the swirl mixer, which is a simulation tester of the swirl injector.

본 발명은 상기한 필요성에 따라 안출된 것으로서, 스월 혼합기의 각 파라미터를 변화시켜 가면서 데이터를 획득할 수 있도록 하는 스월 혼합기 설계방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in accordance with the above-described needs, and an object of the present invention is to provide a swirl mixer design method that allows data to be acquired while changing each parameter of the swirl mixer.

도 1은 본 발명에 의한 스월 혼합기 설계방법이 도시된 순서도,1 is a flow chart showing a swirl mixer design method according to the invention,

도 2는 본 발명의 스월 혼합기 설계방법의 설명을 위한 참고도이다.2 is a reference diagram for explaining the swirl mixer design method of the present invention.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>

10 : 인젝터 11 : 바디10: injector 11: body

11a : 분사노즐 11b : 연결부11a: injection nozzle 11b: connection

12 : 스월 챔버 12a : 탄젠셜 채널12: swirl chamber 12a: tangential channel

12b : 연료 통로 12c : 산화제 통로12b: fuel passage 12c: oxidant passage

L1 : 노즐 길이 L2 : 노즐입구 길이L1: nozzle length L2: nozzle inlet length

H : 챔버 길이 ToC : 채널 두께H: Chamber Length ToC: Channel Thickness

D : 바디 내경 d_c: 노즐 직경D: Bore diameter d _c : Nozzle diameter

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 인젝터의 바디 선단에 형성된 분사노즐의 상대 길이를 최적화하는 제1단계와, 스월 챔버의 외주면에 형성된 연료통로의 폭을 결정하는 탄젠셜 채널의 두께를 구하는 제2단계와, 스월 챔버의 총 길이를 구하는 제3단계와, 스월챔버의 출구부와 분사노즐의 입구 사이를 연결하는 분사노즐의 입구각을 결정하는 제4단계와, 고주파 진동의 영향을 파악하기 위하여 분사 입자를 분석하는 제5단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for solving the above technical problem is a first step of optimizing the relative length of the injection nozzle formed on the body tip of the injector, and obtaining the thickness of the tangential channel to determine the width of the fuel passage formed on the outer peripheral surface of the swirl chamber The second step, the third step of obtaining the total length of the swirl chamber, the fourth step of determining the inlet angle of the injection nozzle connecting between the outlet of the swirl chamber and the inlet of the injection nozzle, and the influence of the high frequency vibration In order to characterized in that the fifth step of analyzing the spray particles.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 의한 스월 혼합기 설계 방법은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이인젝터(10)의 바디(11) 선단에 형성된 분사노즐(11a)의 상대 길이(L1)를 최적화하는 제1단계와, 스월 챔버(12)의 외주면에 형성된 연료통로(12b)의 폭을 결정하는 탄젠셜 채널(12a)의 두께(ToC)를 구하는 제2단계와, 스월 챔버(12)의 총 길이(H)를 구하는 제3단계와, 스월챔버(12)의 출구부와 분사노즐(11a)의 입구 사이를 연결하는 분사노즐(11a)의 입구각을 결정하는 제4단계와, 고주파 진동의 영향을 파악하기 위하여 분사 입자를 분석하는 제5단계로 이루어진다.The swirl mixer design method according to the present invention comprises a first step of optimizing the relative length (L1) of the injection nozzle (11a) formed at the tip of the body 11 of the injector 10, as shown in Figure 1 and 2, A second step of obtaining the thickness ToC of the tangential channel 12a determining the width of the fuel passage 12b formed on the outer circumferential surface of the swirl chamber 12 and the total length H of the swirl chamber 12 are obtained. A third step and a fourth step of determining an inlet angle of the injection nozzle 11a connecting between the outlet of the swirl chamber 12 and the inlet of the injection nozzle 11a, and the injection to grasp the influence of the high frequency vibration. The fifth step is to analyze the particles.

스월 혼합기는 보통 도 2에 도시된 바와 같이 선단부에 혼합기가 분사되는 분사노즐(11a)이 형성되고 끝단에는 연료 공급부 및 산화제 공급부가 연결되는 연결부(11b)가 형성된 바디(11)와, 상기 바디(11)의 내측에 설치되고 외주면에 형성된 복수의 탄젠셜 채널(12a)에 사이로 연료 통로(12b)가 구비되며 중앙측에 산화제 통로(12c)가 형성된 스월 챔버(12)로 구성된다.In the swirl mixer, as shown in FIG. 2, a body 11 having an injection nozzle 11a through which the mixer is injected and a connection part 11b connected to a fuel supply part and an oxidant supply part are formed at the end, and the body ( The fuel passage 12b is provided between the plurality of tangential channels 12a provided inside the 11 and formed on the outer circumferential surface thereof, and is composed of a swirl chamber 12 in which an oxidant passage 12c is formed at the center side.

상기와 같이 구성된 본 발명의 스월 혼합기 설계방법은 도 2에 도시된 스월 혼합기를 구성하는 각 요소의 파라미터를 구할 수 있게 하며, 이는 결국 스월 인젝터의 설계에 중요한 데이터가 된다. 이를 위하여 스월 혼합기를 구성하는 바디와 스월 챔버를 교체해 가면서 각 구성 요소의 파라미터에 대한 데이터를 획득한다.The swirl mixer design method of the present invention configured as described above enables to obtain parameters of each element constituting the swirl mixer shown in FIG. 2, which is important data for the design of the swirl injector. To this end, the body and swirl chambers of the swirl mixer are replaced to obtain data on the parameters of each component.

먼저, 바디(11)에 형성된 분사노즐(11a)의 상대 길이(L1)를 최적화한다. 인젝터(10)의 분사노즐(11a)의 길이(L1)가 짧아지면 노즐 벽면과 유체 사이의 마찰에 의한 손실이 감소하여 에너지의 소모가 줄어들게 되므로, 분사되는 입자의 크기가 작고 균일하게 된다. 그러나, 분사노즐(11a)의 길이(L1)가 너무 짧아지게 되면 연소실 내의 화염이 분사노즐(11a)을 통해 역류되어 인젝터(10)가 탈 가능성이 있다.따라서, 분사노즐(11a)의 길이(L1)는 짧게 하되, 연소실 내의 화염이 역류되지 않을 정도로 최적화해야 한다.First, the relative length L1 of the injection nozzle 11a formed in the body 11 is optimized. When the length L1 of the injection nozzle 11a of the injector 10 is shortened, the loss caused by friction between the nozzle wall and the fluid is reduced, thereby reducing the energy consumption, so that the size of the sprayed particles is small and uniform. However, if the length L1 of the injection nozzle 11a becomes too short, the flame in the combustion chamber may flow back through the injection nozzle 11a and the injector 10 may burn out. Thus, the length of the injection nozzle 11a ( L1) should be short, but optimized so that flames in the combustion chamber are not refluxed.

다음은 스월 챔버(12)의 외주면에 형성되는 탄젠셜 채널(12a)의 두께를 결정한다. 상기 탄젠셜 채널(12a)의 두께(ToC; thickness of tangential channel)는 연료통로(12b)의 폭과 관계가 있으며, 연료의 유입 방향과도 관계가 있다. 즉, 탄젠셜 채널(12b)의 두께(ToC)가 너무 얇으면 연료가 스월 챔버(12) 내에서 회전할 수 없게 되는데, 이는 연료의 유입 방향이 안정되지 못하여 스월 챔버(12)로 연료가 제대로 유입되지 않기 때문이다. 또, 탄젠셜 채널(12a)의 두께(ToC)가 너무 두껍게 되면 연료통로(12b)의 폭이 좁아지게 되고 연료의 선회 길이가 감소되어 연료가 산화제와 충분히 혼합되지 않게 된다. 따라서, 이러한 문제점이 발생되지 않도록 스월 챔버(12)의 탄젠셜 채널(12a)의 두께(Toc) 또한 최적화해야 한다.Next, the thickness of the tangential channel 12a formed on the outer circumferential surface of the swirl chamber 12 is determined. The thickness of tangential channel (ToC) of the tangential channel 12a is related to the width of the fuel passage 12b and also to the inflow direction of the fuel. That is, if the thickness ToC of the tangential channel 12b is too thin, the fuel may not rotate in the swirl chamber 12, which may cause the fuel inflow direction to be unstable to properly flow into the swirl chamber 12. Because it does not flow. In addition, when the thickness ToC of the tangential channel 12a is too thick, the width of the fuel passage 12b is narrowed, and the turning length of the fuel is reduced so that the fuel is not sufficiently mixed with the oxidant. Therefore, the thickness Toc of the tangential channel 12a of the swirl chamber 12 should also be optimized so that this problem does not occur.

이어, 스월 챔버(12)의 길이(H)를 결정하는데, 스월 챔버(12)의 길이(L2)가 길면 길수록 스월 챔버(12)의 벽면과 연료 사이의 마찰력이 커져 에너지 손실이 발생하게 된다. 또, 스월 챔버(12)의 길이(H)가 너무 짧게 되면 연료가 충분히 선회하지 못하게 되어 산화제에 충분히 혼합되지 못하게 된다. 따라서, 양자의 요구가 적절하게 조화되도록 스월 챔버(12)의 길이(H)를 결정한다.Subsequently, the length H of the swirl chamber 12 is determined. As the length L2 of the swirl chamber 12 is longer, the friction force between the wall surface of the swirl chamber 12 and the fuel increases, resulting in energy loss. In addition, if the length H of the swirl chamber 12 is too short, the fuel will not be sufficiently turned and will not be sufficiently mixed with the oxidant. Thus, the length H of the swirl chamber 12 is determined so that both requirements are properly matched.

다음은 분사노즐(11a)의 입구각을 결정하는데, 분사노즐(11a)의 입구각이 완만할수록 마찰력이 감소되므로 에너지 손실이 감소된다. 그러나, 분사노즐(11a)의 입구각이 너무 완만하게 되면 혼합기의 집중이 없이 곧바로 분사되게 되므로, 연소실 내부로 분사되는 힘이 약해지게 된다. 이때, 분사노즐(11a)의 입구각은바디(11)의 내경(D)과 노즐 직경(d_c)의 차이에 비례하고 노즐입구 길이(L2)에 반비례한다. 즉, 바디(11)의 내경(D)이 클수록, 노즐 직경(d_c)이 감소될수록 노즐 입구각이 커지게 되고, 노즐입구의 길이(L2)가 길어질수록 노즐 입구각은 작아지게 된다. 따라서, 바디(11)의 내경(D)과 노즐 직경(d_c) 및 노즐입구의 길이(L2)를 조절하여 분사노즐(11a)의 입구각을 최적화할 필요가 있다.Next, the inlet angle of the injection nozzle 11a is determined. As the inlet angle of the injection nozzle 11a is gentle, the frictional force decreases, so that the energy loss is reduced. However, if the inlet angle of the injection nozzle 11a becomes too gentle, it is injected immediately without concentration of the mixer, and the force injected into the combustion chamber is weakened. At this time, the inlet angle of the injection nozzle (11a) is proportional to the difference between the inner diameter (D) and the nozzle diameter (d _c ) of the body 11 and inversely proportional to the nozzle inlet length (L2). That is, the larger the inner diameter D of the body 11, the larger the nozzle inlet angle as the nozzle diameter d _c decreases, and the smaller the nozzle inlet angle as the length L2 of the nozzle inlet becomes longer. Therefore, it is necessary to optimize the inlet angle of the injection nozzle 11a by adjusting the inner diameter D, the nozzle diameter d _c , and the length L2 of the nozzle inlet of the body 11.

마지막으로 고주파 진동에 의한 영향을 분석하기 위하여 분사되는 인젝터(10)의 내부 압력과 연소실의 압력을 비교한다. 이를 위해서 분사되는 혼합기의 입자를 분석하게 된다. 인젝터(10)와 연소실의 압력차가 클수록 작고 균일한 형태의 분사입자를 분사시킬 수 있고 많은 유량을 분사시킬 수 있으나, 고주파의 진동이 연소실 내에 발생딜 수 있다. 반대의 경우에는 분사입자의 크기가 다소 크게 되지만 유량이 감소하게 된다. 따라서, 요구되는 분사입자의 크기 및 유량에 따라 인젝터(10)와 연소실의 압력차를 결정한다.Finally, the internal pressure of the injector 10 is compared with the pressure of the combustion chamber to analyze the effect of the high frequency vibration. To this end, the particles of the sprayed mixer are analyzed. The larger the pressure difference between the injector 10 and the combustion chamber is able to inject a small and uniform type of injection particles and to inject a large flow rate, but high frequency vibration may occur in the combustion chamber. In the opposite case, the size of the sprayed particles is rather large but the flow rate is reduced. Therefore, the pressure difference between the injector 10 and the combustion chamber is determined according to the size and flow rate of the required injection particles.

이와 같이, 본 발명의 스월 혼합기 설계방법은 스월 인젝터의 모사 시험장치인 스월 혼합기를 구성하는 각 요소의 파라미터에 대한 각종 데이터를 획득할 수 있도록 하여 보다 저렴한 비용으로 스월 인젝터를 제작할 수 있도록 하는 이점이 있다.As described above, the method of designing a swirl mixer according to the present invention enables to acquire various data on the parameters of each element constituting the swirl mixer, which is a simulated tester of the swirl injector, thereby producing a swirl injector at a lower cost. have.

Claims

A first step of optimizing the relative length of the injection nozzle formed at the tip of the body of the injector,

A second step of obtaining a thickness of a tangential channel for determining a width of a fuel passage formed on an outer circumferential surface of the swirl chamber;

Obtaining a total length of the swirl chamber;

A fourth step of determining an inlet angle of the injection nozzle connecting the outlet of the swirl chamber and the inlet of the injection nozzle,

A swirl mixer design method, comprising a fifth step of analyzing sprayed particles to grasp the influence of high frequency vibration.