KR20050054672A - 로켓 연소기 노즐냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 로켓 연소기 노즐냉각장치에 관한 것이다.

특히, 내측으로 챔버가 형성되는 원통형의 헤드부에 중공상의 몸체부가 고정결합되고 상기 몸체부를 일측에서 지지하는 지지부로 이루어지는 하우징과, 상기 헤드부의 챔버 내측으로 고정 결합되고, 내측으로 직경이 축소후 확대되는 노즐구가 형성되며 그 외주연으로 냉각수가 유동토록 원반형홈이 형성되는 노즐과, 상기 원반형홈에 소정간격 유지하며 끼워지는 한쌍의 인서트 슬랏를 포함하는 구성으로 이루어 진다.

이에따라, 로켓 엔진 연소기에서 고온의 가스와 접하게 되는 노즐을 높은 열로 부터 보호하기 위해 냉각수의 순환에 의해 효과적인 냉각이 이루어지고, 연소압을 안정하게 유지함으로서 노즐의 재사용을 가능토록 하여 시험에 소요되는 시간과 경비를 절감할 수 있도록 하는 것이다.

Description

로켓 연소기 노즐냉각장치{THE NOZZLE COOLER OF A ROCKET BURNER}

본 발명은 로켓 연소기 노즐냉각장치에 관한 것으로서 보다 상세하게로는, 내측으로 챔버가 형성되는 원통형의 헤드부에 구리가스켓을 개재하여 몸체부가 연결되고 상기 몸체부를 지지토록 지지부가 연결 설치되는 하우징과, 상기 헤드부의 챔버 내측으로 고정 결합되는 노즐과, 상기 노즐 내측으로 냉각 유로가 형성되는 인서트 슬랏으로 이루어져, 냉각수의 순환에 의한 노즐의 간단한 구성에 의해 노즐의 효과적 냉각이 이루어지도록 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 로켓엔진은 화학추진제를 연소시키는 연소실과 연소실에서 만들어진 가스를 가속하여 방향성을 갖게 하기 위한 노즐로 구성되며, 단위시간에 추진제의 질량을 노즐에서 가속하면 질량이 가속되는 방향과 반대방향에 추력이 생기는데, 연소실에서 추진제를 연소시켜 만들어진 가스를 노즐로 방향성을 줌으로써 그 반대방향에 의한 추력에 의해 로켓이 발사된다.

이때, 사용되는 추진제(propellant)는 화학추진제를 사용할 경우 고체 또는 액체상태였던 것을 연소실 내에서 연소시키면 발생하는 열에 가열되어 가스 상태가 되고, 팽창하여 운동에너지를 가지며, 연소실이 밀폐상태이면 팽창한 가스에 의해서 내부는 고압이 되지만, 연소실 뒷부분에는 압력이 낮은 노즐부가 있으므로 가스는 노즐을 향해 흐르게 되고, 압력은 흐름의 속도로 변한다.

또한, 연소에 의해서 가스를 발생시켜 노즐에서 가속하는 형식으로 로켓엔진이 추력을 발생하는 것은 연소실에서 발생되는 가스를 노즐에서 가속하여 높은 속도를 부여하며, 음속 이하의 유체가 흐르는 속도는 유체가 통과하는 단면적을 좁히면 커지고, 넓히면 작아지고, 흐름의 속도가 음속에 도달하면 기체의 압축성이 현저해져서 단면적을 좁혀도 가속되지 않는다.

이 노즐을 사용하면 연소실 내에서 생긴 아음속의 가스 흐름은 끝조림 노즐의 앞부분에서 음속에 도달하고, 다음에 확산 노즐에서 팽창하여 속도를 얻어 초음속의 흐름이 된다.

실제 로켓 엔진 연소기의 연소 시 노즐의 온도는 섭씨 3000도에 가까운 고온의 조건이 되며, 이러한 고온의 조건에서 노즐이 녹거나 형상이 변하지 않아야만 로켓 엔진 연소기의 연소실 조건이 시험 전에 의도한 바대로 일정하게 유지가 된다. 고온에 의해 노즐이 변형되었을 경우에는 시험 중 연소실의 압력이 떨어지는 것과 같은 원하지 않는 효과가 발생되기도 한다.

예컨데, 연소 반응을 통하여 발생되는 고온의 기체는 연소기의 노즐을 통해 외부로 분출되게 되는데, 고온의 기체가 노즐을 통과할 때 노즐은 강한 열 부하를 받게 되고, 이러한 극심한 열 부하로 인해 노즐은 삭마되거나 녹게 되고, 이로 인해 변경된 노즐의 단면적은 연소기 내의 압력의 변화를 가져오게 되어 정상적인 연소기의 작동을 방해하게 되는 문제점이 발생되었다.

이와같은 문제점을 해결하기 위해 종래에는 히트 싱크(heat sink) 방식이라 불리는 냉각 방식이 널리 쓰이고 있으며, 이러한 방식은 특별한 냉각 기구 없이 노즐 자체의 열용량에 의해 냉각을 꾀하거나, 노즐의 표면에 단열 물질(thermal barrier coating)을 도포하여 노즐의 모재로의 열전달량을 감소시켜 노즐의 손상을 방지하는 방법등이 있으나 냉각 방식 또는 노즐의 제작이 매우 까다롭거나 수명이 오래되지 못하는 문제점이 발생되었다.

이를 개선하기 위한 본 발명의 목적은 개발 중인 로켓 엔진 연소기의 연소 시험시, 고온의 가스와 접하게 되는 노즐을 높은 열로 부터 보호하기 위해 냉각수의 순환에 의한 노즐의 냉각이 간단한 구성으로 이루어져 제작이 용이하고, 효과적인 냉각이 이루어질 수 있는 잇점이 있다.

또한, 본 발명은 구현된 로켓 엔진 연소기 노즐은 연소 시험 중에 노즐의 삭마로 인한 단면적 증가로 연소압이 하강하는 등의 부정적인 효과를 해소하고, 연소압을 안정하게 유지하기 위해 필수적인인 노즐의 재사용을 가능토록 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 내측으로 챔버가 형성되는 원통형의 헤드부와, 상기 헤드부에 구리가스켓을 개재하여 연결 설치되는 중공상의 몸체부 및, 상기 몸체부를 지지하는 지지부로 이루어지는 하우징과,

상기 헤드부의 챔버 내측으로 고정 결합되고, 그 내측으로 직경이 축소후 확대되는 노즐구가 형성되며, 그 외주연을 따라 원반 형상의 원반형홈이 다수개 형성되는 노즐 및,

상기 원반형홈을 따라 냉각수가 유동되는 냉각채널이 형성토록 상기 원반형홈에 소정간격 유지하며 끼워 고정되는 한쌍의 인서트 슬랏을 포함하는 구성으로 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 상기 하우징은, 상기 헤드부 내측으로 장착되는 상기 노즐을 고정토록 엔드플레이트가 볼트에 의해 상기 헤드부에 결합 설치된다.

그리고, 상기 하우징은 상기 헤드부의 내측으로 냉각수가 입,출입토록 상기 헤드부의 외주면으로 냉각유로가 형성되는 피팅구가 돌출 형성될 수 있다.

바람직하게 상기 하우징의 헤드부에는, 상기 헤드부의 챔버에 상기 노즐이 삽입 장착시 상기 챔버에 밀착 고정토록 일측 내주연의 단부에 단턱이 형성된다.

한편, 상기 노즐에는, 냉각수 유량에 따른 냉각 부위에서의 냉각수 유속을 조절하기 위해 상기 냉각채널의 유동 통로면적을 조절토록 상기 노즐의 원주면을 따라 형성된 원반형홈 내측으로 상기 인서트 슬랏이 삽입 고정되되, 상기 인서트 슬랏은 그 외경이 상기 노즐의 외경과 대응되는 직경을 갖고, 내경은 원반형홈의 홈직경보다 적어도 크게 형성하는 것이 좋다.

그리고, 상기 노즐에 형성되는 원반형홈은, 상기 노즐의 내측을 이동하는 고온의 기체의 의해 상기 노즐이 변형되는 것을 냉각수에 의한 냉각으로 보호토록 상기 노즐의 내경면에서 최소 이격거리까지 원반형홈이 노즐의 원주를 따라 형성될 수 있다.

더하여, 상기 노즐에는 다수의 상기 인서트 슬랏 결합된 사이로 냉각수가 상호 혼합되는 것을 방지하여 기밀이 유지토록 오링이 장착되는 그루브가 상기 다수개의 원반형홈 사이의 외주면에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 상기 인서트 슬랏에는 상기 피팅의 냉각유로과 연통되는 동일 직경의 냉각유로가 중앙에 관통형성되고, 양 측부에 볼트가 고정결합되는 볼트공이 형성된다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 또는 도 3에서 도시된 바와 같이, 본 발명은 중공상의 하우징(100)과, 연소기 내에서 산화제와 연료가 섞여 연소 반응후 고온의 기체가 배출되는 노즐(200) 및, 고온에 의해 가열된 노즐(200)가 냉각수를 통해 냉각토록 상기 노즐(200)에 냉각유로(112)를 형성하는 인서트 슬랏(300)으로 크게 이루어진다.

예컨데, 상기 하우징(100)은, 내측으로 챔버(230)가 형성되는 원통형의 헤드부(110)와, 상기 헤드부(110)는 일측 단부로 기밀이 유지토록 구리 가스켓이 삽입 개재되어 상기 헤드부(110)에 연결 설치되는 중공상의 몸체부(120) 및, 상기 몸체부(120)를 지지하는 지지부(130)로 이루어진다.

상기 하우징(100)의 헤드부(110)는 내측에 형성된 챔버(230)로 노즐(200)이 장착되며, 장착된 노즐(200)이 상기 헤드부(110)에 밀착 고정토록 엔드플레이트(140)가 볼트에 의해 상기 헤드부(110)에 결합 설치된다.

그리고, 상기 하우징(100)의 헤드부(110)는 원통형의 스테인리스 스틸로 이루어지고, 냉각수를 공급하는 튜브가 연결되어 상기 헤드부(110)의 내측으로 냉각수가 입,출입토록 상기 헤드부(110)의 외주면으로 냉각유로(112)가 형성되는 피팅구(111)가 용접에 의해 돌출 형성된다.

이때, 상기 피팅구(111)는 상방향과 하방향에 각각 슬랏의 개수와 같은 4개 씩 용접되며, 아래쪽의 피팅구로 냉각수가 유입되고, 위쪽의 피팅구로 노즐(200)내부에서 열전달이 이루어진 후에 온도가 상승된 냉각수의 배출되게 된다.

또한, 상기 하우징(100)의 헤드부(110)에는, 상기 헤드부(110)의 챔버(230)에 노즐(200)이 삽입시 빠지지 않고 밀착되어 걸려 지도록 일측 내주연의 단부에 노즐(200)이 고정되는 단턱(113)이 형성되고, 상기 노즐(200)에는 상기 단턱(113)에 대응되는 단턱홈(113')이 형성된다.

한편, 도 3에서 도시된 바와 같이, 상기 하우징(100)의 헤드부(110) 내측으로 노즐(200)이 장착되는데, 상기 노즐(200)은 그 내측으로 직경이 축소후 확대되는 노즐구(210)가 형성되며, 그 외주연을 따라 원반 형상의 원반형홈(220)이 다수개 형성된다.

상기 노즐(200)에 형성되는 원반형홈(220)은, 상기 노즐(200)의 내측을 이동하는 고온의 기체의 의해 상기 노즐(200)이 변형되는 것을 냉각수에 의한 냉각으로 보호토록 상기 노즐(200)의 내경면에서 최소 이격거리까지 원반형홈(220)이 노즐(200)의 원주를 따라 형성된다.

이때, 상기 노즐(200)은 순수 구리(Oxygen Free 순수 구리)로 만들어져 노즐(200)의 형상을 갖으며, 바람직하게는 충분한 열 용량의 제공을 위하여 원통형을 갖는 상기 중공상의 몸체부(120)에 비해 상대적으로 큰 부피를 갖도록 구성하는 것이 좋다.

그리고, 상기 노즐(200)에는 원반형홈(220)이 원주 방향으로 가공되고, 구리 노즐(200)과 헤드부(110)의 피팅 사이의 위치가 들어맞도록 하는 키홈이 형성될 수 있다.

또한, 상기 노즐(200)에는, 인서트 슬랏(300)과 인서트 슬랏(300) 사이로 냉각수가 서로 섞이지 않도록 기밀을 유지토록 오링(O-ring)이 장착되는 그루브(114)(groove)이 외주연을 따라 형성된다.

그리고, 도 4a 또는 도 4b 에서 도시된 바와 같이, 상기 노즐(200)에는, 냉각수 유량에 따른 냉각 부위에서의 냉각수 유속과 상기 냉각채널의 유동 통로면적을 조절토록 상기 노즐(200)의 원주면을 따라 형성된 원반형홈(220) 내측으로 인서트 슬랏(300)이 삽입 고정된다.

예컨데, 상기 인서트 슬랏(300)은 원반형홈(220)을 따라 냉각수가 유동되는 냉각채널(310)이 형성토록 상기 원반형홈(220)에 소정간격 유지하며 끼워 고정된다.

그리고, 상기 노즐(200)에 가공된 원반형홈(220)에 끼워지는 상기 인서트 슬랏(300)은, 홈의 원심방향 길이는 각기 달라서 슬랏 인서트의 내부 반원 반지름 또한 각기 다른 값을 갖게 되는데, 상기 인서트 슬랏(300)은 그 외경이 상기 노즐(200)의 외경과 대응되는 직경을 갖고, 내경은 원반형홈(220)의 홈직경보다 적어도 크게 형성되도록 하는 것이 좋다.

그리고, 상기 인서트 슬랏(300)에는, 상기 피팅의 냉각유로(112)과 연통되는 동일 직경의 냉각유로(112')가 중앙에 관통형성되고, 양 측부에 볼트가 고정결합되는 볼트공(320)이 형성되어 상기 볼트공(320)에 각각 위아래로 두 개씩 볼트가 삽입 후, 두개의 슬랏 인서트 체결 결합되게 된다.

이때, 상기 인서트 슬랏(300)과 노즐(200)에 의해 형성되는 공간의 단면적은 유입되는 냉각수의 유량에 따라 결정되는 유속이 열전달에 가장 큰 영향을 주는 인자가 되므로 유속 조절을 위해 단면적의 크기가 변할 수 있다.

이와같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연소기 내에서 산화제와 연료가 섞여 연소 반응후 고온의 기체가 하우징의 몸체부를 고쳐 상기 헤드부에 장착된 노즐를 이동하게 되는데, 이때, 고온으로 가열된 기체에 의해 노즐이 가열되어 변형되는 것을 방지토록 상기 하우징의 헤드부와 노즐 사이로 냉각유로를 형성하여 노즐을 냉각하게 된다.

예컨데, 상기 헤드부의 피핑과 연결된 냉각수 튜브를 통해 저부에서 냉각수가 냉각 유로를 타고 노즐에 유입되어 슬랏 인서트의 냉각유로를 통과하여 슬랏 인서트와 구리 노즐이 만드는 공간으로 유입되게 된다.

계속하여, 유입된 냉각수는 노즐과 슬랏 인서트가 만드는 공간에서 노즐 외곽을 감싸며 이동하여 노즐을 냉각하게 되는데, 노즐을 통과하는 고온의 기체와 구리로 만들어진 벽을 사이에 두고 열전달을 이루게 되고, 이렇게 전달된 열로 인해 온도가 상승된 냉각수는 반대로 위쪽 슬랏 인서트의 유동 통로와 상부의 피팅구를 통해 외부로 토출되게 된다

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 극한 고온 조건에서 장시간동안 그 기능을 잃지 않고 작동시킬 수 있으며, 연소 시험을 수행 시에 고온에서도 노즐의 단면적의 변화가 적어 연소실 내의 압력을 일정하게 유지시켜 주는 역활을 하게 된다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화 될 수 있다는 것을 밝혀 두고자 한다.

이와같이 본 발명에 의하면, 개발 중인 로켓 엔진 연소기의 연소 시험시, 고온의 가스와 접하게 되는 노즐을 높은 열로 부터 보호하기 위해 냉각수의 순환에 의한 노즐의 냉각이 간단한 구성을 이루어져 제작이 용이하고, 효과적 냉각이 이루어질 수 있는 잇점이 있다.

또한, 본 발명을 통해서 구현된 로켓 엔진 연소기 노즐은 연소 시험 중에 노즐의 삭마로 인한 단면적 증가로 연소압이 하강하는 등의 부정적인 효과를 해소하고, 연소압을 안정하게 유지하기 위해 필수적인 노즐의 재사용을 가능토록 하여 시험에 소요되는 시간과 경비를 절감할 있는 경제적인 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 로켓 연소기 노즐냉각장치를 도시한 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 로켓 연소기 노즐냉각장치를 도시한 부분 단면 상세도.

도 3은 본 발명에 따른 로켓 연소기 노즐냉각장치의 노즐을 도시한 단면도.

도 4a 또는 도 4b는 본 발명에 따른 로켓 연소기 노즐냉각장치의 인서트 슬랏을 도시한 정면도 및 측단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

100... 하우징 110...헤드부

120...몸체부 130...지지부

200...노즐 210...노즐구

220...원반형홈 300...인서트 슬랏

Claims (10)

1. 내측으로 챔버(230)가 형성되는 원통형의 헤드부(110)와, 상기 헤드부(110)에 구리가스켓을 개재하여 연결 설치되는 중공상의 몸체부(120) 및, 상기 몸체부(120)를 지지하는 지지부(130)로 이루어지는 하우징(100)과,

   상기 헤드부(110)의 챔버(230) 내측으로 고정 결합되고, 직경이 축소후 확대되는 노즐구(210)가 내측에 형성되며, 그 외주연을 따라 원반 형상의 원반형홈(220)이 다수개 형성되는 노즐(200) 및,

   상기 원반형홈(220)을 따라 냉각수가 유동되는 냉각채널(310)이 형성토록 상기 원반형홈(220)에 소정간격 이격을 유지하며 끼워 고정되는 한쌍의 인서트 슬랏(300)을 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 하우징(100)에는, 상기 헤드부(110) 내측으로 장착되는 노즐(200)을 고정토록 엔드플레이트(140)가 볼트에 의해 상기 헤드부(110)에 고정 결합 설치되는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 하우징(100)에는, 상기 헤드부(110)의 내측으로 냉각수가 입,출입토록 상기 헤드부(110)의 외주면으로 냉각유로(112)를 갖는 피팅구(111)가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 하우징(100)의 헤드부(110)에는, 상기 헤드부(110)의 챔버(230)에 상기 노즐(200)이 삽입 장착시 하우징(100)의 내측 챔버(230)에 밀착 고정토록 일측 내주연의 단부에 단턱(113)이 형성되는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 하우징(100)은, 스테인리스 스틸 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 노즐(200)에는, 냉각수 유량에 따른 냉각 부위에서의 냉각수 유속과 상기 냉각채널(310)의 유동 통로면적을 조절토록 상기 노즐(200)의 원주면을 따라 형성된 원반형홈(220) 내측으로 상기 인서트 슬랏(300)이 삽입 고정되되, 상기 인서트 슬랏(300)의 외경은 상기 노즐(200)의 외경과 대응되는 직경을 갖고, 내경은 원반형홈(220)의 홈직경보다 적어도 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 노즐(200)에 형성되는 원반형홈(220)은, 상기 노즐(200)의 내측을 이동하는 고온의 기체의 의해 상기 노즐(200)이 변형되는 것을 냉각수에 의한 냉각으로 방지토록 상기 노즐(200)의 내경면에서 최소 이격거리까지 원반형홈(220)이 노즐(200)의 원주을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 노즐(200)에는, 다수의 상기 인서트 슬랏(300)이 결합된 공간 사이로 냉각수가 서로 혼합되는 것을 방지하여 기밀이 유지토록 오링이 장착되는 그루브(114)가 상기 다수개의 원반형홈(220) 사이의 외주면에 형성되는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
9. 제 1항에 있어서, 상기 노즐(200)은, 순수 구리 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.
10. 제 1항에 있어서, 상기 인서트 슬랏(300)에는, 상기 피팅의 냉각유로(112)과 연통되는 동일 직경의 냉각유로(112')가 중앙에 관통형성되고, 양 측부에 볼트가 결합되는 볼트공(320)이 형성되는 것을 특징으로 하는 로켓 연소기 노즐냉각장치.