KR20100030969A - 연소기 및 이를 포함하는 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소기 및 이를 포함하는 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료와 공기가 혼합되어 연소되게 하는 연소기 및 이를 포함하는 엔진에 관한 것이다. 특히 본 발명은 공기흡입부를 통하여 공기가 흡입되어 흡입된 공기와 연료의 연소가 이루어지고, 배기를 위한 배기노즐을 갖는 연소부와; 상기 연소부로 흡입되는 공기 일부를 적어도 하나의 혼합용 홀을 통해 유입하여 연료와 혼합시킨 후, 배출구를 통해 상기 연소부로 배출하는 혼합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 및 이를 포함하는 엔진을 제시함으로써, 혼합효율은 높이면서 전압력손실을 줄일 수 있다.

스크램제트엔진, 연소기, 초음속, 재순환영역, 혼합

Description

연소기 및 이를 포함하는 엔진{Combustor and engine having the same}

본 발명은 연소기 및 이를 포함하는 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음속 유동장 내에서 연료와 공기가 혼합되어 연소되게 하는 연소기 및 이를 포함하는 엔진에 관한 것이다.

스크랩제트엔진은 미국을 비롯한 선진국에서 40년이 넘게 개발되어 온 미래형 차세대 엔진으로서, 그 구조가 매우 간단하며 초음속으로 비행할 수 있는 비행체로서 저비용의 우주 발사체와 초음속 순항 항공기 및 유도 무기 시스템으로의 활용가능성에 대해 매우 밝은 전망을 보이고 있어 이에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.

인공위성을 지구의 저궤도에 진입시키는 TSTO(Two Stage Two Orbit)의 발사체로서 지구대기권(약 100 km 고도) 내를 비행하는 동안에는 대기권 공기 중의 산소를 산화제로 사용하는 공기흡입 추진기관인 스크램제트엔진을 사용하면 로켓발사체의 추진제에 함유된 막대한 양의 산화제를 대기 중의 산소로 대체하게 되어 우주 비행선의 총중량을 상당히 저감할 수 있으므로, 이를 탑재체 중량으로 이전하면, 현재 발사비용에 대해 약 1/10 이하로 저감할 수 있다.

또한 기존 로켓의 경우는 한번 사용하면 재사용이 불가능 하지만 스크램제트엔진의 경우는 재사용이 가능하므로 우주 산업에서도 대량생산 체제의 이점을 부각시킬 수 있는 핵심기술이 될 수 있다.

항공기 부문에서 스크램제트엔진을 사용한 초음속 항공기는 순항속도가 마하 10 (시속 약 10,000 km/h)으로 서울에서 미국까지 약 3시간 이내에 도달할 수 있다.

국방 분야에 있어서 무인 초음속 전투기와 은폐가 매우 잘된 견고한 지하방공 요새와 같은 주요군사시설, 장갑방호능력 및 대공 방어 무기 시스템을 갖춘 우수한 적 주요화기 등을 무력화시킬 수 있는 초음속 고운동 에너지 국방 기술이 요구되고 있으며, 이 또한 무기체계의 효율성, 중량 경량화, 탄두 운반 능력 등의 미래 지향적인 관점에서 스크램제트엔진이 가장 유력한 추력기관으로 대두되고 있다.

스크램제트엔진의 구조를 상세히 살펴보면, 다음과 같다.

공기 흡입구에서 형성된 경사충격파에 의해 유입된 공기는 압축되며, 유입된 공기의 운동에너지는 열에너지로 전이되어 온도가 상승하게 된다. 격리(isolator)영역은 연소 질식에 의한 압력증가의 영향이 흡입구 쪽에 영향을 미치지 않도록 하는 부분이며, 연소기 입구에서 적정 온도와 압력이 형성되어 연소기에서 연소가 이루어지도록 한다. 연소기 내부는 고온, 고압 상태가 되며 이때 연료를 분사하게 된다. 연료와 공기는 혼합되며, 흡입구에서 형성되어 전파된 경사충격파에 의해 충격파 유도점화가 이루어지게 된다. 그리고 경사충격파에 의한 충격파 유도점화에 의하여 연소기 내에서 연소가 이루어지며 연소기 내에서의 연소에 의해 추진력을 얻 게 되고, 배기노즐을 통해 배기된다.

이러한 스크램제트엔진은 연소기 개발이 난제이다.

즉, 스크램제트엔진의 가장 중요한 요소는 성공적인 연소 시스템을 구축하는 것이다. 만족스러운 추력을 얻기 위해 연소기 내에서 연소가 이루어져야 하며, 이와 같은 조건을 만족하기 위해서는 연소 질식이 일어나도록 설계되어야 한다. 그래서 연소과정은 매우 빠르게 일어나야 한다. 그런데, 연소기 내로 유입되는 공기 속도는 마하수 1.5 (약 500 m/s) 이상의 초음속 유동이며, 연소기의 길이가 1 m라 가정하면, 연소기 내 공기의 체류시간은 약 0.002초이기 때문에, 매우 짧은 잔류시간 동안 연료와 공기가 혼합될 수 있도록 재순환영역이 필요하다.

현재까지 연구된 스크램제트엔진의 혼합방식은 크게 유동방향의 와류(vorticity)를 이용한 혼합방식과 공진(resonance)에 의한 혼합방식으로 구분할 수 있다.

유동방향의 와류에 의한 혼합방식은 도 1a에 도시된 바와 같이, 램프(ramps), 탭(tabs), 돌출부 혼합부(lobe mixers), 셰브론(chevrons), 하이퍼 혼합부(hyper mixers) 등이 있다. 그리고 공진에 의한 혼합방식은 도 1b에 도시된 바와 같은 후면 계단방식(backward-facing step), 도 1c에 도시된 바와 같은 공동(cavities), Helmholtz 공명기, 물결벽면(wavy wall) 등이 있다. 이러한 혼합방식에 의해, 도 1a, 도 1b, 도 1c에 도시된 바와 같이 공기와 연료가 혼합되는 재순환영역이 형성된다.

앞에서 열거된 혼합방식들은 초음속 연소를 위해 다음 조건을 따른다.

첫째, 거시영역에서 연료와 공기는 빠른 혼합이 이루어져야 하며, 바로 배기되지 않고 연소될 수 있는 충분한 잔류시간이 필요하다(와류 혼합 방식). 특히 초음속 연소기의 경우에는 아음속 연소기와 달리 연료의 연소기 내 잔류시간이 극히 짧기 때문에 이 부분은 초음속 연소기 설계에 있어서 가장 근본적으로 고려하여야 하는 사항이다.

둘째, 미시영역에서 연료와 공기는 화학반응 시간을 줄이기 위해 준화학반응 상태로 혼합이 되어 있어야 하며, 이는 작은 규모의 난류유동에 의해 혼합이 되며, 연소반응이 일어날 경우 이런 소규모 난류 유동은 연소가 유지될 수 있도록 산화제와 연료의 혼합을 증대시켜야 한다(공진에 의한 혼합 방식). 따라서 거시영역에서 연료와 공기의 혼합이 이루어져도 미시영역에서의 혼합이 실질적으로 이루어지지 않으면 점화가 일어나지 않는다.

그러나, 이상과 같은 혼합방식들 중 아직까지 스크램제트엔진에 사용하기 위한 적절한 모델이 제시되지 못하고 있다. 그 이유는 혼합 효율을 증대하면, 전압력 손실도 동시에 높아지고, 혼합 효율을 증대시키면서 전압력 손실을 줄였지만 시스템이 복잡해지는 등 스크램제트엔진에 적용하기 위한 필요요소를 맞추지 못하고 있는 실정이기 때문이다.

한편, 스크램제트엔진 뿐만 아니라, 일반적인 램제트엔진, 가스터빈엔진, 액체로켓, 산업용 연소기 등도, 상술한 바와 같이 혼합효율을 증대시키면서 전압력 손실을 줄일 수 있고, 이를 위한 구조는 간소한 적절한 모델이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연료와 공기가 혼합될 수 있는 재순환영역을 형성함으로써 혼합효율을 증대하면서 전압력 손실을 줄일 수 있고, 이를 위한 구조가 간소한 연소기 및 이를 포함하는 엔진을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 재순환영역을 용이하게 확대할 수 있는 연소기 및 이를 포함하는 엔진을 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 공기흡입부를 통하여 공기가 흡입되어 흡입된 공기와 연료의 연소가 이루어지고, 배기를 위한 배기노즐을 갖는 연소부와; 상기 연소부로 흡입되는 공기 일부를 적어도 하나의 혼합용 홀을 통해 유입하여 연료와 혼합시킨 후, 배출구를 통해 상기 연소부로 배출하는 혼합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연소기를 제시한다.

상기 혼합부는 상기 연소부로 흡입된 공기흐름을 따라, 상기 혼합용 홀보다 상기 배출구가 후류에 위치될 수 있다.

상기 혼합부는 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름과 평행한 구획벽에 의해 상기 연소부와 구획되고, 상기 구획벽에는 상기 혼합용 홀이 형성될 수 있다.

상기 혼합용 홀은 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름과 경사를 이루거나 수직을 이루도록 형성될 수 있다.

상기 혼합용 홀은 상기 혼합부의 내부로 가면서 확장되거나 축소될 수 있다.

상기 혼합용 홀은 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름을 따라, 그 단면의 선단과 후단 중 하나는 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름에 대하여 수직하고, 그 나머지 하나는 경사질 수 있다.

상기 연소부는 공기 흡입방향과 수직을 이루는 내주면의 형상이 다각형, 타원형 또는 원형을 이루거나, 상기 혼합용 홀은 내주면의 형상이 다각형, 타원형 또는 원형을 이룰 수 있다.

본 발명은 또한 상기와 같은 연소기를 포함하는 스크램제트엔진, 가스터빈엔진, 램제트엔진 및 산업용 연소기를 제시한다.

본 발명에 의한 연소기 및 이를 포함하는 엔진은 연료분사부와 연소부 사이에 연료가 공기와 일차적으로 혼합될 수 있는 혼합부가 구비됨으로써, 와류에 의한 혼합효율을 증대하면서 유동의 흐름을 완만하게 하여 혼합부에 의한 전압력 손실을 줄일 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 의한 연소기 및 이를 포함하는 엔진은 공기가 혼합부로 유동될 수 있도록 적어도 하나의 혼합용 홀을 형성하는 것만으로 재순환영역을 형성시킬 수 있기 때문에, 구조가 간소하며, 재순환영역을 용이하게 확대시킬 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 연소기 및 이를 포함하는 엔진에 관하여 상세히 설명한다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연소기는 공기흡입부(미도시)를 통하여 공기(화살표 A)가 흡입되어 흡입된 공기(화살표 A)와 연료(화살표 F)의 연소가 이루어지고, 배기를 위한 배기노즐(20)을 갖는 연소부(10)와; 상기 연소부(10)로 흡입되는 공기(화살표 A) 일부를 적어도 하나의 혼합용 홀(44)을 통해 유입하여 연료(화살표 F)와 혼합시킨 후, 배출구(46)를 통해 상기 연소부(10)로 배출하는 혼합부(40)를 포함하여 구성된다.

상기 연소부(10)는 상기 연소부(10)로 흡입되는 공기(화살표 A)흐름과 수직을 이루는 내주면의 형상이 도 8에 도시된 혼합용 홀(44)의 단면형상처럼 다각형, 타원형 또는 원형 등의 형상을 취하도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 연소부(10)의 상기 내주면의 형상은 가로 세로비(AR: aspect ratio)와 연료분사부(30)의 위치, 공기(화살표 A)의 흡입속도, 연료(화살표 F)의 분사속도 등에 의해 결정될 수 있다.

연료(화살표 F)의 분사를 위한 연료분사부(30)는 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이 상기 혼합부(40)를 통해 연료(화살표 F)를 분사하도록 구성될 수 있다. 이때, 연료분사부(30)는 유동저항 등으로 인한 전압력손실을 줄이기 위해, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 상기 연소부(10)로 흡입되는 공기(화살표 A)흐름에 대하여 대략 평행하게 연료(화살표 F)를 분사토록 구성될 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 수직 또는 경사진 방향으로 연료(화살표 F)가 분사되도록 구성될 수도 있다. 또는 연료분사부(30)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 연소부(10)에 직접 연료(화살표 F)를 분사하도록 구성될 수도 있다. 이때, 연료분사부(30)는 상기 혼합부(40)에서 공기(화살표 A)와 연료(화살표 F)의 혼합이 이루어질 수 있도록, 상기 연소부(10)로 흡입되는 공기흐름을 따라, 상기 혼합용 홀(44)보다는 앞쪽에서 연료(화살표 F)를 분사할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 그리고, 연료분사부(30)는 상기 혼합부(40)에 의한 혼합이 이루어지기 전에 경사충격파에 의한 충격파 유도점화가 이루어지지 않도록 분사될 수 있도록 구성된다. 이외에도 연료분사부(30)는, 하나 또는 다수 구성될 수 있으며, 다양한 구조로 연료(화살표 F)를 분사토록 구성될 수 있음은 물론이다.

상기 혼합부(40)는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 상기 연소부(10)와 일체로 형성되거나, 이외 실시 예로써 상기 연소부(10)와 별도의 부재로 형성되어 결합될 수 있다.

상기 혼합부(40)는 어떠한 구조로든 구성될 수 있으며, 특히 적어도 하나의 혼합용 홀(44)이 형성된 구획벽(42)에 의하여 상기 연소부(10)와 구획되도록 구성되는 것이 더욱 바람직하다.

이때, 상기 구획벽(42)은, 상기 연소부(10)로 흡입되는 공기(화살표 A)흐름에 대하여 수직 또는 경사지게 구성될 수 있으며, 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 유동저항 등에 의한 전압력 손실을 줄이기 위해 상기 연소부(10)로 흡입되는 공기(화살표 A)흐름과 대략 평행하게 구성될 수 있다.

그리고, 상기 혼합부(40)에 의한 혼합 후 경사충격파에 의한 유도점화에 의해 바로 연소가 이루어질 수 있도록, 상기 혼합부(40)는 상기 연소부(10)로 흡입되 는 공기(화살표 A)흐름을 따라, 상기 혼합용 홀(44)보다 상기 배출구(46)가 후류에 위치되도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉 상기 혼합부(40)에 의해 혼합된 연료(화살표 F)와 공기(화살표 A)가 상기 혼합부(40)의 배출구(46)에 의해 상기 연소부(10)의 배기노즐(20)를 향해 배출될 수 있다.

상기 혼합부(40)의 배출구(46)는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 상기 연소부(10)로 흡입되는 공기(화살표 A)흐름과 대략 평행하게 배출시킬 수 있으며, 이외 실시 예로써 상기 연소부(10)로 흡입되는 공기(화살표 A)흐름에 대하여 수직 또는 경사진 방향으로 배출시킬 수도 있다.

상기 같이 혼합부(40)를 구성하게 되면, 그 구조가 간단하여 본 발명에 의한 연소기의 전반적인 구조가 복잡하지 않고 간소해질 수 있으며, 이러한 간소한 구조로 인해 혼합효율은 증대되면서 전압력 손실은 줄어들 수 있고 제조성 및 비용적 측면에서 매우 유리하다 할 수 있다.

또한 상기 혼합부(40)에 혼합용 홀(44)이 형성됨으로써 혼합영역의 증대, 와류에 의한 연료-공기의 혼합이 적극적으로 이루어지며, 혼합용 홀(44)에 의해 발생하는 가진(Resonance)에 의한 미세혼합을 유도하며, 유동의 흐름을 완만하게 하여 혼합부에 의한 전압력 손실을 줄임으로써 엔진의 비추력을 높일 수 있다.

한편, 상기 혼합용 홀(44)은 도 2 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연소기의 구조, 공기(화살표 A)의 초음속, 연료(화살표 F)의 분사속도, 연료(화살표 F)의 종류 등 혼합조건에 따라, 하나 또는 다수 형성될 수 있으며, 다음과 같이 다양한 구조를 취할 수 있다.

상기 혼합용 홀(44)은 상기 연소실로 흡입되는 공기(화살표 A) 중 일부가 상기 혼합부(40)로 우회할 수 있도록 공기흡입방향과 상이한 방향으로 형성될 수 있다. 특히 공기(화살표 A)와 연료(화살표 F)의 혼합효율은 높이고 전압력 손실을 높이기 위해, 상기 혼합용 홀(44)은 공기흡입방향과 수직한 방향으로 형성될 수 있다.

또한 상기 혼합용 홀(44)은 공기(화살표 A)와 연료(화살표 F)의 혼합효율은 높이고 전압력 손실을 줄일 수 있다면, 그 단면의 크기가 일정하게 형성될 수 있을 뿐만 아니라(도 2 및 도 5 내지 도 7 참조), 상기 혼합부(40)의 내부로 가면서 확장되거나 축소되도록 형성될 수도 있다(도 3 및 도 4 참조).

나아가, 상기 혼합용 홀(44)은 확장 또는 축소되되, 연료(화살표 F)의 혼합효율은 높이고 전압력 손실을 줄일 수 있도록, 공기흡입방향을 따라, 그 단면의 선단과 후단 중 하나는 공기흡입방향에 대하여 수직하고, 그 나머지 하나는 경사지도록 형성될 수 있다(도 3 및 도 4 참조).

이때, 상기 혼합용 홀(44)은 공기(화살표 A)와 연료(화살표 F)의 혼합효율은 높이고 전압력 손실을 줄일 수 있다면, 상기 혼합용 홀(44)을 통과하는 공기(화살표 A)가 상기 연소부(10) 또는 연료분사부(30)를 향하도록 할 수 있다.

또한 상기 혼합용 홀(44)은 그 종단면이 원, 타원형, 사각형, 마름모, 삼각형(다각형) 등의 형상을 취하도록 형성될 수 있으며, 그 종단면의 형상이 가로 세로비(AR: aspect ratio)와 상기 혼합용 홀(44)의 위치 등을 고려하여 결정될 수 있다(도 6 참조).

또한 상기 혼합용 홀(44)은 다수 형성되는 경우, 공기흡입방향을 따라서 다수 열을 이루도록 형성될 수도 있고, 행 방향으로 다수 형성될 수도 있고, 다수 열 및 다수 행을 이루도록 형성될 수도 있고, 정형적으로 배열될 수도 있고(도 13 참조), 비정형적으로 배열될 수도 있다(도 10 참조).

이외에도 상기 혼합용 홀(44)은 상기 혼합효율을 높이되, 상기 전압력 손실을 줄일 수 있다면, 어떠한 구조를 취하든 무방하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 스크램제트엔진의 연소기의 연소과정에 관하여, 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 공기흡입부(20)를 통해 공기(화살표 A)가 초음속으로 흡입되고, 연료분사부(30)에 의해 연료(화살표 F)가 분사된다. 공기(화살표 A)와 연료(화살표 F)는 상기 연소부(10)를 향해 대략 직진으로 유동됨으로써 유동저항이 적어 전압력 손실이 줄어들 수 있다.

상기 같이 공기(화살표 A)가 흡입되고 연료(화살표 F)가 분사되면, 공기흡입부(20)를 통해 흡입된 공기(화살표 A) 중 일부가 상기 혼합용 홀(44)을 통해 상기 혼합부(40)에 유입됨으로써, 상기 혼합부(40)에서 일차적으로 연료(화살표 F)가 공기(화살표 A)가 혼합되면서 재순환하게 된다.

이때, 상기 혼합용 홀(44)을 통하여 유입되는 공기(화살표 A)의 속도는 마하수 1 이상으로 유입되기 때문에 연료(화살표 F)와 공기(화살표 A)가 혼합되면서 재순환되는 영역이 확대되어 적극적인 거시적 혼합이 이루어질 수 있다. 즉, 상기 혼합부(40)에서 연료(화살표 F)와 공기(화살표 A)가 일차적으로 혼합된 후, 상기 연 소부(10)에 공급되기 때문에 거시적인 면에서 연료(화살표 F)와 공기(화살표 A)의 빠른 혼합이 이루어질 수 있다. 또한 상기 혼합부(40)에서 상기 재순환영역이 증대됨으로써, 연료(화살표 F)의 연소기 내 잔류시간이 늘어날 수 있다.

그리고, 상기 혼합용 홀(44)이 공동(cavity)과 같은 역할을 함으로써, 공기흡입부(20) 측에서는 경사 충격파가 형성되고, 상기 혼합부(40)에서는 상기 혼합용 홀(44)에서의 가진에 의해 난류유동에 의한 미시적인 혼합이 충분히 이루어질 수 있다.

이와 아울러, 상기 혼합부(40)에 유입되는 공기(화살표 A)의 흐름방향이 바뀌고, 상기 혼합용 홀(44)의 구조에 따라 유동에 따른 주파수도 변하게 되어 공기(화살표 A)와 연료(화살표 F)의 거시적 또는 미시적 혼합이 더욱 증대된다.

따라서, 공기(화살표 A)와 연료(화살표 F)의 혼합효율이 높으면서, 그 혼합유동을 저항할 요소가 없어서 전압력손실은 줄일 수 있다.

한편, 상기 혼합유동은 후술할 실험결과에 기재된 바와 같이 상기 혼합부(40)의 벽면을 따라 상기 연소부(10)를 향해 유동되면서 역압력 구배에 의한 분리영역(separation zone)을 형성할 수 있기 때문에, 상기 연소부(10)로 유동되는 혼합유동의 흐름이 완만해질 수 있다.

이하, 첨부된 도 11 내지 도 15를 참조하여 본 발명에 의한 연소기의 수치해석 실험결과에 관하여 설명하면, 다음과 같다.

실험 결과를 설명함에 앞서 상기 혼합부(40)에 의한 유동장 특성을 분석하기 위해 상용코드인 Fastran 코드를 이용한 수치해석을 수행하였다. 난류 모델은 Menter의 SST -모델을 사용하였다. 공간 차분기법은 Roe의 FDS을 사용하여 차분하였고, Min-Mod 제한자를 사용하여 고차의 공간차분 정확도를 유지하였다. 시간적분 방법은 Fully Implicit Point Jacobi기법을 사용하였다.

도 11은 수치해석에 사용된 형상을 나타낸다. 즉 비교 자료로서 도 11의 (a)는 도 1b에 도시된 후면계단방식 모델이다. 이하, 설명의 편의를 위해 도 11의 (a)의 모델을 비교모델 1이라 한다. 도 11의 (b)는 이 후면 계단 방식 형상의 연장 효과를 알아보기 위해, 상기 구획벽(42)에 대응하는 벽면이 6 mm 연장되는 모델, 즉 연장된 벽면(We)이다. 이하, 설명의 편의를 위해 도 11의 (b)의 모델을 비교모델 2라 한다. 그리고, 도 11의 (c)는 본 발명의 모델로서, 도 11의 (b)와 같이 연장된 벽면(We) 중심지점에 길이 2mm의 상기 혼합용 홀(44)을 형성하였다. 이하, 설명의 편의를 위해 도 11의 (c)의 모델을 본발명 모델이라 한다.

수치해석 계산조건으로는 초음속 풍동장치의 작동조건을 자유유동 유입조건으로 하고, 마하수 1.92, 유동전압 P₀는 658.6 kPa, 전온도 T₀는 295.5 K하였으며, 벽면은 단열벽면 조건이고, 벽면 조건(wall function)을 고려하여 벽면에서의 격자간격은 1로 조밀하게 하였다.

도 12는, 상기의 수치해석 계산결과 동일한 조건에서, 초음속 유동장 내에서 공동(cavity)을 이용한 연료(화살표 F) 공기(화살표 A) 혼합 실험 자료 중 연료(화살표 F)를 분사하지 않았을 때의 슐리렌(Schlieren) 사진을 이용하여 코드 검증을 수행한 것을 보여준다.

즉, 도 12는 슐리렌 장치를 이용하여, 마하 1.92 초음속유동장 내에서 공동에 의한 유동 현상을 나타낸 슐리렌 유동 가시화 결과(도 12의 (a)참조)와, 같은 유입 조건에서 동일한 상용 코드를 통해 얻은 등밀도선을 비교한 사진(도 12(b) 참조)이다.

도 12의 (a)에 도시된 슐리렌 사진과 도 12의 (b)에 도시된 수치계산에 의한 등밀도선을 비교해 보면, 공동(cavity) 앞에서 형성된 전단층(shear layer)과 후면부에서의 재압축 충격파(recompression shock)발생 위치, 재압축 충격파 뒤 팽창파(expansion wave) 부분과 공동 후면에서 유동(Flow) 형상이 거의 동일하게 나타나는 것을 알 수 있다.

도 13의 (a),(b),(c)는 상기의 비교모델1,2 및 본발명 모델의 등밀도선을 나타낸다.

도 13의 (a)를 참조하면, 후면계단끝단(P1)부분에서 팽창파(E)가 형성되는 것을 볼 수 있고, 상기 혼합부(40)의 구획벽(42) 대향면인 후면계단 뒤 아래벽면(P2)부분에서 경사충격파(S)가 형성되고, 위 벽면과 충돌하는 지점에서 재순환영역(R)이 형성되는 것을 볼 수 있다. 도 13의 (b)를 참조하면, 연장된 벽면(We)이 형성된 만큼 팽창파(E)와 충격파(S)가 후류로 약 6mm 이동한 점을 제외하고는 도 13의 (a)와 전반적인 유동 형상이 비슷한 것을 알 수 있다. 도 13의 (c)에서는 상기 혼합용 홀(44)에서 충격파(S)가 형성되는 것을 볼 수 있는데, 하지만 후면에서의 팽창파(E) 영향으로 충격파(S)가 후류부로 전파되지 못하는 것을 알 수 있다.

즉, 도 13의 (a) 및 도 13의 (b)의 경우는 유동이 아래벽면(P2)부분에서 급 격히 휘어져서 강한 충격파(S)가 형성되지만, 도 13의 (c)의 경우에는 후면부로 완만하게 밀도 분포가 퍼져가는 것을 볼 수 있으며, 충격파(S)의 밀도분포 역시 도 13의 (a) 및 도 13의 (b)와 달리 조밀하지않는 것을 볼 수 있다. 또한 도 13의 (c)의 경우는 상기 혼합용 홀(44) 부분과 아래벽면(P2)부분사이에 밀도 분포가 높은 등밀도선이 존재하는 것을 볼 수 있는데, 이는 상기 혼합용 홀(44)을 통해 유동이 유입된다는 것을 의미한다. 다시 말해서, 상기 혼합부(40) 내로 유입되는 유동을 경계로 앞뒤 경계가 나눠지며, 이 지점에서 재순환영역(R)이 형성된다. 도 13의 (a) 및 도 13의 (b)의 경우 아래벽면(P2)부분으로 급격하게 경사졌던 등밀도선이 후류로 퍼지는 것과 달리, 도 13의 (c)의 경우 완만하게 후류로 퍼지는 것을 볼 수 있으며, 후방 경계층 또한 다른 두 모델의 경우보다 큰 것을 알 수 있다.

도 14는 연료(화살표 F)분사거리에 따른 압력 분포를 수치해석 실험한 결과를 나타낸다.

상기의 비교모델 1 및 비교모델 2의 경우, 전반적인 압력 분포가 유사하다. 다만, 비교모델 2는 비교모델 1의 압력분포를 우측으로 6mm 만큼 평행 이동시킨 것과 같은 분포를 보인다. 본발명 모델의 경우, 공기(화살표 A)유입으로 인해 시작부분에서 압력의 증감이 나타나며, 비교모델 1 및 비교모델 2와 달리 압력곡선이 완만하게 증가하다가 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 본발명 모델의 경우, 약 0.19m 지점에서 비교모델 1 및 비교모델 2에 비해 압력값이 낮은 것을 볼 수 있다. 이는 연장된 벽면(We)에서 반사된 충격파가 아래벽면(P2)부분에 다시 충돌하는 지점이 약 0.19 m 지점이며, 충격파의 강도가 약하기 때문에 압력값이 비교모델 1 및 비교 모델 2에 비해 작게 나오는 것이다.

도 14의 벽면압력분포를 토대로 분석을 하게 되면, 상기 혼합용 홀(44)이 형성됨으로써 전체적인 연소기 내 압력의 증감이 완만하게 되며 후류부에서 형성되는 충격파의 강도 또한 약화되는 것을 알 수 있다.

도 15는 혼합부(40)에서의 유선구조를 나타낸다.

도 15의 (a)는 비교모델 1로서, 후면계단끝단(P1)부분 뒤에서 큰 재순환영역(R)이 형성된 것을 볼 수 있다. 일반적으로 이 부분에서 연료(화살표 F)와 공기(화살표 A)의 혼합이 이루어지며, 후면계단끝단(P1)의 높이에 따라 재순환영역(R)의 크기가 변하여 후류부로 흘러가는 유동의 경사도가 달라진다.

도 15의 (b)에서는 크게 두 지점에서 재순환영역(R)이 형성된 것을 볼 수 있다. 연장된 벽면(We)의 길이만큼 재순환영역(R)이 확대되며, 후류부에서의 유선구조는 비교모델 1에서의 유선구조와 유사하다.

도 15의 (c)의 경우, 비교모델 1 및 비교모델 2와 달리 복잡한 유선구조를 보이고 있다. 즉, 상기 혼합용 홀(44) 부분에서 주유동의 유입과 함께 1차 재순환영역(R)이 형성되며, 상기 혼합용 홀(44)을 통해 유입된 유동에 의해 전후 두 지점에서 재순환영역(R)이 형성된다. 전반부에 위치한 재순환영역(R)은 도 15의 (b)의 재순환영역(R)에 비해 활발한 순환을 보이는 것을 확인할 수 있다. 후반부 재순환영역(R)에서 유동 방향은 역방향과 후류방향으로 분리가 된다. 주유동 방향에 대해 역방향으로 흐르는 유동은 후반부 재순환영역(R)으로 다시 흘러들어가거나 주유동 경계면을 따라 흐르게 된다. 후류부로 흐르는 유동은 역방향 유동에 의해 팽창하게 되며, 이 지점에서 역압력 구배가 발생하여 후류 벽면에서 박리영역이 형성되게 된다. 이렇게 형성된 박리 영역에서 재순환영역(R)이 형성되는 것을 볼 수 있다. 특히 이 지점은 전체적인 재순환영역(R)을 증가시키는 역할을 하여 도 13의 (c)에서와 같이 후류부 유동의 흐름을 완만하게 하고, 도 14의 압력 분포도에서처럼 혼합기 후면부에서 형성되는 충격파의 강도를 약화시키는 역할을 하게 된다.

상기와 같이 본 발명에 의한 연소기의 혼합부(40)(vent mixer)에서 혼합용 홀(44)에 의한 유동 특성을 수치해석을 통하여 분석한 결과를 정리하면, 다음과 같다.

상기 혼합용 홀(44)에서 형성된 충격파는 상기 혼합부(40) 끝단의 팽창파에 의해 후류로 전파되지 못하며, 상기 혼합부(40) 끝단에서 후류부로 흐르는 유동의 경사가 완만하여 비교모델 1 및 비교모델 2에 비해 약한 충격파가 형성됨을 알 수 있다. 상기 혼합용 홀(44)을 통해 유입된 공기(화살표 A)는 상기 혼합부(40) 내에 여러 재순환영역을 형성하며, 후류부에서의 재순환영역은 유동의 진행을 완만하게 하여, 후류부의 경계층과 재순환영역을 증가시키며 충격파의 강도를 완화시키는 역할을 한다. 전반적으로 상기 혼합부(40)는 연료(화살표 F)와 공기(화살표 A)가 혼합될 수 있는 영역은 증대시키면서 충격파에 의한 압력 손실은 줄여준다. 이를 토대로 상기 혼합부(40)는 기존의 초음속 혼합기와 달리 혼합 효율을 증대시키면서 전압력 손실은 낮출 수 있음을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 연소기는 상술한 바와 같이 스크램제트엔진에 한정되지 않으며, 일반적인 램제트엔진, 가스터빈엔진, 액체로켓, 산업용 연소기 등, 재 순환영역이 필요한 연소기에 응용 가능함은 물론이다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 의한 혼합방식을 보여주는 도면이다.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 의한 연소기 및 이를 포함하는 엔진의 구성도이다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 의한 혼합용 홀의 다양한 실시예들을 보여주는 도면이다.

도 11은 수치해석실험을 위한 본 발명 모델과 비교모델 1, 2를 보여주는 도면이다.

도 12는 슐리렌 유동 가시화 결과와, 수치해석실험에 의한 등밀도선의 비교 도면이다.

도 13은 수치해석실험에 의한 등밀도선이다.

도 14는 수치해석실험에 의한 압력분포 그래프이다.

도 15는 수치해석실험에 의한 유선구조를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10; 연소부 20; 배기노즐

30; 연료분사부 40; 혼합부

42; 구획벽 44; 혼합용 홀

46; 배출구

Claims (12)

1. 공기흡입부를 통하여 공기가 흡입되어 흡입된 공기와 연료의 연소가 이루어지고, 배기를 위한 배기노즐을 갖는 연소부와;

   상기 연소부로 흡입되는 공기 일부를 적어도 하나의 혼합용 홀을 통해 유입하여 연료와 혼합시킨 후, 배출구를 통해 상기 연소부로 배출하는 혼합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연소기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 혼합부는 상기 연소부로 흡입된 공기흐름을 따라, 상기 혼합용 홀보다 상기 배출구가 후류에 위치되는 것을 특징으로 하는 연소기.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 혼합부는 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름과 평행한 구획벽에 의해 상기 연소부와 구획되고, 상기 구획벽에는 상기 혼합용 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 혼합용 홀은 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름과 경사를 이루거나 수직을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 혼합용 홀은 상기 혼합부의 내부로 가면서 확장되거나 축소되는 것을 특징으로 하는 연소기.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 혼합용 홀은 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름을 따라, 그 단면의 선단과 후단 중 하나는 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름에 대하여 수직하고, 그 나머지 하나는 경사진 것을 특징으로 하는 연소기.
7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연소부는 상기 연소부로 흡입되는 공기흐름과 수직을 이루는 내주면의 형상이 다각형, 타원형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 연소기.
8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 혼합용 홀은 내주면의 형상이 다각형, 타원형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 연소기.
9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항의 연소기를 포함하는 스크램제트엔진.
10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항의 연소기를 포함하는 가스터빈엔진.
11. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항의 연소기를 포함하는 램제트엔진.
12. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항의 연소기를 포함하는 산업용 연소기엔진.

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