KR20160021381A - 가스 유량 조절기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 유량 조절기에 관한 것으로, 특히 하우징의 내부에 공급되는 유압 또는 공기압을 통해 슬라이딩 동작하는 유량조절밸브를 구비하여 가스발생기인 하우징에서 발생 된 연소가스 또는 미연소가스의 배출유량이 조절되도록 함으로써, 연소 효율을 향상시키고 로켓의 추력 제어를 용이하게 이루도록 하는 가스 유량 조절기에 관한 것이다. 구성은 가스 유량 조절기로서, 내부 일 측 중앙에 축 방향으로 깊이를 갖는 밸브 수용 홈이 형성되고, 상기 밸브 수용 홈의 일 측으로는 아크 형상의 가스분출구가 복수 개 형성되는 하우징과; 상기 밸브 수용 홈으로 슬라이딩 동작가능하도록 결합 되고, 중간 부분으로는 하우징 내부에서 발생된 고온 고압의 농후한 연소가스 또는 미연소가스의 배출을 위한 하나 이상의 가스 유로가 형성되는 유량조절밸브와; 상기 하우징의 외면에 형성되고 아치 형태를 이루며 초음속으로 분출되는 가스를 아음속으로 유도하는 유체혼합 탑; 을 포함하여 이루어진다.

Description

가스 유량 조절기{A Gas flow adjuster}

본 발명은 가스 유량 조절기에 관한 것으로, 특히 하우징의 내부에 공급되는 유압 또는 공기압을 통해 슬라이딩 동작하는 유량조절밸브를 구비하여 가스발생기인 하우징에서 발생 된 연소가스 또는 미연소가스의 배출유량이 조절되도록 함으로써, 연소 효율을 향상시키고 로켓의 추력 제어를 용이하게 이루도록 하는 가스 유량 조절기에 관한 것이다.

일반적으로 로켓 또는 램제트 엔진(ramjet engine : 램 압으로 압축된 공기 속에 가스를 분사하여 연소시켜, 연소 가스를 직접 분출하는 제트 기관 또는, 고속비행 중의 발생하는 램압력에 의한 유입 공기압으로 공기를 압축하는 제트 엔진을 말한다.)의 추진력을 얻기 위해 연소가스 또는 미연소가스와 공기 또는 산화제를 혼합하여 연소 및 분출하는데 연소실에 공급되는 가스의 유량을 조절하기 위한 가스 유량 조절기가 설치된다.

그러나 종래의 가스 유량 조절기는 밸브 신호를 입력받아서 모터에 의해 윈도우를 개방하게 되는 방식으로 유량을 조절하게 되므로 1차 연소가스의 비대칭 분사로 인해 가스와 공기 또는 산화제의 균일한 혼합이 어려우며, 슬러그가 침적되어 가스분출구의 면적 감소로 인해 정밀한 제어가 어려워지는 문제점이 있었다.

또, 종래의 가스 유량 조절기는 슬라이딩 동작하는 유량조절밸브 각도가 편향되거나 예각(銳角 : 0°보다 크고, 90°보다 작은 각.)을 이루므로 밸브 각도에 따른 연소가스 또는 미연소가스 발생기의 압력 변화로 균일한 분사가 이루어지지 않는 문제점이 있다.

또한, 종래의 가스 유량 조절기는 가스와 공기의 혼합이 고르고 원활하게 이루어지지 않아 연소효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고체연료에서 연소된 가스 또는 미연소된 가스의 유량을 조절하여 추력과 연소실 압력 제어를 용이하게 하여 원활한 안티버즈(anti-buzz) 제어가 가능하게 함과 동시에 연소가스 또는 미연소가스와 공기의 고른 혼합으로 연소 효율을 향상시키도록 하는 가스 유량 조절기를 제공하는 것이다

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가스 유량 조절기로서, 내부 일 측 중앙에 축 방향으로 깊이를 갖는 밸브 수용 홈이 형성되고, 상기 밸브 수용 홈의 일 측으로는 아크 형상의 가스분출구가 복수 개 형성되는 하우징과; 상기 밸브 수용 홈으로 슬라이딩 동작가능하도록 결합 되고, 중간 부분으로는 하우징 내부에서 발생된 고온 고압의 농후한 연소가스 또는 미연소가스의 배출을 위한 하나 이상의 가스 유로가 형성되는 유량조절밸브와; 상기 하우징의 외면에 형성되고 아치 형태를 이루며 초음속으로 분출되는 가스를 아음속으로 유도하는 유체혼합 탑; 을 포함하여 이루어진다.

상기 밸브 수용 홈의 일 측으로는 상기 유량조절밸브의 이동을 제어하기 위한 유체공급로가 형성된다.

상기 가스 유로의 바깥 측으로는 공기 흡입구의 폭에 대응되는 길이로 높이를 갖는 아크 형상의 가스분출구가 형성된다.

상기 가스 유로는 연소가스 또는 미연소가스의 배출을 일 측 방향으로 이루어지도록 상기 도넛 형태의 원주면 일 측으로만 형성된다.

상기 유체혼합 탑은 가스 유로 및 가스분출구와 직교하는 방향으로 설치된다.

상기 유체혼합 탑의 외 측으로는 공기 흡입구가 형성되고 상기 공기 흡입구는 상기 하우징의 외 측으로 상호 90°를 이루도록 2개가 형성되며, 상기 각 공기 흡입구의 내측으로는 유체혼합 탑이 복수 개 형성된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 축 방향으로 이동하면서 가스 유로의 개폐 면적을 조절하는 유량조절밸브를 통해 가스분출구 주변으로 침적된 슬러지를 제거하고 초킹 되는 면적에서의 유량을 정확히 제어할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명은 유입되는 공기와 연소가스 또는 미연소된 가스를 혼합하는 유체혼합 탑을 통해 초음속으로 분사된 가스와 공기의 혼합특성을 향상시켜 연소실에서의 2차 연소효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 유체혼합 탑을 통해 덕티드 로켓의 고체 추진제에서 발생된 연소가스 또는 미연소가스와 공기 흡입구를 통해 유입된 공기와의 혼합을 고르고 원활하게 이루어지도록 함으로써, 안티버즈(anti-buzz)를 제어하여 연소효율을 향상시켜 로켓의 연소실 길이를 감소시키고 로켓의 사거리 증대 및 유도 조종성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 미연소가스 유량 조절을 통해 연소실 압력 조절을 가능하게 하고 공기 흡입구 성능인 안티버즈(anti-buzz)도 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 유량 조절기의 일부 분리 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 결합 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A선 요부단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B선 요부단면도이다.
도 5는 도 3의 C-C선 요부단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 유량 조절기의 작용 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 가스 유량 조절기의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1 내지, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 가스 유량 조절기(100)는 하우징(110)과 유량조절밸브(120) 및 유체혼합 탑(130)으로 대별되어 이루어진다.

상기 하우징(110)은 내부 일 측 중앙에 축 방향으로 깊이를 갖는 밸브 수용 홈(111)이 형성되고, 상기 밸브 수용 홈(111)의 일 측으로는 아크 형상의 가스분출구(112)가 복수 개 형성된다.

여기서, 상기 밸브 수용 홈(111)의 일 측으로는 상기 유량조절밸브(120)의 이동을 제어하기 위한 유체공급로(111a)가 형성된다.

그리고, 상기 하우징(110)의 일 측으로는 연소가스 또는 미연소가스의 원활한 연소를 위한 공기 흡입구(113)가 형성된다.

상기 공기 흡입구(113)는 상기 각 가스분출구(112)에 대응되는 외 측으로 복수 개가 형성된다.

상기 가스분출구(112)는 분출되는 연소가스 또는 미연소가스를 원활하고 용이하게 배출시킬 수 있도록 내측에 비해 외 측이 넓게 개략 사다리꼴 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

또, 상기 가스분출구(112)는 분출되는 가스와 유입되는 공기와의 원활한 혼합을 이루도록 공기 흡입구(113)의 폭에 대응되는 길이와 높이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 유량조절밸브(120)는 상기 밸브 수용 홈(111)으로 슬라이딩 동작가능하도록 결합 되고, 중간 부분으로는 하우징(110) 내부에서 발생된 고온 고압의 농후한 연소가스 또는 미연소가스의 배출을 위한 하나 이상의 가스 유로(121)가 형성된다.

상기 가스 유로(121)가 형성되는 유량조절밸브(120)의 중간 부분은 단면이 개략 도넛 형태를 이루도록 형성된다.

그리고, 상기 가스 유로(121)는 연소가스 또는 미연소가스의 배출을 일 측 방향으로 이루어지도록 상기 도넛 형태의 원주면 일 측으로만 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 구성의 상기 유량조절밸브(120)는, 예컨대 상기 유체공급로(111a)로 공기압(압축 공기) 또는 유압의 공급시, 하우징(110)에서 생성된 연소압력의 차이에 의하여 축 방향(좌,우 또는 전,후)으로 이동하면서 상기 가스 유로(121)와 가스분출구(112)의 개폐 면적을 조절하게 된다.

즉, 상기 유량조절밸브(120)가 좌측 또는 전방으로 이동하여 가스 유로(121) 및 가스분출구(111)의 가스 분출 면적이 좁아지면 상기 하우징(110)의 압력은 증가하여 가스 유로(121) 및 가스분출구(112)를 통하여 배출되는 연소가스 또는 미연소가스의 유량은 증가하게 되므로 이를 통해서 로켓의 추력(thrust : 주행물체나 비행물체를 진행방향으로 밀고 나아가는 힘.)이 증가한다.

반대로, 상기 유량조절밸브(120)가 우측 또는 후방으로 이동하여 가스 유로(121) 및 가스분출구(112)의 가스 분출 면적이 넓어지면 상기 하우징(110)의 압력은 감소하여 가스 유로(121) 및 가스분출구(112)를 통하여 배출되는 연소가스 또는 미연소가스의 유량은 감소하게 되므로 로켓의 추력(thrust : 주행물체나 비행물체를 진행방향으로 밀고 나아가는 힘.)은 감소하게 된다.

이와 같이, 상기 유량조절밸브(120)의 장착으로 인해 상기 하우징(110)에서 연소되거나 미연소된 가스의 배출 유량을 조절하여 추력을 증가시키거나 감소시켜 로켓을 원하는 사거리로 보낼 수 있도록 제어할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 가스 유로(121)의 가스 분출 면적 조절로 인해 초킹(choking : 가스체에 압력차가 있으면 흐름이 생긴다. 그러나 압력비를 증가시키면 유로(流路)의 최소 단면에서의 유속(流速)은 증가하되, 그 속도가 음속(音速)에 달하면 그 이상 증가하지 않는데 이 현상을 말한다.) 현상을 유도하여 마하수 1의 제트류(초음속)를 분사시켜 상기 가스분출구(112) 주변으로 침적된 슬러지를 제거하고 초킹되는 면적에서의 유량을 정확히 제어할 수 있게 된다.

상기 유체혼합 탑(130)은 상기 하우징(110)의 외면에 형성되고 아치 형태를 이루며 초음속으로 분출되는 가스를 아음속으로 유도하는 역할을 한다.

또, 상기 유체혼합 탑(130)은 개략 “ㄱ”자 형태의 곡면으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 유체혼합 탑(130)은 상기 가스 유로(121) 및 가스분출구(112)와 개략 직교하는 방향으로 설치되는 것이 바람직하다.

또, 상기 유체혼합 탑(130)의 외 측으로는 공기 흡입구(113)가 유체혼합 탑(130)을 감싸도록 형성된다.

여기서, 상기 공기 흡입구(113)는 상기 하우징(110)의 외 측으로 상호 90°를 이루도록 2개가 형성되고, 상기 각 공기 흡입구(140)의 내측으로는 유체혼합 탑(130)이 복수 개 형성하는 것이 연소가스 또는 미연소가스와 공기의 혼합을 더욱더 효율적으로 이루게 할 수 있다.

또, 상기 유체혼합 탑(130)은 높이와 폭 및 설치 개수는 로켓의 설계 사양에 따라 적절하게 가감형성할 수 있다.

그리고, 상기 유체혼합 탑(130)의 단면 형상은 개략 상어와 같은 어류의 지느러미(shark's fin) 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 구성의 상기 유체혼합 탑(130)은 상기 가스 유로(121)와 가스분출구(112)를 통해 분출되는 연소가스 또는 미연소가스의 속도를 충돌에 의해 초음속에서 아음속(subsonic speed :유체의 속도가 그 유체 속을 전파하는 음파의 속도보다 느릴 때 그 흐름의 속도. 일반적으로 운동하는 물체에 대해 그 속도가 음속보다 느리냐 빠르냐에 따라 각기 아음속 또는 초음속이라고 한다.)으로 감속시키고, 흡입 공기 유동시 와류를 형성시킴으로써 혼합 효율을 극대화하여 공기 연료 혼합비 및 연소안정성을 확보할 수 있게 된다.

즉, 상기 가스 유로(121)와 가스분출구(112)를 통해 분출되는 연소가스 또는 미연소가스가 유체혼합 탑(130)의 내측으로 형성된 곡면과 충돌하면서 속도가 줄어 아음속이 되고, 아음속으로 감속된 연소가스 또는 미연소가스는 유체혼합 탑(130)의 곡면을 따라 전파되면서 유입되는 아음속 공기와 접촉하면서 와류(Vortex, Eddy current : 유체의 회전운동에 의하여 주류와 반대 방향으로 소용돌이치는 흐름. 또는 강하게 회전하면서 흐르는 유체의 형태를 소용돌이 혹은 와류라 부름)현상을 발생시켜 신속하고 고르게 혼합된다.

이에 따라, 연소가스 또는 미연소가스와 공기와의 혼합 효율을 증대시켜 연소실에서의 연소 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 가스 유로(121)의 면적 변화는 고체연료에서 연소된 가스의 유량을 조절하여 연소실 압력 제어를 가능하게 함으로써 안티버즈(anti-buzz : 충격파가 공기 흡입구 앞으로 나와 공기구멍을 막아 공기의 흡입이 안되는 현상) 제어를 용이하게 할 수 있다.

상기 가스 유로(121)의 면적 변화가 형성되지 않을 경우 상기 가스 유로(121)와 가스 분출구(112)를 통해 분사되는 연소가스 또는 미연소가스가 이차 연소로 발생되는 연소실 압력 조절이 안되기 때문에 공기 흡입구의 수직 충격파가 공기 흡입구(113) 전방으로 이탈되면서 공기의 흡입이 제대로 이루어지지 않기 때문에 연소가스와 공기의 혼합이 원활하게 이루어지지 않으므로 연소 효율을 향상시킬 수 없게 된다.

즉, 상기 유체혼합 탑(130)이 형성되지 않을 경우 상기 가스 유로(121)와 가스 분출구(112)를 통해 분사되는 연소가스 또는 미연소가스의 충격파가 공기 흡입구(113) 전방으로 확산 되면 공기의 흡입이 제대로 이루어지지 않기 때문에 연소가스와 공기의 혼합이 안되므로 연소 효율을 향상시킬 수 없게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 가스 유량 조절기(100)가 장착된 로켓 또는 램 제트 엔진(ramjet engine)의 추력을 얻기 위해 가스발생기인 하우징(110)을 통해 발생 되는 연소가스 또는 미연소가스의 유량을 조절하도록 상기 밸브 수용 홈(111)의 유체공급로(111a)로 설계된 압력으로 유압 또는 공기압을 공급하거나 배출시킨다.

이와 동시에, 상기 유량조절밸브(120)가 유압 또는 공기압에 의해 수평 축 방향으로 전,후진 이동하여 상기 가스 유로(121)와 가스분출구(112)의 가스 분출 면적을 좁히거나 넓히도록 조절하게 된다.

즉, 상기 유량조절밸브(120)가 좌측 또는 전방으로 이동하여 가스 유로(121)의 간격이 좁아지면 상기 하우징(110)의 압력은 증가하여 가스 유로(121)를 통하여 배출되는 연소가스 또는 미연소가스의 유량은 증가하게 되므로 이를 통해서 로켓의 추력(thrust)이 증가한다.

반대로, 상기 유량조절밸브(120)가 우측 또는 후방으로 이동하여 가스 유로(121)와 가스분출구(112)의 가스분출면적이 넓어지면 상기 하우징(110)의 압력은 감소하여 가스 유로(121)를 통하여 분출되는 연소가스 또는 미연소가스의 유량은 감소하게 되므로 로켓의 추력(thrust)은 감소하게 된다.

이와 같이 상기 가스발생기인 하우징(110)에서 연소가스 또는 미연소된 가스의 분출 유량을 조절하여 추력을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

계속해서, 초음속으로 배출되는 연소가스 또는 미연소가스는 상기 유체혼합 탑(130)과 접촉하면서 아음속으로 속도가 줄어들게 되고 동시에 공기 흡입구(113)를 통해서 유입된 공기와 접촉하면서 와류를 생성하여 고르게 혼합됨과 동시에 미연소가스 (연료) 유량 조절을 통해 연소압 제어를 가능하게 하여 충격파가 공기 흡입구(113) 전방으로 진행되지 않도록 제어하게 된다

그리고, 공기와 고르게 혼합된 연소가스 또는 미연소가스는 연소효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 가스 유량 조절기는 이와 같은 작용을 함으로써 로켓 또는 램제트 엔진의 연소실에 공급되는 연소가스 또는 미연소가스와 공기의 혼합 효율 증대로 완전연소를 이루도록 하여 추진효율을 향상시킴과 동시에 로켓의 연소실 길이를 감소시키며 이로 인해 로켓의 사거리 증대 및 유도 조종성을 향상시킬 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 가스 유량 조절기 110 : 하우징
111 : 밸브 수용 홈 111a : 유체공급로
112 : 가스 분출구 113 : 공기 흡입구
120 : 유량조절밸브 121 : 가스 유로
130 : 유체혼합 탑

Claims (6)

1. 가스 유량 조절기로서,
   내부 일 측 중앙에 축 방향으로 깊이를 갖는 밸브 수용 홈이 형성되고, 상기 밸브 수용 홈의 일 측으로는 아크 형상의 가스분출구가 복수 개 형성되는 하우징과;
   상기 밸브 수용 홈으로 슬라이딩 동작가능하도록 결합 되고, 중간 부분으로는 하우징 내부에서 발생된 고온 고압의 농후한 연소가스 또는 미연소가스의 배출을 위한 하나 이상의 가스 유로가 형성되는 유량조절밸브와;
   상기 하우징의 외면에 형성되고 아치 형태를 이루며 초음속으로 분출되는 가스를 아음속으로 유도하는 유체혼합 탑; 을 포함하여 이루어지는 가스 유량 조절기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 밸브 수용 홈의 일 측으로는 상기 유량조절밸브의 이동을 제어하기 위한 유체공급로가 형성되는 가스 유량 조절기.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스 유로의 바깥 측으로는 공기 흡입구의 폭에 대응되는 길이로 높이를 갖는 아크 형상의 가스분출구가 형성되는 가스 유량 조절기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스 유로는 연소가스 또는 미연소가스의 배출을 일 측 방향으로 이루어지도록 상기 도넛 형태의 원주면 일 측으로만 형성되는 가스 유량 조절기.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 유체혼합 탑은 가스 유로 및 가스분출구와 직교하는 방향으로 설치되는 가스 유량 조절기.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 유체혼합 탑의 외 측으로는 공기 흡입구가 형성되고 상기 공기 흡입구는 상기 하우징의 외 측으로 상호 90°를 이루도록 2개가 형성되며, 상기 각 공기 흡입구의 내측으로는 유체혼합 탑이 복수 개 형성되는 가스 유량 조절기.

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