KR20160070394A

KR20160070394A - 추력기용 핀틀 인젝터

Info

Publication number: KR20160070394A
Application number: KR1020140177263A
Authority: KR
Inventors: 김형모; 박부민
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-06-20

Abstract

본 발명은 연료 및 산화제 중 어느 하나가 축 방향으로 공급되는 핀틀 포스트와, 상기 핀틀 포스트의 외곽에 형성되며 연료 및 산화제 중 다른 하나가 공급되는 환형 갭과, 상기 핀틀 포스트 내부의 유체를 상기 핀틀 포스트의 외곽으로 배출시키도록 상기 핀틀 포스트의 외주에 형성되는 복수의 관통 슬릿을 포함하고, 상기 관통 슬릿은 일정 간격만큼 이격되게 배열되되, 상기 축 방향에 대해 일정 각도 경사진 형태를 갖는 것을 특징으로 추력기용 핀틀 인젝터를 개시한다.

Description

추력기용 핀틀 인젝터 {PINTLE INJECTOR FOR THRUSTER}

본 발명은 추력기의 연소실에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 추력기용 인젝터에 관한 것으로서, 구체적으로 연소 효율을 증대시키도록 연료와 산화제가 충돌시켜 미립화킬 수 있는 구조의 핀틀 인젝터에 관한 것이다.

추력기에 적용되는 핀틀 인젝터(Pintle Injector)는 추력 제어의 용이성 때문에 1960년대 아폴로 달착륙선에 활용된 이래 발사체용 고추력 엔진에 이르기까지 다양한 용도로 활용되고 있다.

도 1은 일반적인 형태의 추력기용 핀틀 인젝터의 구조 및 작동 상태를 도시한 도면이다.

도 1과 같이, 핀틀 인젝터는 핀틀 포스트(Pintle Post, 11), 환형 갭(Annular Gap, 12), 관통홀(13)을 포함하는 구성을 갖는다.

핀틀 포스트(11)는 내부에 유체가 흐르는 공간을 구비한 실린더의 형태로서 한 쪽 끝이 막힌 구조를 가지며, 핀틀 포스트(11)의 내부로는 외부에서 공급된 연료(14)가 축 방향으로 공급된다. 환형 갭(12)은 핀틀 포스트(11)와 그 외곽 구조물(20)의 사이에 형성되며, 환형 갭(12)을 통해서 산화제(15)가 축 방향으로 공급된다. 관통홀(13)은 핀틀 포스트(11)의 외주에 복수로 형성되며, 핀틀 포스트(11) 내부의 연료(14)가 핀틀 포스트(11)의 외부 공간을 배출되는 공간을 제공한다.

핀틀 포스트(11)의 관통홀(13)을 통해 연료(14)가 반경 방향으로 토출되고, 이는 핀틀 포스트(11) 외곽에서 흐르고 있는 산화제(15)와 충돌하면서 연료 및 산화제가 미립화된다.

도 2는 일반적인 인젝터가 복수개 적용된 연소실 내 유동 패턴(a)과 핀틀 인젝터가 적용된 연소실 유동 패턴(b)을 비교한 것으로서, 핀틀 인젝터가 적용된 구조의 경우 연소장 내부에서 재순환되는 2차 유동이 발생하는 것을 알 수 있으며, 이로 인한 열적 교환으로 인해 일반적인 인젝터 대비 큰 연소 안정성이 큰 이점이 있다.

핀틀 포스트(11) 외주에 형성된 관통홀(13)은 일반적으로 원형, 사각형의 형태를 가지는데, 관통홀(13)을 통한 연료 분사량을 최대한 증가시키기 위해 관통홀(13)을 최대한 많이 형성하여야 한다. 그러나 관통홀(13)을 최대한 많이 형성할 수록 관통홀(13) 사이의 간격은 좁아질 수밖에 없으며, 이러한 구조는 연소실 내에서 발생하는 열에 의해 변형되거나 손상되는 등 열적 안정성이 떨어질 수밖에 없다. 도 3의 사진은 원형홀 형태의 관통홀(13)이 형성된 구조로서, 관통홀(13) 사이의 간격이 좁은 구조로 인해 핀틀 포스트(11)에 열적 손상이 발생한 것을 나타내고 있다.

미국특허공보 제3,699,772호 (1972.10.24)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 추력기용 핀틀 인젝터의 열적 안정성을 높이면서도 핀틀 포스트 외부로의 분사 비율을 증가시켜 연료와 산화제 사이의 충돌량을 증가시킬 수 있는 핀틀 인젝터를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 연료 및 산화제 중 어느 하나가 축 방향으로 공급되는 핀틀 포스트와, 상기 핀틀 포스트의 외곽에 형성되며 연료 및 산화제 중 다른 하나가 공급되는 환형 갭과, 상기 핀틀 포스트 내부의 유체를 상기 핀틀 포스트의 외곽으로 배출시키도록 상기 핀틀 포스트의 외주에 형성되는 복수의 관통 슬릿을 포함하고, 상기 관통 슬릿은 일정 간격만큼 이격되게 배열되되, 상기 축 방향에 대해 일정 각도 경사진 형태를 갖는 것을 특징으로 추력기용 핀틀 인젝터를 개시한다.

본 발명의 추력기용 핀틀 인젝터에 따르면, 상기 관통 슬릿은 인접한 관통 슬릿과 상기 축 방향을 따라 중첩된 영역을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서 상기 관통 슬릿은 평행사변형의 형태를 가질 수 있으며, 이러한 경우 상기 복수의 관통 슬릿은 상기 평형사변형의 밑변이 인접한 평행사변형의 윗변과 중첩되도록 배열될 수 있다.

본 발명의 추력기용 핀틀 인젝터는, 상기 핀틀 포스트에 대해 직선 이동 가능하게 설치되며 슬라이드 이동에 따라 상기 관통 슬릿의 개방 면적을 조절하는 슬라이더를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 추력기용 핀틀 인젝터에 따르면, 상기 핀틀 포스트를 수용하며 상기 환형 갭으로 유체를 공급하기 위한 매니폴드가 형성되는 인젝터 케이스가 추가로 구비될 수 있으며, 이러한 경우 상기 슬라이더는 이동에 따라 상기 환형 갭의 개방 면적을 조절하도록 구성될 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 핀틀 포스트의 개구부 구조로서 일정 각도 경사진 관통 슬릿 구조를 적용함으로써 개구부 사이에 일정 이상의 간격을 확보할 수 있으면서도 블로키지 팩터를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 관통 슬릿 사이의 축 방향 중첩 구조를 통해 연체의 분사량을 보다 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 연료와 산화제의 충돌량을 더욱 증가시킬 수 있다.

나아가 슬라이더를 추가로 설치한 핀틀 인젝터의 경우, 슬라이더를 이용하여 관통 슬릿의 개방 면적을 선형적으로 제어할 수 있기 때문에, 연료와 산화제의 충돌 정도에 대한 제어 용이성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 형태의 추력기용 핀틀 인젝터를 나타낸 도면.
도 2는 일반적인 인젝터가 복수개 적용된 경우와 핀틀 인젝터가 적용된 경우의 연소실 내 유동 패턴을 비교한 도면.
도 3은 핀틀 인젝터의 핀틀 포스트에 열적 손상이 발생한 것을 예시한 사진.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력기용 핀틀 인젝터를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 추력기용 핀틀 인젝터를 나타낸 도면.
도 6은 도 5의 핀틀 인젝터의 작동 상태를 나타낸 도면.

이하, 본 발명과 관련된 추력기용 핀틀 인젝터에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력기용 핀틀 인젝터를 나타낸 도면이다.

도 4와 같이, 본 발명의 추력기용 핀틀 인젝터는 핀틀 포스트(110), 환형 갭(120), 관통 슬릿(130)을 포함하는 구성을 갖는다.

핀틀 포스트(110)는 내부에 유체가 흐르는 공간을 구비한 실린더의 형태로서 한 쪽 끝이 막힌 구조를 가지며, 연소장 방향으로 돌출된 구조를 갖는다. 핀틀 포스트(110)의 내부로는 외부에서 공급된 연료(140)가 축 방향, 즉, 핀틀 포스트(110)의 길이 방향으로 공급된다.

환형 갭(120)은 핀틀 포스트(110)의 외곽에 형성되며, 환형 갭(120)을 통해서 산화제(150)가 축 방향으로 공급된다. 환형 갭(120)은 핀틀 포스트(110)와 그 외곽의 구조물, 예를 들어 인젝터 케이스(200, 또는 플레이트) 사이의 틈을 말한다. 이상에서는 핀틀 포스트(110)를 통해 연료(140)가, 환형 갭(120)을 통해 산화제(150)가 공급되는 것을 예로 들었으나 그 반대의 경우도 가능하다.

관통 슬릿(130)은 핀틀 포스트(110)의 외주에 형성되어 핀틀 포스트(110) 내부의 유체(본 실시예의 경우 연료)가 핀틀 포스트(111)의 외곽으로 배출되는 공간을 제공한다. 복수의 관통 슬릿(130)은 서로 일정 간격만큼 이격되게 배열되되, 축 방향에 대해 일정 각도 경사진 형태를 갖는 갖는다.

핀틀 포스트(110)의 관통 슬릿(130)을 통해 연료(140)가 반경 방향으로 토출되고, 이는 핀틀 포스트(110) 외곽에서 축 방향을 따라 흐르고 있는 산화제(150)와 충돌하면서 연료 및 산화제(140,150)가 미립화된다. 이 때 연료(140)와 산화제(150)가 만나는 기하학적 충돌비를 블로키지 팩터(Blockage Factor)라 하고, 블로키지 팩터는 핀틀 포스트(110)의 둘레 길이에 대해 연료(140)가 실제로 분사되는 공간의 길이로 정의된다. (Blockage factor = 유효 radial line / 전체 annular line)

도 1에 나타난 핀틀 인젝터(10)의 블로키지 팩터는 '관통홀(13)의 직경(폭)을 모두 합한 값 / 핀틀 포스트의 외주 길이'에 해당하는 값을 가질 것이다. 이 때 관통홀(13) 사이의 간격이 증가시킬수록 블록키지 팩터가 감소되는 문제가 있고, 간격을 감소시킬수록 열적 손상이 발생할 확률이 증가하는 것이다.

본 발명은 단변과 장변으로 이루어진 형태의 관통 슬릿(130)을 일정 각도로 경사지게 형성함으로써 유체가 통과하는 개구부(opening) 사이에 일정 이상의 간격을 확보할 수 있으면서도 블로키지 팩터를 증가시킬 수 있는 구조를 제공한다. 또한 슬릿의 경사진 구조를 통해 연소실 내에 유동의 원주 방향 스월 성분을 유도함으로써 재순환 영역(도 2의 A)을 기존보다 강화시킬 수 있는 이점이 있다.

관통 슬릿(130)은 인접한 관통 슬릿(130)과 축 방향을 따라 충첩된 영역(O)을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서 '축 방향을 따라 충첩된다'는 관통 슬릿(130)에 그 축 방향으로 가상선을 그었을 때 인접한 관통 슬릿(130)과 교차하는 것을 의미한다.

도 4의 도시와 같이, 관통 슬릿(130)은 장변이 단변에 대해 일정 각도(α) 경사진 평행사변형의 형태를 가질 수 있으며, 이에 따르면 복수의 관통 슬릿(130)은 평형사변형의 밑변(M)이 인접한 평행사변형의 윗변(N)과 축방향으로 중첩되도록 배열된다.

이와 같은 관통 슬릿(130) 축 방향 중첩 구조를 통해 연료(140)가 관통 슬릿(130)의 가장 자리 쪽 분사 면적을 확보할 수 있으며, 이에 따라 연료(140)의 분사량 증가를 통해 연료(140)와 산화제(150)의 충돌량을 증가시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 추력기용 핀틀 인젝터를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 핀틀 인젝터의 작동 상태를 나타낸 도면이다.

본 실시예의 경우 앞선 실시예에 구성에 슬라이더(160) 및 인젝터 케이스(170)가 추가로 구비된 구조를 개시하고 있다.

도 5를 참조하면, 슬라이더(160)는 핀틀 포스트(110)에 대해 직선 이동 가능하게 설치된다. 슬라이더(160)는 핀틀 포스트(110)를 감싸는 슬리브(161)를 구비하며, 슬라이드 이동에 따라 슬리브(161)가 관통 슬릿(130)의 개방 면적을 조절하도록 구성된다.

인젝터 케이스(170)는 핀틀 포스트(110) 및 슬라이더(160)를 수용한다. 핀틀 포스트(110)는 인젝터 케이스(170)의 내부에 고정되게 설치되고, 슬라이더(160)는 인젝터 케이스(170)에 슬라이드 이동 가능하게 설치된다.

인젝터 케이스(170)에는 외부의 유체(산화제 또는 연료)를 환형 갭(120)으로 공급하기 위한 매니폴드(175)가 형성된다. 본 실시예에 따르면 슬라이더(160)의 측면부와 인젝터 케이스(170)의 내벽 사이의 공간이 매니폴드(175)를 형성한다. 그리고 슬라이더(160)에는 그 측면으로부터 돌출된 돌출부(162)가 형성되고, 슬라이더(160)의 돌출부(162)와 인젝터 케이스(170) 사이에 형성된 틈이 환형 갭(120)을 형성하게 된다. 이와 같은 구조에 따르면, 슬라이더(160)의 슬라이드 이동에 따라 환형 갭(120)의 개방 면적이 조정되게 된다. 즉, 슬라이더(160)의 이동에 따라 관통 슬릿(130)과 환형 갭(120)의 개방 면적이 함께 조절되도록 할 수 있다.

도 6은 슬라이더(160)의 이동에 따라 관통 슬릿(130)의 개방 면적이 조절되는 과정을 나타내고 있다. 도 6의 (a)는 슬라이더(160)가 관통 슬릿(130)을 완전 개방하고 있는 상태, (b)는 슬라이더(160)가 상승하여 슬리브(161)가 관통 슬릿(130)을 일부 면적을 닫고 있는 상태, (c)는 슬라이더(160)가 더 상승하여 슬리브(161)가 관통 슬릿(130)의 전체 면적을 닫고 있는 상태를 나타내고 있다.

본 실시예에 따르면, 슬라이더(160)의 슬라이드 동작만으로 관통 슬릿(130)의 개방 면적, 즉, 연료(140)와 산화제(150)의 충돌 정도를 조절할 수 있다. 나아가 슬라이더(160)의 이동 거리에 대응되도록 관통 슬릿(130)의 개방 면적을 선형적으로 제어할 수 있기 때문에, 연료(140)와 산화제(150)의 충돌 정도에 대한 제어 용이성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

이상에서 설명한 추력기용 핀틀 인젝터는 위에서 설명된 실시예의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims

연료 및 산화제 중 어느 하나가 축 방향으로 공급되는 핀틀 포스트;
상기 핀틀 포스트의 외곽에 형성되며, 연료 및 산화제 중 다른 하나가 공급되는 환형 갭; 및
상기 핀틀 포스트 내부의 유체를 상기 핀틀 포스트의 외곽으로 배출시키도록 상기 핀틀 포스트의 외주에 형성되는 복수의 관통 슬릿을 포함하고,
상기 관통 슬릿은 일정 간격만큼 이격되게 배열되되, 상기 축 방향에 대해 일정 각도 경사진 형태를 갖는 것을 특징으로 추력기용 핀틀 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 관통 슬릿은 인접한 관통 슬릿과 상기 축 방향을 따라 중첩된 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 추력기용 핀틀 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 관통 슬릿은 평행사변형의 형태를 가지며,
상기 복수의 관통 슬릿은 상기 평형사변형의 밑변이 인접한 평행사변형의 윗변과 중첩되도록 배열되는 것을 특징으로 추력기용 핀틀 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 핀틀 포스트에 대해 직선 이동 가능하게 설치되며, 슬라이드 이동에 따라 상기 관통 슬릿의 개방 면적을 조절하는 슬라이더를 더 포함하는 것을 특징으로 추력기용 핀틀 인젝터.
제4항에 있어서,
상기 핀틀 포스트를 수용하며, 상기 환형 갭으로 유체를 공급하기 위한 매니폴드가 형성되는 인젝터 케이스를 더 포함하고,
상기 슬라이더는 이동에 따라 상기 환형 갭의 개방 면적을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 추력기용 핀틀 인젝터.