KR20220072160A - 핀틀 분사기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 핀틀분사기는 산화제가 유입되는 유로를 형성하는 산화제 매니폴드, 상기 산화제 매니폴드와 결합하고, 핀틀팁에 둘레 방향으로 복수 개의 서로 이격된 오리피스를 구비하는 핀틀, 그리고 상기 핀틀의 내부에 장착되는 인서트노즐을 포함하며, 상기 산화제 매니폴드로부터 유입된 상기 산화제는, 상기 인서트노즐의 내부를 통과하여 상기 핀틀팁의 내벽에 부딪힌 후 방향을 바꾸어 상기 오리피스로 빠져나가는 제1 유동을 형성한다.

Description

핀틀 분사기{Pintle Injector}

본 발명은 핀틀 분사기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핀틀팁을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 구조를 가진 핀틀 분사기에 관한 것이다.

액체로켓엔진 분사기는 주로 2원 추진제(연료, 산화제)를 액체로켓엔진의 연소실로 분사하며, 이때 연소효율성을 재고하기 위해 추진제의 미립화, 혼합, 고른 분무를 실현하는 장치이다.

도 11 및 도 12에는 이러한 액체로켓엔진 분사기의 한 예의 모식도 및 분사된 추진제의 순환구조가 도시되어 있다.

로켓 등과 같은 발사체의 엔진은 내측에 연소실(3)을 형성하는 하우징부(3)와 추진제 분사기, 예컨대 핀틀 분사기(100)를 포함한다.

핀틀 분사기(100)는 연소실(3)로 노출되는 관형의 몸체부(110)와, 분사 팁(120)을 포함한다.

몸체부(110)의 내측에는 산화 추진제(oxidizer)가 공급되는 산화 추진제 공급 유로(110a)가 형성되고, 산화 추진제 공급 유로(110a)는 연소실(3)과 연결되어 통하면서 산화 추진제를 외측으로 분사한다.

산화 추진제는 몸체부(110)의 일 측 단부에 결합된 분사 팁(120)에 의하여 몸체부(110)로부터 몸체부(110)의 반경방향으로 분사된다

하우징부(3)에 설치된 핀틀 분사기(100)의 몸체부(110)의 외벽을 따라 연료 추진제가 공급되는 연료 추진제 공급 유로(100b)가 형성되고, 연료 추진제 공급 유로(100b)는 내부에 흐르는 연료 추진제를 연소실(3)을 향하여 몸체부(110)의 축 방향으로 분사시키는 구조로 형성된다.

따라서, 몸체부(110)로부터 연소실(3)을 향하여 몸체부(110)의 반경방향으로 분사되는 산화 추진제와 몸체부(110)의 외면을 따라 몸체부(110)의 축 방향으로 분사되는 연료 추진제는 서로 충돌하면서 분무되어 고온 고압의 가스로 연소된다.

한편, 핀틀 분사기는 핀틀 오리피스의 형상에 따라 크게 연속형, 불연속형 2 종류로 분류될 수 있는데, 이중 불연속형 핀틀 분사기는 핀틀 포스트의 개구부가 불연속적인 여러 개의 오리피스로 가공되어 있는 것을 지칭한다.

그런데 액체로켓엔진은 운용 성능의 극대화를 위하여 연소실 내부가 고온(> 3000 K) 및 고압(> 60 bar)의 환경으로 운용되며, 이러한 가혹 조건에 노출된 핀틀 분사기는 핀틀 팁부가 손상되는 문제점이 있었다. 이를 방지하기 위해 별도의 열차폐 코팅 등을 활용하기도 하였으나, 열충격 등으로 코팅층이 박리 되는 등의 문제점이 있었다.

미국등록특허 US 8,596,039

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 구조를 통하여 핀틀팁을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 핀틀분사기 냉각기구를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 핀틀분사기는 산화제가 유입되는 유로를 형성하는 산화제 매니폴드, 상기 산화제 매니폴드와 결합하고, 핀틀팁에 둘레 방향으로 복수 개의 서로 이격된 오리피스를 구비하는 핀틀, 그리고 상기 핀틀의 내부에 장착되는 인서트노즐을 포함하며, 상기 산화제 매니폴드로부터 유입된 상기 산화제는, 상기 인서트노즐의 내부를 통과하여 상기 핀틀팁의 내벽에 부딪힌 후 방향을 바꾸어 상기 오리피스로 빠져나가는 제1 유동을 형성한다.

또한, 상기 인서트노즐의 외부를 통과하여 상기 오리피스로 빠져나가는 제2 유동을 형성한다.

또한, 상기 인서트노즐은 관통구멍을 구비하는 실린더부, 그리고 상기 실린더부의 외벽에 미리 정해진 간격을 두고 위치하는 복수 개의 날개부를 포함한다.

또한, 상기 실린더부의 내부로 상기 제1 유동이 통과하고, 상기 복수 개의 날개부의 사이로 상기 제2 유동이 통과한다.

또한, 상기 날개부의 상단부는 상기 산화제 매니폴드의 하단에 의해 지지된다.

본 발명의 실시예에 따른 인서트노즐의 변형예는 관통구멍을 구비하는 실린더부, 상기 산화제 매니폴드로부터 유입된 산화제가 모두 상기 관통구멍을 통과하도록 하는 플랜지부를 포함한다.

또한, 상기 인서트노즐의 하단부는 미리 정해진 간극으로 상기 핀틀팁의 말단부로부터 이격된다.

또한, 상기 인서트노즐의 하단부는 상기 오리피스로부터 미리 정해진 간극으로 이격된다.

또한, 상기 핀틀의 내벽은 걸림턱을 형성되고, 상기 인서트노즐은 상기 핀틀의 내벽에 의해 지지된다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 핀틀 분사기는 다음과 같은 효과를 가진다.

본 실시예에 따른 핀틀분사기에서는, 핀틀 내에 배치된 인서트노즐로 인하여 핀틀팁의 내벽을 따라 유동한 후 오리피스 쪽으로 빠져나가는 제1 유동이 발생하고, 이로 인하여 핀틀팁 쪽에 차가운 추진제가 지속적으로 공급되는 효과를 발생시킬 수 있다. 따라서, 연소 과정에서 핀틀팁을 효과적으로 냉각시켜줌으로써 핀틀분사기의 수명을 증대시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 핀틀 분사기의 한 예를 나타낸다.
도 2는 도 1의 핀틀 분사기의 단면도를 나타낸다.
도 3의 (a)는 도 1의 핀틀 분사기의 다른 방향에서의 단면도를 나타내고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 A부분의 부분확대도이다.
도 4의 (a)는 도 1의 인서트노즐의 사시도이고, 도 4의 (b)는 도 1의 인서트노즐을 다른 방향에서 바라본 사시도이다.
도 5는 도 3의 단면도를 위에서 내려다본 도면으로서, 인서트노즐이 핀틀 내부에 장착된 모습을 나타내는 단면도이다.
도 6은 종래의 핀틀분사기(좌측)와 도 1의 핀틀분사기(우측)의 산화제유동을 보여주는 모식도이다.
도 7은 도 1의 핀틀분사기의 인서트노즐의 변형예이다.
도 8은 도 7의 인서트노즐이 핀틀에 장착된 상태의 단면도이다.
도 9는 종래의 핀틀분사기(좌측)와 도 7의 핀틀분사기(우측)의 산화제유동을 보여주는 모식도이다.
도 10의 (a)는 연소 시험 전의 핀틀분사기를, 도 10의 (b)는 연소 시험 후의 종래의 핀틀분사기를, 도 10의 (c)는 연소 시험 후의 도 1의 핀틀분사기를 각각 나타낸다.
도 11은 핀틀분사기가 설치된 발사체의 엔진을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 12는 도 11의 핀틀분사기로부터 분사된 추진제의 순환 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

참고로, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 핀틀 분사기의 한 예를 나타내고, 도 2는 도 1의 핀틀 분사기의 단면도를 나타내고, 도 3은 도 1의 핀틀 분사기의 다른 방향에서의 단면도를 나타내고, 도 4는 도 1의 인서트노즐의 사시도이며, 도 5는 도 3의 단면도를 위에서 내려다본 도면으로서, 인서트노즐이 핀틀 내부에 장착된 모습을 나타내는 단면도이다. 이하에서는 본 실시예의 요지와 무관한 내용에 대해서는 설명을 생략하고 본 발명의 요지를 위주로 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 핀틀분사기(이하, '본 핀틀분사기'라 함)는 주요 구성으로서 산화제 매니폴드(1), 핀틀(pintle)(2), 인서트노즐(3)을 포함한다. 참고로, 도 2에서 도면부호 4는 연료매니폴드를 가리킨다.

산화제 매니폴드(manifold)(1)는 산화제가 유입되는 유로를 형성한다.

핀틀(2)은 산화제 매니폴드(1)의 하부와, 예를 들면, 볼트 결합할 수 있다. 그리고 핀틀(2)의 말단부에 위치하는 핀틀팁(21)에는 둘레 방향으로 복수 개의 서로 이격된 오리피스(orifice)(22)가 형성된다.인서트노즐(3)은 핀틀(2)의 내부에 장착되고, 산화제 매니폴드(1)에 의해 지지되어 상하 방향(도 2 기준) 이동이 제한된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 인서트노즐(3)은 실린더부(31)와, 실린더부(31)의 외벽에 미리 정해진 간격을 두고 위치하는 복수 개의 날개부(32)를 구비한다. 본 실시예에서는 예시적으로 4개의 날개부(32)가 90° 간격으로 구비된 인서트노즐(3)을 도시하고 있다. 날개부(32)의 개수는 설계 요구조건에 따라 적절하게 선택될 수 있을 것이다.

날개부(32)의 상단부는 산화제 매니폴드(1)의 하단에 의해 지지될 수 있다(도 2 및 도 3 참조).

인서트노즐(3)의 하단부는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 간극(D1)으로 핀틀팁(21)의 말단부로부터 이격될 수 있다. 이 간극(D1)은 유동 해석에 의해 적절하게 설정될 수 있다.

또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 날개부(32)의 하단부는 핀틀(2)의 오리피스(22)로부터 미리 정해진 간극(D2)으로 이격되어 있고, 이로 인해 날개부(32)의 하단부는 실린더부(31)에 단차지게 된다.

한편, 핀틀(2)의 내벽은 횡방향 단면적이 아래로 갈수록 줄어드는 깔때기 모양으로 형성될 수 있고, 인서트노즐(3)은 이에 대응하여 마찬가지로 깔때기 모양으로 형성될 수 있다.

이를 통하여, 인서트노즐(3)은 핀틀(2)의 내벽에 의해 지지되어, 아래 방향으로 이동되는 것을 방지한다(도 2 및 도 3 참조).

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 핀틀(2)의 내벽과 인서트노즐(3)의 외벽 사이에는 복수 개의 분기통로(5)가 형성된다. 이들 복수 개의 분기통로(5)는 인서트노즐(3)의 날개부(32)에 의해 구획된다. 본 실시예에서는 예시적으로 4개의 분기통로(5)가 형성되는데, 분기통로(5)의 개수는 인서트노즐(3)의 날개부(32)의 개수를 조절하여 설계조건에 따라 적절하게 선택될 수 있다.

이하에서는 상술한 구성을 가진 본 발명의 한 실시예에 따른 핀틀분사기의 작용에 대하여 설명한다.

산화제 매니폴드(1)를 통하여 산화제가 유입되면, 산화제는 산화제 매니폴드(1)를 통하여 인서트노즐(3) 쪽으로 유동한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 산화제 매니폴드(1)로부터 유입된 산화제는, 인서트노즐(3)의 내부를 통과하여 핀틀팁(21)의 내벽에 부딪힌 후 방향을 바꾸어 오리피스(22) 쪽으로 빠져나가는 제1 유동(f1)을 형성한다. 참고로, 도 6에서 좌측 절반은 종래의 핀틀분사기의 산화제유동, 우측 절반은 본 발명에 따른 핀틀분사기의 산화제유동을 보여주는 모식도이다.

또한, 도 5 및 도 6을 참고하면, 산화제 매니폴드(1)로부터 유입된 산화제는 유동가이브부(3)의 외벽과 핀틀(2)의 내벽 사이에 형성되는 복수 개의 분기통로(5)를 유동하여 최종적으로 오리피스(22)로 빠져나가는 제2 유동(f2)을 형성한다. 참고로, 제2 유동(f2)은 핀틀 말단부의 냉각에 도움을 주는 것은 아니고, 제1 유동의 면적이 작은 경우, 인서트노즐 전후로의 압력차가 과도하게 걸릴 수 있는데 이를 완화하기 위한 것이다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 핀틀분사기에서는, 핀틀팁(21)의 내벽을 따라 유동한 후 오리피스(22) 쪽으로 빠져나가는 제1 유동(f1)에 의해 핀틀팁 쪽에 차가운 추진제가 지속적으로 공급되는 효과를 발생시킬 수 있다. 따라서, 연소 과정에서 핀틀팁을 효과적으로 냉각시켜줌으로써 핀틀분사기의 수명을 증대시킬 수 있다.

도 10에는 연소 시험 전의 핀틀분사기(a), 연소 시험 후의 종래의 핀틀분사기(b), 그리고 연소 시험 후의 본 핀틀분사기(c)를 보여주고 있다. 실험 결과에서는 알 수 있는 바와 같이, 종래의 핀틀분사기는 핀틀팁이 연소되는 등 손상된 것을 알 수 있고, 이와는 달리 본 핀틀분사기는 핀틀팁의 손상이 최소화된 것을 확인할 수 있다.

이하에서는 도 7 내지 도 9을 참고하여, 본 핀틀분사기의 인서트노즐(3)의 다른 변형예를 설명한다. 참고로, 설명의 편의상 상술된 인서트노즐의 구성과 차이가 나는 구성에 대하여 설명한다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 인서트노즐(3)은 관통구멍을 구비하는 실린더부(302)와, 산화제 매니폴드로부터 유입된 산화제가 관통구멍으로만 통과하도록 하는 플랜지부(301)를 구비한다. 따라서, 도 2의 인서트노즐과는 달리, 산화제의 제2 유동을 허용하지 않는다. 이 경우, 유동이 오직 인서트노즐의 내부로만 흐르도록 할 수 있어 냉각 효과를 극대화할 수 있다.

또한, 본 변형예의 인서트노즐(3)은 핀틀(2)의 내부가 단차진 형상일 경우, 이에 대응하여 플랜지부(301)와 실린더부(302)가 서로 단차진 형상을 구비할 수 있다. 그리고 인서트노즐(3)은 핀틀(2)에 볼트 등의 체결수단(미도시)을 통해 결합될 수 있다.

또한, 인서트노즐의 하단부(303)는 핀틀팁의 말단부와 미리 정해진 간극으로 이격되게, 그리고 오리피스로부터도 미리 정해진 간극으로 이격되게 구성할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예에서는 불연속 오리피스가 적용된 핀틀분사기에 인서트노즐을 삽입하여, 핀틀로 공급된 추진제가 핀틀팁 부근에서 유동을 발생시킬 수 있도록 함으로써 핀틀팁의 냉각 효과를 얻도록 한 것이다. 인서트노즐이 없는 종래의 핀틀분사기의 경우, 핀틀팁 부근에서 신규 추진제의 유입이 제한되고, 국부적인 재순환 영역이 발달하여 핀틀팁의 외부로부터의 열 유입에 대한 냉각효과를 발휘하기 어려웠다. 그러나 본 실시예에서와 같이 인서트노즐을 적용한 경우 인서트노즐 내부로 유입된 추진제가 핀틀팁의 내벽을 따라 흐르면서 오리피스로 빠져나가고, 새로운 추진제가 다시 공급되므로 핀틀팁 쪽으로 차가운 추진제가 계속 공급되는 효과를 발생시킬 수 있는 것이다.

또한, 본 실시예에서는 핀틀분사기 내부로 산화제가, 그 외부로 연료가 흐르는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 그 위치가 뒤바뀐 경우도 본 발명의 권리범위에 당연히 포함됨을 인지하여야 할 것이다.

한편, 이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1...산화제 매니폴드
2...핀틀
21...핀틀팁, 22...오리피스
3...인서트노즐
31...실린더부, 32...날개부
5...분기통로
f1...제1 유동
f2...제2 유동

Claims (9)

1. 산화제가 유입되는 유로를 형성하는 산화제 매니폴드,
   상기 산화제 매니폴드와 결합하고, 핀틀팁에 둘레 방향으로 복수 개의 서로 이격된 오리피스를 구비하는 핀틀, 그리고
   상기 핀틀의 내부에 장착되는 인서트노즐
   을 포함하며,
   상기 산화제 매니폴드로부터 유입된 상기 산화제는,
   상기 인서트노즐의 내부를 통과하여 상기 핀틀팁의 내벽에 부딪힌 후 방향을 바꾸어 상기 오리피스로 빠져나가는 제1 유동을
   형성하는
   핀틀분사기.
2. 제1항에서,
   상기 인서트노즐의 외부를 통과하여 상기 오리피스로 빠져나가는 제2 유동을 형성하는
   핀틀분사기.
3. 제2항에서,
   상기 인서트노즐은
   관통구멍을 구비하는 실린더부, 그리고
   상기 실린더부의 외벽에 미리 정해진 간격을 두고 위치하는 복수 개의 날개부
   를 포함하는 핀틀분사기.
4. 제3항에서,
   상기 실린더부의 내부로 상기 제1 유동이 통과하고,
   상기 복수 개의 날개부의 사이로 상기 제2 유동이 통과하는
   핀틀분사기.
5. 제3항에서,
   상기 날개부의 상단부는 상기 산화제 매니폴드의 하단에 의해 지지되는 핀틀분사기.
6. 제1항에서,
   상기 인서트노즐은
   관통구멍을 구비하는 실린더부, 그리고
   상기 산화제 매니폴드로부터 유입된 산화제가 모두 상기 관통구멍을 통과하도록 하는 플랜지부
   를 포함하는 핀틀분사기.
7. 제3항 또는 제6항에서,
   상기 인서트노즐의 하단부는 미리 정해진 간극으로 상기 핀틀팁의 말단부로부터 이격되는 핀틀분사기.
8. 제7항에서,
   상기 인서트노즐의 하단부는 상기 오리피스로부터 미리 정해진 간극으로 이격되는 핀틀분사기.
9. 제3항 또는 제6항에서,
   상기 핀틀의 내벽은 걸림턱을 형성되고, 상기 인서트노즐은 상기 핀틀의 내벽에 의해 지지되는 핀틀분사기.

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