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문제 정의
- 본 연구를 통하여 일본 JAXA의 불어내기식 초음속풍동을 이용한 초음속 연소기의 연료 분사구 형상변경에 따른 연소성능 변화를 파악하기 위한 지상성능시험을 수행하였다. 초음속 연소기의 입구조건은 마하수 2.
제안 방법
- 가장 먼저 공동이 없는 형태에 대한 성능시험을 수행하였다. Fig.
- 두 번째로 일자형 공동 형태에 대한 성능시험을 수행하였다. Fig.
- 마지막으로 지그재그형 공동 형태에 대한 성능시험을 수행하였다.
- 공동의 형태는 2008년 시험 때와 동일하지만, 분사구의 개수가 3배로 증가되었다. 분사구의 크기는 같은 압력의 연료가 공급되었을 때, 동일한 연료량과 동일한 침투깊이를 갖도록 설계변경 되었다. 연료 분사구에서 다른 형상은 2008년 형상과 동일하도록 설계되었다.
- 전방 연료 분사구 후단에서는 2008년 시험모델과 동일하게 약 2°의 각도로 팽창면을 두었다. 연소압을 측정하기 위하여 시험모델의 윗면과 아랫면에서 정압력을 측정하며, 동일한 지점에 위치한 압력은 단순히 평균값을 구하여 사용하였다. 또한 본 성능시험은 초음속 연소기의 지상성능시험을 목적으로 계획되었기 때문에 후방 노즐은 고려되어 있지 않으며, 추력 측정 또한 고려하지 않았다.
- 초음속 연소기의 연소압력 상승에 따른 연소 성능을 추측하기 위하여 준일차원 해석을 수행 하였다[6]. 준일차원 해석은 연소압력을 바탕으로 수행되었으며[1], 2008년 시험결과를 바탕으로 한 준일차원 해석에서는 시험결과와 마찬가지로 지그재그형태의 공동을 사용한 연료 분사구가 가장 좋은 연소효율을 보여주었었다.
- 본 연구를 통하여 일본 JAXA의 불어내기식 초음속풍동을 이용한 초음속 연소기의 연료 분사구 형상변경에 따른 연소성능 변화를 파악하기 위한 지상성능시험을 수행하였다. 초음속 연소기의 입구조건은 마하수 2.5로 고정하였으며, 설비에 장착되어 있는 Vitiated Heater를 이용하여 2,000 K의 공기를 공급하여 시험을 수행하였다. 형상변경은 연료 분사구의 크기를 줄이고 개수를 늘이도록 설계 되었으며, 형상이 변경되어도 같은 압력의 연료공급 시 연료의 침투깊이가 동일하게 유지될 수 있도록 하였다.
- 2008년에 수행된 시험모델은 한 곳에서 연료를 분사하였지만, 본 시험에 사용된 시험모델은 모두 두 곳에서 연료를 분사할 수 있도록 설계되었다. 하지만 본 시험에서는 음속 노즐의 형태로 설계된 연료 분사구 형상에 대한 비교를 위하여 후방 연료 분사구에는 더미를 장착하고 시험을 수행하였다. 더미는 본 논문을 통하여 D 라고 칭한다.
- 5로 고정하였으며, 설비에 장착되어 있는 Vitiated Heater를 이용하여 2,000 K의 공기를 공급하여 시험을 수행하였다. 형상변경은 연료 분사구의 크기를 줄이고 개수를 늘이도록 설계 되었으며, 형상이 변경되어도 같은 압력의 연료공급 시 연료의 침투깊이가 동일하게 유지될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- Figure 2는 본 시험에 사용된 시험모델의 형상이다. 2008년에 수행된 시험모델은 한 곳에서 연료를 분사하였지만, 본 시험에 사용된 시험모델은 모두 두 곳에서 연료를 분사할 수 있도록 설계되었다. 하지만 본 시험에서는 음속 노즐의 형태로 설계된 연료 분사구 형상에 대한 비교를 위하여 후방 연료 분사구에는 더미를 장착하고 시험을 수행하였다.
- 연료 분사구의 형태에 따른 연소 성능의 변화를 관찰하기 위하여 세 가지 형태의 연료분사구가 시험에 사용되었다. 공동의 형태는 2008년 시험 때와 동일하지만, 분사구의 개수가 3배로 증가되었다.
성능/효과
- 이는 변경된 지그재그형 연소기를 사용하기 위해서는 초음속 연소기의 길이가 다른 연료 분사구를 사용했을 때에 비하여 길어져야 한다는 것을 의미하며, 이는 전체 연소기의 항력증가를 통한 성능의 저하를 가져올 수 있다. Fig. 19와 20의 결과값을 종합하여 판단할 때, 지그재그형 공동을 가지고 있는 예전 형상의 연료 분사구가 가장 높은 성능을 가지고 있다고 말할 수 있다.
- 26의 당량비로 연료를 분사하였을 때의 결과값을 비교한 그래프이다. 공동이 없는 형태에서는 연료 분사구 형상의 변화가 0.26의 당량비에서 매우 큰 연소압력의 증가가 관찰되었으나, 일자형 공동에서는 그러한 연소압력의 증가가 관찰되지 않았다. 이는 일자형 공동을 사용하였을 때에는 연료 분사구 형상의 변화로 인한 영향이 일자형 공동으로 인한 연료의 혼합이 연소에 미치는 영향에 비해 미비하기 때문인 것으로 보인다.
- 4는 공동이 없는 형태에 대한 성능시험 수행 결과를 도시한 그래프이다. 당량비 증가에 따른 연소 압력의 증가가 관찰되었으며, 0.46의 당량비로 연료를 분사하였을 때에는 열질식으로 인하여 연료분사구 전단까지 압력이 증가하는 현상이 계측되었다.
- 46의 당량비로 연료를 분사하였을 때의 결과값을 비교한 그래프이다. 두 가지의 결과값 모두 열질식으로 인하여 연료 분사구 전단까지 압력이 상승하는 결과를 보여주고 있으며, 연소압력의 상승또한 비슷한 양상을 보여주고 있다. 위의 결과값들을 종합해 보면 공동이 없을 때와는 달리 일자형 공동에서는 연료분사 구의 형상의 변경으로 인한 연소성능의 변화가전 영역에 걸쳐 거의 없다고 할 수 있다.
- 46의 당량비로 연료를 분사하였을 때의 그래프이다. 모든 결과에서 열질식으로 인한 압력상승이 계측되었으며, 2008년 그래프와 비교하였을 때 별다른 성능의 변화는 계측되지 않았다.
- 시험결과 공동이 없는 형태에서는 형상변경을 통하여 연소성능의 확연한 증가가 계측되었으며, 일자형 공동에서는 연소 성능의 증가가 보이나 그 영향은 공동이 없는 형태에 비하여 미미하였다. 하지만 지그재그형 공동에서는 오히려 형상 변경 때문에 연소 성능의 저하가 계측되었다.
- 두 가지의 결과값 모두 열질식으로 인하여 연료 분사구 전단까지 압력이 상승하는 결과를 보여주고 있으며, 연소압력의 상승또한 비슷한 양상을 보여주고 있다. 위의 결과값들을 종합해 보면 공동이 없을 때와는 달리 일자형 공동에서는 연료분사 구의 형상의 변경으로 인한 연소성능의 변화가전 영역에 걸쳐 거의 없다고 할 수 있다.
- 두 가지의 결과값 모두 열질식으로 인하여 연료 분사구 전단까지 압력이 상승하는 결과를 보여주고 있으며, 연소압력의 상승또한 비슷한 양상을 보여주고 있다. 위의 결과값들을 종합해 보면 지그재그형 공동에서는 연료분사구의 형상의 변경하였을때, 지그재그형 공동의 특징인 가로방향의 압력 분포에 의한 영향으로 오히려 연소압력의 증가가 감소하였고 이에 따라 연소성능이 저하되었음을 알 수 있다.
- 하지만 지그재그형 공동에서는 오히려 형상 변경 때문에 연소 성능의 저하가 계측되었다. 이러한 모든 결과를 종합하였을 때, 공동이 없을 때와 일자형 공동에서의 연소압력 상승에도 불구하고 예전 지그재그형 연료 분사구가 제일 좋은 성능을 보여주었다.
- 최대 연소압력이 계측된 지점에서 약 80%의 연소압력의 증가를 보여주었다. 일자형 공동을 사용하였을 때에도 연료 분사구의 형상 변경에 따라 연소압력이 증가하였으나, 약 7%정도로 공동이 없었을 때와 비교하여 미미한 증가를 보여주었다. 하지만 지그재그형 공동을 사용하였을 때에는 오히려 연소압력이 약 8%정도 감소하였다.
- 26의 당량비를분사하였을 때에는 공동이 없는 형태에서 가장 큰 연소성능의 변화가 계측되었다. 최대 연소압력이 계측된 지점에서 약 80%의 연소압력의 증가를 보여주었다. 일자형 공동을 사용하였을 때에도 연료 분사구의 형상 변경에 따라 연소압력이 증가하였으나, 약 7%정도로 공동이 없었을 때와 비교하여 미미한 증가를 보여주었다.
후속연구
- 연소압을 측정하기 위하여 시험모델의 윗면과 아랫면에서 정압력을 측정하며, 동일한 지점에 위치한 압력은 단순히 평균값을 구하여 사용하였다. 또한 본 성능시험은 초음속 연소기의 지상성능시험을 목적으로 계획되었기 때문에 후방 노즐은 고려되어 있지 않으며, 추력 측정 또한 고려하지 않았다.
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