[논문]하이퍼 혼합기를 사용한 저엔탈피 초음속 유동장 내연소 특성 연구

김채형; 정인석

doi:10.6108/kspe.2013.17.6.075

초록
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본 연구에서는 마하 2의 실험실 규모의 풍동장치에서 플라즈마 제트 토치를 점화기로 사용하여 강제점화에 대한 연소 특성을 연구하였다. 하이퍼 혼합기는 혼합기로 사용되었다. 수직분사의 경우, 하나는 하이퍼 혼합기의 웨지면에 충돌하도록 하였으며, 다른 하나는 차가운 주유동으로 바로 분사되도록 하였다. 하이퍼 혼합기와 충돌하는 경우 충돌된 연료는 분산되며 확산 혼합에 의해 혼합성능이 증대된다. 또한 혼합된 가스는 대부분 플라즈마 제트의 열원으로 유입되어 연소 성능을 증대시킨다. 하지만 주유동으로 직접 분사되는 경우는 초음속의 주유동 내에서 점화되지 못하고 많은 양의 연료가 소비된다. 따라서 강제점화방식의 연소의 경우에는 많은 양의 연료-공기 혼합물을 점화가 가능한 열원으로 공급하는 것이 중요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a forced ignition method with a plasma jet torch is studied in Mach 2 laboratory scaled wind-tunnel. The hyper-mixer is used as a mixer. For two normal injection cases, the one is collided against a wedge plate of the hyper-mixer and the other is directly injected into the cold main f...

In this study, a forced ignition method with a plasma jet torch is studied in Mach 2 laboratory scaled wind-tunnel. The hyper-mixer is used as a mixer. For two normal injection cases, the one is collided against a wedge plate of the hyper-mixer and the other is directly injected into the cold main flow. For the first case, the hyper-mixer disperses the injected fuel, leading to the mixing enhancement. Furthermore, the fuel-air mixture is provided into the plasma hot gas, which enhances the combustion performance. However, the direct injection into the main flow method spends amount of fuel without ignition in the cold supersonic flow. In the end, for the forced combustion, it is important to supply the fuel-air mixture into the heat source.

주제어

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문제 정의

본 연구는 엔탈피가 낮은 유입 초음속 유동장 내에서 플라즈마토치를 사용한 강제 점화 방식의 연소 실험을 수행하였다. 하이퍼 혼합기를 사용하였으며 분사 위치에 따른 연소 특성을 비교 하였다.
이전 실험에서 하이퍼 혼합기는 램프와 웨지의 상호 작용에 의해 와류 유동 영역을 형성했으며, 이 영역 내에서 연료를 수직 분사했을 경우(수직 1) 두 유동 모멘텀 충돌에 의해 혼합성능이 증대하지만, 하이포 혼합 기의 웨지를 벗어난 분사의 경우(수직 2)에는 낮은 혼합 특성을 보였다[12]. 이와 같은 수직분사 (수직1, 수직2)의 위치에 따른 혼합 특성이 플라 즈마제트 토치를 사용한 강제점화에서는 어떤 연소특성을 보이는지 본 논문에서 보이고자 한다.

제안 방법

본 논문에서는 2 mm 지점에서의 수직분사를 ‘수직 1’, 9 mm 지점에 서의 수직분사를 ‘수직 2’로 정의하며, 당량비 (equivalence ratio)는 ER로 표시하였다.
2와 같이 웨지와 램프로 구성된 형태로 일본 JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)의 하이퍼 혼합기 분사 모델을 기초로 하여 제작하였다. 연료의 분사는 하이퍼 혼합기 벽면에서 2 mm, 9 mm 떨어진 두지점에서 수직 분사하는 방법을 사용하였으며, 두 분사위치의 차이는 하이퍼 혼합기와의 간섭 조건을 기준으로 하였다. 본 논문에서는 2 mm 지점에서의 수직분사를 ‘수직 1’, 9 mm 지점에 서의 수직분사를 ‘수직 2’로 정의하며, 당량비 (equivalence ratio)는 ER로 표시하였다.
본 연구는 엔탈피가 낮은 유입 초음속 유동장 내에서 플라즈마토치를 사용한 강제 점화 방식의 연소 실험을 수행하였다. 하이퍼 혼합기를 사용하였으며 분사 위치에 따른 연소 특성을 비교 하였다.

대상 데이터

전체 실험시간은 약 20 s이며 데이터 획득 시간은 약 4 s이다. 실험에 사용된 점화기는 수냉 방식의 플라즈마 제트 (Plasma Jet, PJ) 토치를 사용하였으며 Fig. 1과같이 혼합기 후면 60 mm에 위치한다. PJ토치는 질소가스를 분사기체로 사용하며 출력은 2.
바닥면에는 혼합기가 부착되어 있고, 진공탱크의 용량은 8 m ³ 이며 5 kPa까지 압력이 내려간 상태에서 실험이 수행된 다. 연료는 수소가스를 사용하였다. 연소기 단면은 30 mm × 36.
하이퍼 혼합기는 Fig. 2와 같이 웨지와 램프로 구성된 형태로 일본 JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)의 하이퍼 혼합기 분사 모델을 기초로 하여 제작하였다. 연료의 분사는 하이퍼 혼합기 벽면에서 2 mm, 9 mm 떨어진 두지점에서 수직 분사하는 방법을 사용하였으며, 두 분사위치의 차이는 하이퍼 혼합기와의 간섭 조건을 기준으로 하였다.

이론/모형

연소 유동은 슐리렌 기법을 사용하여 가시화 하였으며, 벽면 압력은 strain-gauge 형태의 압력 센서(PDCR23D – 200 psi : SCANIVALVE Inc. and PAB-A200KP : KYOWA Inc.)를 사용하여 측정하였다.
연소실험에서 연소배압이 노즐 유동 조건에 영향을 주는 것을 줄이기 위해 Billig의 경험식[14]을 사용하여 Isolator를 제작하였다. Isolator의 유입부과 출구부 압력비(P₃/P₂)는 유입유동이 고엔탈피 유동이 아니며 초음속 연소기의 길이와 무게를 고려하여 1.

성능/효과

03에서 thermal choking이 일어나는 것으로 분석된다. 따라서 낮은 엔탈피 유동장 내에서 초기 점화가 되더라도 추가적인 고엔탈피 유동이 유입되지 않으면 낮은 당량비에 서 thermal choking이 되어 엔진은 작동되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
또한 본 실험에서는 가열하지 않은 마하 2의 유동 내에서 PJ 토치를 사용한 강제점화 실험을 수행하였으며, 매우 낮은 당량비(ER = 0.06)에서 thermal choking이 일어나는 것을 볼 수 있었다. 이는 이론적으로 열유입 과정(Rayleigh curve)에서 thermal choking이 일어나는데 필요한 열량은 흡입구의 전온도에 비례하기 때문이다[16].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음속 풍동장치은 어떤 방식으로 되어 있는가?	초음속 풍동장치는 진공탱크에서 실험실 대기 공기를 흡입하는 방식으로 되어 있다. 연소실험을 위한 풍동실험 장치는 Fig.
	dead zone이란?	다양한 혼합 장치와 분사 기법들 중에서 계단형 혼합기는 간단한 구조를 가지고 있으며 재순환 영역에 의해 혼합 기체의 잔류 시간은 증대하게 된다. 하지만 계단형 혼합기의 혼합 성능은 거의 없기 때문에 계단형 혼합기가 만드는 재순환 영역은 ‘dead zone'이라고 불린다[2]. 따라서 연료-공기가 같이 존재하는 재순환 영역 내에서 혼합을 증진시킬 수 있는 방법이 필요하다.
	본 실험에서는 가열하지 않은 마하 2의 유동 내에서 PJ 토치를 사용한 강제점화 실험을 수행할 때, 매우 낮은 당량비(ER = 0.06)에서 thermal choking이 일어나는 이유는?	06)에서 thermal choking이 일어나는 것을 볼 수 있었다. 이는 이론적으로 열유입 과정(Rayleigh curve)에서 thermal choking이 일어나는데 필요한 열량은 흡입구의 전온도에 비례하기 때문이다[16]. 본 실험에서는 유입유동 마하 2조건에서는 이론 적으로는 ER = 0.

참고문헌 (16)

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Anderson, J.D., Modern Compressible Flow with Historical Perspective, McGraw-Hill, Boston, 1990.

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