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산화제 과잉 예연소기 연소에서 관찰되는 압력섭동에 대한 연구
Study on Pressure Fluctuations Observed in Combustion of Oxygen-Rich Preburners 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.2, 2013년, pp.122 - 127  

서성현 (국립한밭대학교 기계공학과) ,  강상훈 (한국항공우주연구원 미래로켓연구팀) ,  이수용 (한국항공우주연구원 미래로켓연구팀)

초록
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고성능 폐회로 액체로켓엔진 시스템에 적용되는 산화제 과잉 예연소기 내에서 발생하는 연소 압력 섭동 데이터에 대한 분석 결과를 수록하였다. 연소실험은 두 단계의 압력 값을 순차적으로 형성하였는데 상대적으로 저압 조건에서만 78 Hz의 특성 주파수를 갖는 자발적인 압력 섭동이 발생하였다. 이와 같은 연소 불안정은 bulk mode에 해당하는 것으로 판단된다. 압력 섭동의 세기는 rms 기준으로 연소실 정압 대비 13.3%에 해당하며, 설계압 구간(19.3 MPa)에서는 매우 안정적인 모습을 보였다. 이와 같은 bulk mode는 연소실 내부에서 특성 압력파의 위상차가 없이 전체 공간에서 압력이 증가와 감소를 반복하는 것으로 Helmholtz 공진기와 비슷한 특성을 보이는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The paper includes the analytic results of pressure fluctuation data from the combustion of an oxidizer-rich preburner applicable to high-performance, closed-cycle liquid rocket engine systems. The combustion experiments went through two different steps of a chamber pressure during single run. Self-...

주제어

#압력 섭동   #산화제 과잉   #예연소기   #동적 연소특성   #액체산소   #케로신   #벌크 모드  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 액체산소를 산화제로 케로신(Jet A-1)을 연료로 사용하는 산화제 과잉 예연소기를 모사하는 연소장치가 산화제가 극단적으로 연료에 비해 많은 상태에서 연소과정을 겪을 때 관찰되는 동적 연소현상에 대한 실험 데이터를 분석하였다.
  • 서론에서 밝힌 바와 같이 연소의 동적특성은 열 발생과 연계된 압력의 시간에 따른 변화를 관찰 분석함으로서 그 발생 원인을 파악할 수 있다. 본 연구에서는 압력 섭동 신호를 분석하여 연소 장치의 연소 특성을 파악하고자 시도하였으며, 그 첫 번째 단계로 압력 섭동 신호로부터 연소장치 각 부위에서 계측되는 압력 섭동 에너지를 도출하였다. 압력 섭동 에너지는 압력 섭동의 root-mean-square(rms) 값으로 표현할 수 있으며, Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연소 다이내믹스 문제가 발생할 것으로 우려되는 실제 크기 컴포넌트 개발시험에서 연소 다이내믹스와 관련된 시험결과를 최대한 확보하는 것이 효율적인 개발을 위해 중요한 이유는? 거대한 동력을 발생시키는 에너지 변환장치는 그 개발에 있어서 천문학적인 비용과 기간이 소모되는데 특히 연소 안정성과 관련된 문제는 해당 하드웨어가 처한 작동 조건과 환경에 매우 민감하게 반응하여, 대개는 축소 모델에서 예측이 불가능하며, 궁극적으로는 실제 모델에서 확인해야하는 크나 큰 개발 위험성을 안고 있다. 이와 같은 이유로 인해 연소 다이내믹스 문제가 발생할 것으로 우려되는 실제 크기 컴포넌트 개발시험에서 연소 다이내믹스와 관련된 시험결과를 최대한 확보하는 것은 개발을 효율적으로 수행하고자 하는 목표에 정확히 부합한다고 할 수있다.
에너지 밀도가 높은, 고온/고압에서 작동하는 연소장치 성공적 개발을 위해 필수적인 것은? 에너지 밀도가 높은, 고온/고압에서 작동하는 연소장치의 성공적인 개발을 위해서는 연소장치 내에서 발생하는 연소현상의 동적 특성에 대한 이해가 필수이다. 이와 같이 추진제의 임계압력을 상회하는 매우 높은 압력에서 작동하는 액체 로켓엔진 연소장치에서 발생할 수 있는 연소의 비정상적인 특성 이해를 위해서는 연소 다이내믹스(combustion dynamics)에 영향을 주는 물리적 현상과 관련 메커니즘에 대한 전반적인 이해가 필수적이다[1, 2].
추진제의 임계압력을 상회하는 매우 높은 압력에서 작동하는 액체 로켓엔진 연소장치에서 발생할 수 있는 연소의 비정상적인 특성 이해를 위해 필수적인 것은? 에너지 밀도가 높은, 고온/고압에서 작동하는 연소장치의 성공적인 개발을 위해서는 연소장치 내에서 발생하는 연소현상의 동적 특성에 대한 이해가 필수이다. 이와 같이 추진제의 임계압력을 상회하는 매우 높은 압력에서 작동하는 액체 로켓엔진 연소장치에서 발생할 수 있는 연소의 비정상적인 특성 이해를 위해서는 연소 다이내믹스(combustion dynamics)에 영향을 주는 물리적 현상과 관련 메커니즘에 대한 전반적인 이해가 필수적이다[1, 2]. 로켓엔진, 가스터빈엔진, 애프터버너, 램제트 엔진 등과 같은 연소 장치에서 발생하는 시간에 따른 연소의 비정상적인 특성 변화는 시스템의 성능 감소를 가져오며, 결국에는 시스템의 수명을 단축시키는 결과를 초래한다[3, 4].
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참고문헌 (11)

  1. Crocco, L. and Cheng, S.-I., "Theory of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors," AGARDograph No. 8, Butterworths Scientific Publications, London, 1956 

  2. Harrje, D. T. and Reardon, F. H. (eds.), "Liquid Propellant Rocket Combustion Instability," NASA, SP-194, 1972 

  3. Dranovsky, M. L., "Combustion Instabilities in Liquid Rocket Engines: Testing and Development Practices in Russia," Progress in Astronautics and Aeronautics, AIAA, Vol. 221, 2007 

    상세보기

  4. Lieuwen, T. and Yang, V., "Combustion Instabilities in Gas Turbine Engines: Operational Experience, Fundamental Mechanisms, and Modeling," Vol. 210, Progress in Astronautics and Aeronautics Series, AIAA, 2006 

  5. 서성현, "연소장치에서 발생하는 고주파 연소 불안정 특성," 한국연소학회지, 제17권, 제1호, 2012, pp.30-36 

  6. Ahn, K., Seo, S., and Choi, H.-S., "Fuel-Rich Combustion Characteristics of Biswirl Coaxial Injectors," Journal of Propulsion and Power, Vol. 27, No. 4, 2011, pp.864-872 

    상세보기 crossref

  7. Seo, S., Kim, S.-K., and Choi, H.-S., "Combustion Dynamics and Stability of a Fuel-Rich Gas Generator," Journal of Propulsion and Power, Vol. 26, No. 2, 2010, pp.259-266 

    상세보기 crossref

  8. 문일윤, 문인상, 유재한, 전재형, 이선미, 홍문근, 하성업, 강상훈, 이수용, "산화제과잉 예연소기 점화시험," 한국추진공학회 제37회 추계학술대회 논문집, 2011, pp.869-872 

  9. 서성현, 이광진, 최환석, "액체로켓 엔진 연소장치의 연소 안정성 평가 기준에 대한 연구," 한국추진공학회지, 제13권, 제6호, 2009, pp.33-39 

  10. Seo, S., Han, Y.-M., and Choi, H.-S., "Combustion Characteristics of Bi-Liquid Swirl Coaxial Injectors with Respect to a Recess," Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 53, No. 179, 2010, pp.24-31 

    상세보기 crossref

  11. Lim, B.-J., Seo, S., Kim, M., Ahn, K., Kim, J.-G., and Choi, H. S., "Combustion Characteristics of Swirl Injectors at Kerosene-Rich Conditions," Fuel, in press, 2012 

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