[논문]산화제 과잉 예연소기 설계점 운영 특성

문일윤; 문인상; 강상훈; 하성업; 이수용

doi:10.6108/kspe.2013.17.4.081

산화제 과잉 예연소기 설계점 운영 특성
Design Point Operating Characteristics of an Oxidizer Rich Preburner 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.4, 2013년, pp.81 - 88

문일윤 (Advanced Rocket Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 문인상 (Advanced Rocket Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 강상훈 (Advanced Rocket Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 하성업 (Advanced Rocket Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 이수용 (Advanced Rocket Research Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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케로신과 액체산소를 추진제로 하는 다단연소방식 액체엔진용 산화제 과잉 예연소기를 설계하여 설계점에서 연소시험을 수행하였다. 설계된 산화제 과잉 예연소기는 산화제 일부와 연료를 혼합헤드를 통해 연소실에 공급하여 연소시키고 나머지 산화제를 연소실 재생냉각채널을 거쳐 연소실 중앙의 분사공을 통해 연소실로 주입하여 기화시키는 형태로 최종적으로 연소압 20 MPa, 혼합비 60에서 작동한다. 혼합헤드에는 단일 와류형 분사기를 벌집형태로 배열하였으며 가스 온도 균일성 향상과 연소 안정성 향상을 위한 혼합링과 터빈까지의 배관을 고려한 노즐을 장착하였다. 설계점 연소시험에서 산화제 과잉 예연소기는 높은 연소 안정성과 생성가스의 균일한 온도분포를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It was designed and tested at the design point that an oxidizer rich preburner for a staged combustion liquid rocket engine propelled by kerosene and LOx. The oxidizer rich preburner was designed as some of LOx injected from the mixing head was burned with kerosene and the rest of LOx injected from injection holes in the regenerative cooling chamber was vaporized by combustion gas. The preburner is operated at OF ratio of 60 and combustion pressure of 20 MPa. The Preburner has a honey-comb type mixing head with simplex swirl injectors, a turbulence ring improving combustion stability and uniformity of product gas temperature distribution, and a nozzle simulating the duct. With the combustion test results at the design point, the oxidizer rich preburner showed high combustion stability and uniformity of product gas temperature distribution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존 분리형 예연소기 시험결과를 바탕으로 선정된 분사기로 일체형 예연소기를 설계하여 최근 수행된 설계점 연소시험 결과를 고찰하였다.
추후 예연소기의 탈설계점 연소시험을 통해 예연소기 운영 특성을 파악할 계획이다. 본 연구에서 확보된 고온 고압의 산화제 과잉 예연소기 기술을 통해 케로신/액체산소를 추진제로 하는 다단연소방식 로켓엔진 개발을 위한 기반을 마련할 수 있었다.

제안 방법

F 단면 내부의 반경은 50 ㎜이다. TF01은 벽면으로부터 50 ㎜ 삽입하여 F 단면 중앙에 위치하도록 하였으며 TF02, TF03, TF04, TF05, TF06, TF07은 각각 벽면으로부터 25 ㎜, 12 ㎜, 9 ㎜, 6 ㎜, 3 ㎜, 1㎜ 삽입하여 생성가스 온도를 측정하였다.
안정적 점화를 위한 보조모드에서의 추진제 공급 유량이 설계 유량의 70%, 혼합비 80이 되도록 보조밸브 후단 오리피스를 조정하였다. 보조밸브를 통해 연소실로 산화제 먼저 공급하고 연료를 나중에 공급하는 방식으로 산화제 과잉상태에서 점화되도록 하였다. 점화가 확인되면 바로 주 밸브를 같은 순서로 개방하여 설계조건에서 연소되도록 하여 불필요한 점화모드를 최소화 하였다.
안정적 점화를 위한 점화 유량은 수회의 점화시험을 통해 정해졌다[10]. 안정적 점화를 위한 보조모드에서의 추진제 공급 유량이 설계 유량의 70%, 혼합비 80이 되도록 보조밸브 후단 오리피스를 조정하였다. 보조밸브를 통해 연소실로 산화제 먼저 공급하고 연료를 나중에 공급하는 방식으로 산화제 과잉상태에서 점화되도록 하였다.
6은 예연소기 각 지점에서 측정한 정압신호를 그래프로 나타낸 것이다. 연료 분사압력의 경우 혼합 헤드 내 연료 매니폴드 부재로 혼합헤드 측 연료 공급배관에서 측정하였다.
연소안정성 향상과 생성가스 온도 균일성 향상을 위해 혼합링(Turbulence Ring)을 설치하였다. 연소압 생성을 위한 노즐의 경우 터빈 연결 배관을 고려하여 설계하였다.
예연소기와 시험설비 사이의 액체산소 공급배관은 냉각자켓을 갖는 2중 배관으로 하여 시험 전 충분한 냉각을 통해 예연소기로 액체산소를 원활히 공급할 수 있도록 하였다.
케로신과 액체산소를 추진제로 하는 다단연소방식 액체엔진용 산화제 과잉 예연소 기술 개발을 목적으로 산화제 일부와 연료를 혼합헤드를 통해 연소실에 공급하여 연소시키고 나머지 산화제를 연소실 재생냉각채널을 거쳐 연소실 중앙의 분사공을 통해 연소실로 주입하여 기화시키는 형태로 최종적으로 연소압 20 ㎫, 혼합비 60에서 작동하는 산화제 과잉 예연소기를 설계하여 설계점에서 연소시험을 수행하였다.
연소압 생성을 위한 노즐의 경우 터빈 연결 배관을 고려하여 설계하였다. 터빈 입구 노즐 전단에 해당하는 F 지점에서 생성가스 특성 파악을 위해 정압과 동압을 측정하였으며 Fig. 3과 같이 7개의 열전대를 배치하여 생성가스 횡단면 온도 분포를 측정하였다.
혼합헤드에는 별도의 점화용 분사기 없이 전체 연료 분사기를 통해 점화용 연료인 TEAB를 분사하여 점화하였다. 추진제를 2단계로 공급할 수 있도록 고안된 가압식 연소시험 설비에서 8회, 누적 80초 이상의 설계점 연소시험이 안정적으로 수행되었다.

대상 데이터

본 시험에서는 RD-8과 같이 추진제를 혼합헤드와 연소실로 나누어 공급하는 방식의 예연소기를 사용하였다. 예연소기는 연료와 산화제 일부를 혼합헤드를 통해 연소실에 공급하여 연소시키고 나머지 산화제를 연소실 재생냉각채널을 거쳐 연소실 중앙에 위치한 분사공을 통해 연소실로 주입하여 기화시키는 형태로 최종적으로 연소압 20 ㎫, 혼합비 60에서 작동하도록 설계되었다[4].

이론/모형

점화에는 TEAB와 액체산소를 사용한 접촉발화방식을 사용하였다. Fig.

성능/효과

연소시험결과 설계된 예연소기는 설계점에서 연소압의 경우 특정 주파수를 보이지 안았으며 연소압 대비 RMS(Root Mean Square) 기준 0.7%의 안정적 압력섭동을 보였으며 생성가스 평균온도 대비 최고온도의 편차는 3.9%로 선진 해외 산화제 과잉 예연소기 수준의 안정적 연소특성과 균일한 생성가스 온도 분포를 보였다. 다단연소방식 로켓엔진의 추력 제어를 위해 예연소기는 넓은 운전영역에서 안정적으로 작동하여야 한다.
혼합헤드에는 별도의 점화용 분사기 없이 전체 연료 분사기를 통해 점화용 연료인 TEAB를 분사하여 점화하였다. 추진제를 2단계로 공급할 수 있도록 고안된 가압식 연소시험 설비에서 8회, 누적 80초 이상의 설계점 연소시험이 안정적으로 수행되었다.

후속연구

다단연소방식 로켓엔진의 추력 제어를 위해 예연소기는 넓은 운전영역에서 안정적으로 작동하여야 한다. 추후 예연소기의 탈설계점 연소시험을 통해 예연소기 운영 특성을 파악할 계획이다. 본 연구에서 확보된 고온 고압의 산화제 과잉 예연소기 기술을 통해 케로신/액체산소를 추진제로 하는 다단연소방식 로켓엔진 개발을 위한 기반을 마련할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다단연소방식 액체엔진용 산화제 과잉 예연소기의 추진제는?	케로신과 액체산소를 추진제로 하는 다단연소방식 액체엔진용 산화제 과잉 예연소기를 설계하여 설계점에서 연소시험을 수행하였다. 설계된 산화제 과잉 예연소기는 산화제 일부와 연료를 혼합헤드를 통해 연소실에 공급하여 연소시키고 나머지 산화제를 연소실 재생냉각채널을 거쳐 연소실 중앙의 분사공을 통해 연소실로 주입하여 기화시키는 형태로 최종적으로 연소압 20 MPa, 혼합비 60에서 작동한다.
	설계된 산화제 과잉 예연소기의 특징은?	케로신과 액체산소를 추진제로 하는 다단연소방식 액체엔진용 산화제 과잉 예연소기를 설계하여 설계점에서 연소시험을 수행하였다. 설계된 산화제 과잉 예연소기는 산화제 일부와 연료를 혼합헤드를 통해 연소실에 공급하여 연소시키고 나머지 산화제를 연소실 재생냉각채널을 거쳐 연소실 중앙의 분사공을 통해 연소실로 주입하여 기화시키는 형태로 최종적으로 연소압 20 MPa, 혼합비 60에서 작동한다. 혼합헤드에는 단일 와류형 분사기를 벌집형태로 배열하였으며 가스 온도 균일성 향상과 연소 안정성 향상을 위한 혼합링과 터빈까지의 배관을 고려한 노즐을 장착하였다.
	설계된 산화제 과잉 예연소기의 혼합헤드는 무엇을 장착하였는가?	설계된 산화제 과잉 예연소기는 산화제 일부와 연료를 혼합헤드를 통해 연소실에 공급하여 연소시키고 나머지 산화제를 연소실 재생냉각채널을 거쳐 연소실 중앙의 분사공을 통해 연소실로 주입하여 기화시키는 형태로 최종적으로 연소압 20 MPa, 혼합비 60에서 작동한다. 혼합헤드에는 단일 와류형 분사기를 벌집형태로 배열하였으며 가스 온도 균일성 향상과 연소 안정성 향상을 위한 혼합링과 터빈까지의 배관을 고려한 노즐을 장착하였다. 설계점 연소시험에서 산화제 과잉 예연소기는 높은 연소 안정성과 생성가스의 균일한 온도분포를 보였다.

참고문헌 (11)

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Farhangi, S., Jensen, R.J., Hunt, K., Tuegel, L. and Yu, T., "Oxidizer-Rich Preburner Technology for Oxygen/Hydrogen Full Flow Cycle Applications," Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 200, 2004.

상세보기
Knuth, W.K. and Crawford, R.C., "Oxygen-Rich Combustion Process Applications and Benefits," Modern Engineering for Design of Liquid-propellant Rocket Engines", AIAA, 1992.
Katorgin, B.I., Chvanov, V.K., Chelkis, F.J., Irina G. Lozino-Lozinskaya, I.G. and Tanner, L.G., "Oxidizer-Rich Staged Combustion Rocket Engines Use and Development in Russia," AIAA Space Programs and Technlogies Coference, 1995.
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Ha, S.U., Lee, S.M., Kang, S.H. and Lee, S.Y., "Numerical Analysis on the Supercritical Combustion in Oxidizer-Rich Preburner with Triplex Injector," Proceedings of the 2012 Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conference, pp. 490-493, 2012.
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Moon, I.Y., Moon, I.S., Yoo, J.H., Jeon, J.H., Lee, S.M., Hong, M.G., Ha, S.U., Kang, S.H. and Lee, S.Y., "Ignition Test of an Oxidizer Rich Preburner," Proceedings of the 2011 Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conference, pp. 869-872, 2011.
Moon, I.Y., Moon, I.S. and Lee. S.M., "Study on the Product Gas Temperature Uniformity from a Mixing Head of an Oxidizer Rich Preburner," Proceedings of the 7th National Congress on Fluids Engineering, pp. 455-456, 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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