[논문]직결형 설비를 이용한 초음속 연소기 연소 시험

양인영; 이경재; 이양지; 이상훈; 김형모; 박부민

doi:10.6108/kspe.2018.22.3.001

직결형 설비를 이용한 초음속 연소기 연소 시험
Combustion Test for a Supersonic Combustor Using a Direct-Connected Facility 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.22 no.3, 2018년, pp.1 - 7

양인영 (Engine System Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 이경재 (Engine System Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 이양지 (Engine System Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 이상훈 (Engine System Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 김형모 (Engine Component Research Team, Korea Aerospace Research Institute) , 박부민 (Engine Component Research Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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직결형 초음속 연소기 시험 설비를 사용하여 초음속 연소기에 대한 연소 시험을 수행하였다. 설비는 필요한 유동 조건을 모사할 수 있음을 검증하였다. 시험 조건은 유속 마하 2.0, 온도 $915^{\circ}C$, 압력 496 kPa을 15초 동안 모사할 수 있었다. 연소기 모델은 기체 수소를 연료로 사용하여 연료 당량비 0.12에서 점화 및 화염 유지가 가능함을 검증하였다. 이 유동 조건에서 연소 효율은 71%였으며 초음속 유동이 유지되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A combustion test for a supersonic combustor was conducted using a direct-connected type supersonic combustor test facility. The facility was verified for the capability of simulating required flow conditions. The test condition was maintained at Mach 2.0, $915^{\circ}C$ and 496 kPa for 15 s. Using gaseous hydrogen as the fuel, the combustor model was also tested for its ignition and flame holding capability at the fuel equivalence ratio of 0.12. Combustion efficiency was 71%, and the supersonic flow regime was obtained at this test condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

시험은 연료 공급 및 연소의 유무에 따른 내부 유동 특성을 관찰하기 위하여 수행하였다. 이 논문에서 연료 공급 조건은 상부 파일럿 연료 분사 조건만을 다루었다.
이 연구에서는 이러한 초음속 연소기 문제 해결 연구를 위한 시작 단계로서 기존에 보유하고 있는 자유류형(freejet type) 시험 설비를 사용한 엔진 전체 모델 연구[2, 3]가 아닌, 직결형 시험 설비를 이용한 초음속 연소기 모델 연구를 통해 모델 및 설비의 성능 데이터를 확보하고자 하였다. 이를 통해 향후 점화 및 화염 유지 문제와 더불어 내열 재료 문제를 해결하기 위한 연구를 수행하는 데 기초 자료로 삼고자 하였다.
이 연구에서는 이러한 초음속 연소기 문제 해결 연구를 위한 시작 단계로서 기존에 보유하고 있는 자유류형(freejet type) 시험 설비를 사용한 엔진 전체 모델 연구[2, 3]가 아닌, 직결형 시험 설비를 이용한 초음속 연소기 모델 연구를 통해 모델 및 설비의 성능 데이터를 확보하고자 하였다. 이를 통해 향후 점화 및 화염 유지 문제와 더불어 내열 재료 문제를 해결하기 위한 연구를 수행하는 데 기초 자료로 삼고자 하였다.

가설 설정

연료 공급 유량은 Flowmeters 사의 FMT8-3 터빈 유량계를 사용하여 측정한다. 주 유동 유량은 설비 노즐을 임계 노즐(critical nozzle)로 가정하고, 노즐 상류 압력 및 온도를 측정하여 이로부터 계산한다. 주 유동 온도는 Omega 사의 열전대로 측정한다.

제안 방법

데이터 처리에는 연소기 내부 유동을 준일 차원(quasi one dimensional) 유동으로 가정하고 질량 방정식, 모멘텀 방정식, 상태 방정식을 푸는 방법을 사용하였으며 그 상세한 과정은 양인영 등[5]에 기술되어 있다.
연소기 모델에 대하여 연소 시험을 통하여 획득할 수 있는 데이터는 모델 상 벽면 정압력의 분포이므로 정성적인 분석은 이 벽면 정압력 분포를 통해 수행하였다. 또한 별도의 데이터 처리 과정을 거쳐 이 벽면 정압력 분포를 다른 정량적인 유동 인자(전압력, 온도, 속도 등)로 변환하였다. 데이터 처리에는 연소기 내부 유동을 준일 차원(quasi one dimensional) 유동으로 가정하고 질량 방정식, 모멘텀 방정식, 상태 방정식을 푸는 방법을 사용하였으며 그 상세한 과정은 양인영 등[5]에 기술되어 있다.
연소기 모델에 대하여 연소 시험을 통하여 획득할 수 있는 데이터는 모델 상 벽면 정압력의 분포이므로 정성적인 분석은 이 벽면 정압력 분포를 통해 수행하였다. 또한 별도의 데이터 처리 과정을 거쳐 이 벽면 정압력 분포를 다른 정량적인 유동 인자(전압력, 온도, 속도 등)로 변환하였다.
연소기 시험 모델은 비행체의 비행 속도 마하 5의 비행체에 사용되는 초음속 연소기를 상정하여 개발하였다. 연소기 입구 유동 속도는 마하 2.
시험은 연료 공급 및 연소의 유무에 따른 내부 유동 특성을 관찰하기 위하여 수행하였다. 이 논문에서 연료 공급 조건은 상부 파일럿 연료 분사 조건만을 다루었다. 시험 시 유동 조건은 Table 2와 같다.
이 연구에서는 직결형 초음속 연소 시험 설비를 구축하고 이를 활용하여 초음속 연소기의 연소 시험을 수행하였다. 연소 시험 설비는 초음속 연소기의 연소 시험을 수행하는 데 필요한 유동 조건을 모사할 수 있음을 검증하였다.
시험 과정은 먼저 시험 조건(연소기 입구의 압력 및 온도 조건)을 조성하는 것으로 시작한다. 이를 위해서는 먼저 설비에 압축 공기를 공급하면서 전기식 공기 가열기(EAH)로 공기를 가열하여 가능한 온도까지 도달한 후 연소식 공기 가열기(VAH)로 추가 가열하여 시험 조건을 조성한다. 조건이 조성된 상태에서 전기 스파크 점화기 점화 → 파일럿 연료 공급 → 주 연료 공급의 순서로 진행하여 연소 상태에서 데이터를 획득한다.
초음속 연소기 모델의 연소 시험을 수행하기 위하여 직결형 초음속 연소기 시험 설비를 개발하였다. 설비는 스크램젯 엔진에서 흡입구 및 노즐을 제외하고 초음속 연소기만으로 구성된 모델에 대한 시험을 수행할 수 있는 설비이다.

대상 데이터

연료는 주 연료로 액체 탄화수소 연료, 파일럿 연료로 기체 수소를 사용한다. 주 연료 분사기 및 보조 연료 분사기 블록의 형상은 Fig.
연소기 유로 단면적은 연소기 입구 기준으로 32 mm (H) X 70 mm (W)이며, 전체 길이는 960 mm, 이 중 격리부 길이는 260 mm이다. 연소기 내부 유로 형상은 Fig.
조건이 조성된 상태에서 전기 스파크 점화기 점화 → 파일럿 연료 공급 → 주 연료 공급의 순서로 진행하여 연소 상태에서 데이터를 획득한다.

성능/효과

EAH 를 이용하여 시간 t = 9 초 이전 1시간 정도 가열하여 온도를 360 ℃까지 상승시켰다. t = 9 초 에 VAH 가동, t = 24 초에 산소 분율을 맞추기 위한 산소 공급을 시작하였고, 이후 t = 32-47 초 사이의 15초 동안 안정적인 시험 조건을 유지할 수 있었다. 이 시간 동안 온도는 2.
이 연구에서는 직결형 초음속 연소 시험 설비를 구축하고 이를 활용하여 초음속 연소기의 연소 시험을 수행하였다. 연소 시험 설비는 초음속 연소기의 연소 시험을 수행하는 데 필요한 유동 조건을 모사할 수 있음을 검증하였다. 향후 본 설비는 작동 시간을 수 분 이상으로 증가시킴으로써 초음속 연소 시험뿐만 아니라 열전달 시험 및 연소기 내구성 시험에도 활용할 수 있도록 할 계획이다.
전온도 데이터를 선형 보간한 결과 모델 입구와 출구의 전온도 차이는 약 130 K이며, 이것은 데이터 처리에 의한 오차에 해당한다.
초음속 연소기는 수소 연료를 사용할 때 마하 2 유동 조건에서 화염의 점화 및 유지가 가능하도록 설계되었음을 검증하였다. 연소 효율은 수소 연료의 초음속 유동 연소로서 평균적인 수준이었다.

후속연구

연소 효율은 수소 연료의 초음속 유동 연소로서 평균적인 수준이었다. 개발된 연소기를 바탕으로 향후 연소 효율을 높이는 연구를 수행할 필요성은 있다고 판단된다. 또한 이 연소기를 바탕으로 하여 탄화수소 연료를 사용한 초음속 연소 연구를 수행할 예정이다.
개발된 연소기를 바탕으로 향후 연소 효율을 높이는 연구를 수행할 필요성은 있다고 판단된다. 또한 이 연소기를 바탕으로 하여 탄화수소 연료를 사용한 초음속 연소 연구를 수행할 예정이다.
설비 성능은 애초 목표로 한 것 대비 온도 측면에서 130 ℃, 압력 측면에서 50 kPa 정도 낮았는데, 온도는 VAH의 연료를 늘림으로써 향후 목표 성능을 달성할 예정이나 압력은 설비 한계로 인해 추가 증가는 불가능할 것으로 판단된다. 또한 시험 조건 유지 시간은 지속적으로 늘려 나갈 예정이다.
연소 시험 설비는 초음속 연소기의 연소 시험을 수행하는 데 필요한 유동 조건을 모사할 수 있음을 검증하였다. 향후 본 설비는 작동 시간을 수 분 이상으로 증가시킴으로써 초음속 연소 시험뿐만 아니라 열전달 시험 및 연소기 내구성 시험에도 활용할 수 있도록 할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음속 유동조건에서 초음속 연소기의 가장 중요한 요소는 무엇인가?	스크램젯 엔진의 핵심 부품인 초음속 연소기는 초음속 유동 조건에서 점화 및 화염 유지, 연소 효율 확보가 가장 큰 관건이다. 또 한편으로는 외부 공기를 이용한 고온부 냉각이 불가능하고 연료를 이용한 냉각에도 한계가 있어 내열 재료의 문제가 크다고 할 수 있다.
	초음속 연소기는 무엇을 연료로 사용하는가?	연료는 주 연료로 액체 탄화수소 연료, 파일럿 연료로 기체 수소를 사용한다. 주 연료 분사기 및 보조 연료 분사기 블록의 형상은 Fig.
	전온도 계산 결과가 하류로 가면서 상승하는 것처럼 보인 이유는 무엇인가?	연료가 공급되지 않고 있으므로 실제로는 전온도 상승이 없는데, 전온도 계산 결과는 공동 위치 이전까지는 거의 일정하지만 그 이후로는 하류로 가면서 마치 약간씩 상승하는 것처럼 나타나고 있다. 그 이유는 전온도 계산식이 준일차원 유동을 가정하고 있는 반면 실제로는 공동 위치 에서 충격파 및 팽창파가 발생하고 이것이 공동 하류에서 연소기 벽면에 반사되는 등 공동에 의해 연소기 유동이 준일차원성에서 벗어나기 때 문이다. 준일차원 유동이라는 가정 하에서는 x = 460 mm 이후 유로 확장에 따라 정압력이 낮아져야 하는데, Fig.

참고문헌 (6)

Kim, C.T., Yang, I., Lee, K.J. and Lee, Y.J., "Technology Development Prospects and Directions of Reusable Launch Vehicles and Future Propulsion Systems," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 44, No. 8, pp. 686-694, 2016.

원문보기 상세보기
Yang, I., Lee, Y.J., Lee, K.J. and Park, C., "Effect of Combustor Configuration on Flow and Combustion in a Scramjet Engine," Journal of Propulsion and Power, Vol. 29, No. 3, pp. 751-755, 2013.

상세보기
Yang, I., Lee, Y.J., Lee, K.J., Choi, S.M. and Park, C., "Combustion Experiments for a Liquid Hydrocarbon Fueled Mach 5 Scramjet Engine Model," Journal of Propulsion and Power, Vol. 30, No. 5, pp. 1433-1438, 2014.

상세보기
Yang, I., Lee, K.J., Lee, Y.J. and Kim, H.M., "Development of a Direct-Connected Supersonic Combustor Test Facility," 48th Korean Society of Propulsion Engineers Spring Conference, Jeju, Korea, pp. 290-293, May 2017.
Yang, I., Lee, K.J., Lee, Y.J. and Kim, C.T., "Ramjet Mode Combustion Test for a Dual-Mode Ramjet Engine Model with a Large Backward-Facing Step," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 20, No. 6, pp. 83-90, 2016.

원문보기 상세보기
McBride, B.J and Gordon, S., "Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications," NASA, Cleveland, Ohio, U.S.A., Reference Publication 1311, 1996.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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