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문제 정의
- Jin et al.은 초음속 노즐을 이용한 연료 분사 방법을 제시하였는데[14], 본 논문에서는 이에 대한 효과를 확인하기 위하여 초음속 공력 램프 연료 분사 장치를 만들고 연료 분사 및 점화 시험을 수행하여 경사 분사 결과와 비교하였다.
가설 설정
- 고도 20 km, 마하수 4 비행 조건을 가정한 시 험을 수행하였다. 외부 흡입구를 감안하여 격리 부 전단의 유동 마하수가 1.
제안 방법
- Rayleigh 초음속 피토 관계식을 이 용하여 수직 충격파 상류의 압력을 계산할 수 있지만, 본 시험에서 연소 가스의 물성을 정확히 모르기 때문에 피토 전압력을 평가 지표로 사용 하였다.
- 5). 경사 분사는 분사 홀이 5개이나 공력램프 분사는 4개이므로 동일 당량 비 조건 시험을 위해 연료 가압력을 조절하여 시험 하였다. 수소 인젝터의 직경은 2.
- 계측에는 압력 79 채널, 온도 24 채널을 할당 하였으며, 압력 69 채널은 스캐너(PSI, 98RK 200psi)를 통해 100 Hz로 계측되며 10 채널은 분기 되어 1 kHz의 고속 압력센서(Honeywell, FPG200, 200psi)로 계측된다. 상부 벽면 압력은 52 채널(고속 10 채널 포함), 하부 벽면 압력은 27 채널이다.
- 이후 파일럿 연료인 수소를 공급하고, 연이어 토치를 작동시켜 연소기가 점화되도록 한다. 곧이어 토치와 수 소가 순차적으로 차단되고 화염이 유지되는 동 안 연료량을 바꾸어가며 연소시험이 진행된다. 연료가 차단되면 즉시 소화가 이루어지며, 연료 가열 공기 차단, 고온 고압 공기 차단 순으로 시 험이 종료된다.
- 공동형 화염 안정화 장치를 갖는 초음속 연소 기에 대해 액체 탄화수소 연료를 이용하여 연소 시험을 수행하였다. 초음속 연소기 내부의 연소 상태를 종합적으로 판단할 수 있는 벽면 정압력 분포와 출구 전압력 분포를 얻었고 이를 통해 경사 분사, 공력 램프 분사의 연소 상태를 분석 하였다.
- 3과 같다. 메탄을 연소시켜 고온의 연소가스를 얻은 후 상온 고압 공기를 혼합시켜 300 ℃가 되도록 하며 여기에 액체 연료를 직경 0.7 mm의 오리 피스를 통해 분사하여 액체 연료의 미립화 및 기화를 촉진시키고 동시에 주유로에 분사 시 혼 합과 연소 효율 향상을 도모하였다. 시험에 사용 된 경사 분사(Inclined Injector) 장치와 공력 램프 분사(Aeroramp Injector) 장치 모두 예혼합된 (Pre-mixed) 연료를 분사하도록 되어 있다.
- 고도 20 km, 마하수 4 비행 조건을 가정한 시 험을 수행하였다. 외부 흡입구를 감안하여 격리 부 전단의 유동 마하수가 1.8이 되도록 하고, 이 에 해당하는 축소확대 노즐을 설계하였다. 공기 공급 유량은 일정하므로 연료 압력을 변화시켜 당량비가 달라지도록 하였으며 대표적인 비연소 시험 및 연소 시험 조건을 Table 1에 표기 하였 다.
- 공동형 화염 안정화 장치를 갖는 초음속 연소 기에 대해 액체 탄화수소 연료를 이용하여 연소 시험을 수행하였다. 초음속 연소기 내부의 연소 상태를 종합적으로 판단할 수 있는 벽면 정압력 분포와 출구 전압력 분포를 얻었고 이를 통해 경사 분사, 공력 램프 분사의 연소 상태를 분석 하였다.
대상 데이터
- 경사 분사 장치는 직경 2.5 mm의 단일 직경 분사 노즐로, 공동 시작 지점에서 100 mm 상류 에 전방 3개, 후방 2개로 총 5개가 설치되었다. 앞뒤 간격 50 mm, 좌우 간격 20 mm이며, 유동 면에 대해 15°후방으로 분사된다.
- 2와 같다. 시험 장치는 압축 공기 공급 장치, 연소식 히터(Vitiated Heater), 축 소확대 노즐(Convergent-Divergent Nozzle)이다.
- 1는 공동형 화염 안정화 장치를 갖는 초 음속 연소기의 내부 유로 형상이다. 시험에 사용 된 초음속 연소기는 전체 엔진에서 외부 흡입구 와 노즐이 제외된 격리부(Isolator)와 연소기 (Combustor)의 구성이며 연소기는 공동형 화염 안정화 장치를 포함한다. 전체 길이는 1830.
- 상부 벽면 압력은 52 채널(고속 10 채널 포함), 하부 벽면 압력은 27 채널이다. 온도 계측은 K-type 열전대 (Omega, HKMQSS-062V)를 사용하였으며, 상부 벽면 17 지점, 하부 벽면 7 지점의 온도를 계측 하였다. 격리부 내부 유동 확인을 위해 Shadow 가시화법을 적용하였고, 공동 주변의 내부 유동 및 초음속 연소기 외부 유동은 캠코더(Sony, FDR-AX100)를 이용하여 30 fps로 노출을 고정 하여 촬영하였다.
- 파일럿 연료로 수소가 쓰이며, 점화원은 메탄 토치 점화기가 사용된다. 주연료는 고밀도 액체 탄화수소(C10H16)이며 공기 보조 연료 분사 장치 를 통해 주유로(Main Stream)에 분사된다.
이론/모형
- 온도 계측은 K-type 열전대 (Omega, HKMQSS-062V)를 사용하였으며, 상부 벽면 17 지점, 하부 벽면 7 지점의 온도를 계측 하였다. 격리부 내부 유동 확인을 위해 Shadow 가시화법을 적용하였고, 공동 주변의 내부 유동 및 초음속 연소기 외부 유동은 캠코더(Sony, FDR-AX100)를 이용하여 30 fps로 노출을 고정 하여 촬영하였다. 제어와 계측은 별도의 컴퓨터 를 두었고, 계측은 제어 신호와 연동하여 저장되 도록 하였다.
성능/효과
- 경사 분사의 경우는 연료량을 증가시키더라도 높일 수 없는 전압력 한계가 있었으며, 공력 램 프 분사의 경우는 연료량을 증가시키면 연소실 압력이 격리부 전방까지 전파되어 일정량 이상 의 연료를 사용할 수 없는 한계가 확인되었다. 이러한 연소 특성은 초음속 연소기를 갖는 엔진 의 운용 범위를 정하는데 귀중한 자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
- 공력 램프 분사가 항상 높은 화염 분포 균일 도를 보였고, 당량비 변화에 따른 출구 전압력 상승 관계를 나타내는 기울기는 공력 램프 분사 가 경사 분사보다 컸으나 낮은 당량비에서는 경 사 분사의 전압력이 높았고, 높은 당량비에서는 공력 램프 분사의 전압력이 높았다. 낮은 당량비 조건에서는 높은 연료 침투 거리에 따른 전압력 손실이 상대적으로 크게 작용하고, 높은 당량비 조건에서는 연소 효율 향상에 의한 전압력 상승 이 연료 침투 거리에 의한 압력 감소보다 크다 고 판단된다.
- 다만, 단일 지점에서의 시험 조건 변화에 따른 경향을 파악 할 수 있으나, 축방향 분포에 대해서는 불확실한 요소가 많아 분석한 내용을 본문에 담지 않았다. 그러나 상대적으로 유속이 느리고 온도가 낮은 초음속 노즐의 상류 유동 온도, 연료가열 공기의 온도는 열전대를 유동 중심에 위치시켜 정상적 으로 계측 할 수 있었다.
- 마하수 4 비행 조건에 해당하는 시험으로 모 든 경우에 램모드로 동작하였으며, 당량비가 증가할수록 연소실의 압력이 상부로 전파됨을 확인하였다.
- 본 연구팀은 지난 2017년 AFRL(Air Force Research Laboratory)의 형상을 참고[6]로 공동 형 화염 안정화 장치(Cavity Type Flame Holder)를 갖는 이중모드 램제트(Dual Mode Ramjet) 모델 연소기에 관한 직접연결 시험 (Direct-Connected Test)을 수행하여, 안정적인 보염 특성은 확인하였으나, 연소기 외부의 후류 에서 화염이 편중됨을 확인하였다[7-9]. 이러한 현상의 원인은 분사된 연료의 주유동 침투거리, 연료-공기 혼합에 필요한 시간 등으로 볼 수 있 다.
- 89)를 갖는다면 내부 유동이 아음 속이라고 할 수 있다. 비열비를 1.4로 두고 경사 분사, 공력 램프 분사 상류의 압력조건 546 kPa, 536 kPa에 대해 마하수 1인 압력비를 적용하면 각각 284 kPa, 283 kPa이 되는데, Fig. 13을 보 면 두 경우 모두 화염이 존재하는 영역에서 300 kPa 이상이므로 모두 아음속 유동 상태의 연소 가 이루어지는 램 모드임을 알 수 있다.
- 다 른 측면에서는 경사 분사 장치가 적용된 동일 초음속 연소기에서 마하수 4 조건에서는 모든 연료량에 대해 안정적으로 동작할 것으로 예상 된다. 전체적인 기울기는 공력 램프 분사가 크므 로 연료량 변화에 따른 추력 향상 효과는 공력 램프 분사가 크다고 할 수 있다. 그러나 Table 3 과 Fig.
- 연소 효율은 출구에서 계측된 평균 피토 전압 력으로 판단할 수 있는데, 연료 분사에 따른 상 류 전압력 손실과 연소에 따른 내부 압력 상승, 유속 변화 등이 모두 포함되어 출구의 전압력으 로 나타나기 때문이다. 화염 분포의 균일도는 레 이크의 각 지점에서 계측된 전압력의 표준편차 로 평가할 수 있는데, 측정된 전압력 간에 차이 가 크면 표준편차가 크고, 차이가 작으면 표준편 차가 작으므로 작은 표준편차를 가지는 연소기 가 보다 균일한 화염 분포를 가진다고 할 수 있 다. 본 실험에서 화염 분포 차이를 만들 수 있는 요소는 연료 분사 방법이고, 두 연료 분사 방법 의 가장 큰 차이는 연료 침투거리와 그에 따른 연료-공기의 혼합 정도이다.
후속연구
- 침투 거리 증대 면에서는 수직 분사가 가장 효과적인 방법이지만, 전압력 손실 이 크고 이로 인한 엔진 효율의 저하가 발생한 다는 단점이 있다. 대안으로 공력 램프와 같은 다단의 분사를 통해 전압력 손실을 줄이면서 침 투 거리를 향상 시키는 방안이 있는데[10-13], 일 반 공력 램프가 적용된 사례는 연료 분사 노즐에서의 분사 속도가 음속 수준이기 때문에 침투 거리 증대 면에서 한계가 있을 수밖에 없지만, 연료 유동을 초음속으로 가속 시킨다면 보다 나 은 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. Jin et al.
- 경사 분사의 경우는 연료량을 증가시키더라도 높일 수 없는 전압력 한계가 있었으며, 공력 램 프 분사의 경우는 연료량을 증가시키면 연소실 압력이 격리부 전방까지 전파되어 일정량 이상 의 연료를 사용할 수 없는 한계가 확인되었다. 이러한 연소 특성은 초음속 연소기를 갖는 엔진 의 운용 범위를 정하는데 귀중한 자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
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