[논문]전단동축형 분사기의 유량계수에 대한 형상학적 변수들의 영향

안종현; 이근석; 안규복

doi:10.15435/jilasskr.2020.25.3.95

전단동축형 분사기의 유량계수에 대한 형상학적 변수들의 영향
Effect of Geometrical Parameters on Discharge Coefficients of a Shear Coaxial Injector 원문보기

한국분무공학회지 = Journal of ilass-korea, v.25 no.3, 2020년, pp.95 - 102

안종현 (충북대학교 기계공학부) , 이근석 (충북대학교 기계공학부) , 안규복 (충북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Six shear coaxial injectors for a 3 tonf-class liquid rocket engine using oxygen and methane as propellants were designed and manufactured by considering geometric design parameters such as a recess length and a taper angle. Cold-flow tests on the injectors were performed using water and air as simulants. By changing the water mass flow rate and air mass flow rate, the injection pressure drop under single-injection and bi-injection was measured. The discharge coefficients through the injector oxidizer-side and fuel-side were calculated and the discharge coefficient ratio between bi-injection and single-injection was obtained. Under single-injection, the recess served to reduce the injection pressure drop on the injector fuel-side. For the injectors without recess, the discharge coefficients under bi-injection were almost the same as those under single-injection. However, for the injectors with recess, the taper angle and bi-injection had a significant effect on the discharge coefficient.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Cross-section of the shear coaxial injector
표 Table 1 Geometrical parameters of the injectors
그림 Fig. 2 Schematic of the experimental setup
그림 Fig. 3 Injection pressure drop through the injector: (a) liquid-side and (b) gas-side
표 Table 2 Nominal and experimental conditions of the cold flow tests
그림 Fig. 4 Discharge coefficient through the injector oxidizerside under: (a) single-injection, (b) bi-injection with 50% ṁ_g/ṁ_gd, and (c) bi-injection with 100% ṁ_g ⁄ṁ_gd
그림 Fig. 5 Discharge coefficient through the injector fuel-side under: (a) single-injection, (b) bi-injection with 50% ṁ_g/ṁ_gd, and (c) bi-injection with 100% ṁ/ṁ_gd
그림 Fig. 6 Discharge coefficient ratio through the injector: (a) liquid-side and (b) gas-side

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구팀은 3톤급 메탄엔진에 사용될 후보 분사기를 개발하기 위해 전단동축형 분사기 설계, 제작, 수류실험, 단일분사기 연소기 연소시험을 진행 중이다. 본 논문에서는 설계된 분사기의 수류실험 결과 중 분사차압과 유량계수에 대해 살펴보았다. 전단동축형 분사기의 중요한 형상학적 변수인 리세스 길이와 테이퍼 각도가 분사차압과 유량계수에 어떠한 영향을 주는지 알아보고, 단일분사와 혼합분사에서의 차이를 유량계수 비를 통해 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 액체로켓엔진 분사기의 가장 기본적인 설계 요구조건인 분사기 차압에 대해 살펴보았다. 현재 6종의 전단동축형 분사기에 대한 분무이미지를 측정하여 분열길이와 분무각 분석을 완료하였으며, 유량계수의 급격한 변화 시 분무도 상당히 영향을 받음을 확인하였다.
그동안 국내에서는 케로신엔진 개발에 집중하여 이중 와류동축형(bi-swirl coaxial) 분사기에 대해서는 산학연에 많은 노하우가 축적되었지만, 수소엔진이나 메탄엔진에 사용되는 전단동축형 분사기에 대한 연구는 심도 있게 수행되지 못하였다. 본 연구팀은 3톤급 메탄엔진에 사용될 후보 분사기를 개발하기 위해 전단동축형 분사기 설계, 제작, 수류실험, 단일분사기 연소기 연소시험을 진행 중이다. 본 논문에서는 설계된 분사기의 수류실험 결과 중 분사차압과 유량계수에 대해 살펴보았다.
본 논문에서는 설계된 분사기의 수류실험 결과 중 분사차압과 유량계수에 대해 살펴보았다. 전단동축형 분사기의 중요한 형상학적 변수인 리세스 길이와 테이퍼 각도가 분사차압과 유량계수에 어떠한 영향을 주는지 알아보고, 단일분사와 혼합분사에서의 차이를 유량계수 비를 통해 확인하고자 하였다.

가설 설정

액체메탄은 연소실 재생냉각채널에서 임계압력(45 bar)보다 높은 압력상태로 통과하며 super critical flow를 형성한다. 이때 임계온도에 비해 높은 온도가 액체메탄에 전달되고 gas-like super critical flow 형태의 유동이 형성되기 때문에 분사기로는 액체산소와 기체메탄이 공급되는 것으로 가정하였다⁽¹³⁾. 형상학적 변수에 따른 분무 및 연소특성을 확인하기 위해, 리세스의 유무와 테이퍼 각도를 변수로 총 6종의 분사기를 제작하였다.

제안 방법

각 산화제/연료 매니폴드에 K-type 열전대(Sentech, uncertainty ±1.5K)와 압력계(Sensys, PSH-15B/5B, uncertainty ±0.15%)를 설치하여, 물/공기의 온도와 압력을 측정하였다.
본 수류실험은 상압 조건에서 수행되었기 때문에 대기압과 각 매니폴드에서 측정된 온도를 기준으로 물과 공기의 밀도를 구하였다. 계산된 밀도를 기준으로 분사기 오리피스 내 유속이 연소시험 조건과 동일하도록 수류실험 정격조건을 설정하였다.
단일분사와 혼합분사의 유량계수 차이를 직관적으로 확인하기 위해 유량계수 비를 도입하였다. 유량계수 비는 동일 유량조건에서 혼합분사의 유량계수를 단일분사의 유량계수로 나누어 계산하였다.
리세스 유무와 테이퍼 각도와 같은 형상학적 설계 변수에 따라 6종의 전단동축형 분사기를 설계, 제작하였다. 실제 추진제인 액체산소와 기체메탄 대신 물과 공기를 이용하여 단일분사, 혼합분사 시의 분사차압과 유량계수를 측정하여 분석하였다.
79 m/s이다. 물과 공기 중 하나만 분사하는 단일분사 실험은 정격조건 질량유량의 30%부터 120%까지 각각 10%씩 증가시키며 수행하였다. 물과 공기를 동시에 분사하는 혼합분사 실험은 공기의 질량유량을 정격조건의 50%, 100%로 고정한 후 물의 질량유량을 정격조건의 30%에서 120%까지 10%씩 증가시키며 진행하였다.
물과 공기 중 하나만 분사하는 단일분사 실험은 정격조건 질량유량의 30%부터 120%까지 각각 10%씩 증가시키며 수행하였다. 물과 공기를 동시에 분사하는 혼합분사 실험은 공기의 질량유량을 정격조건의 50%, 100%로 고정한 후 물의 질량유량을 정격조건의 30%에서 120%까지 10%씩 증가시키며 진행하였다.
질량유량과 실제 연소실 압력 50 bar 연소시험 조건에서 각 추진제의 밀도를 구하여 분사기 오리피스 내에서의 유속을 계산할 수 있다. 본 수류실험은 상압 조건에서 수행되었기 때문에 대기압과 각 매니폴드에서 측정된 온도를 기준으로 물과 공기의 밀도를 구하였다. 계산된 밀도를 기준으로 분사기 오리피스 내 유속이 연소시험 조건과 동일하도록 수류실험 정격조건을 설정하였다.
리세스 유무와 테이퍼 각도와 같은 형상학적 설계 변수에 따라 6종의 전단동축형 분사기를 설계, 제작하였다. 실제 추진제인 액체산소와 기체메탄 대신 물과 공기를 이용하여 단일분사, 혼합분사 시의 분사차압과 유량계수를 측정하여 분석하였다.
운동량 플럭스 비를 사용하여 # 50%, 100% 혼합분사 결과들을 함께 정리하였다.
단일분사와 혼합분사의 유량계수 차이를 직관적으로 확인하기 위해 유량계수 비를 도입하였다. 유량계수 비는 동일 유량조건에서 혼합분사의 유량계수를 단일분사의 유량계수로 나누어 계산하였다. 운동량 플럭스 비는 전단동축형 분사기의 분무특성을 결정하는 중요한 작동 변수이다.
조건에서만 Inj #4, #5의 유량계수가 물 단일분사 시 유량계수보다 낮아지는 것을 알 수 있었다. 이외의 분사기들에서는 이러한 현상이 발견되지 않았으며, 혼합분사 시 유량계수 변화에 대해서는 3.3절에서 구체적으로 살펴보았다.
이때 임계온도에 비해 높은 온도가 액체메탄에 전달되고 gas-like super critical flow 형태의 유동이 형성되기 때문에 분사기로는 액체산소와 기체메탄이 공급되는 것으로 가정하였다⁽¹³⁾. 형상학적 변수에 따른 분무 및 연소특성을 확인하기 위해, 리세스의 유무와 테이퍼 각도를 변수로 총 6종의 분사기를 제작하였다. 리세스 길이가 산화제 포스트의 직경과 동일할 때 우수한 미립화 성능을 보여주었다는 연구결과를 바탕으로, 본 연구에서는 산화제 포스트의 직경보다 약간 크게 5 mm의 리세스 길이를 선정하였다⁽¹⁰⁾.

대상 데이터

형상학적 변수에 따른 분무 및 연소특성을 확인하기 위해, 리세스의 유무와 테이퍼 각도를 변수로 총 6종의 분사기를 제작하였다. 리세스 길이가 산화제 포스트의 직경과 동일할 때 우수한 미립화 성능을 보여주었다는 연구결과를 바탕으로, 본 연구에서는 산화제 포스트의 직경보다 약간 크게 5 mm의 리세스 길이를 선정하였다⁽¹⁰⁾. 리세스 길이와 테이퍼 각도를 제외하고, 모든 분사기의 내·외부 형상은 동일하다.
분사차압이 연소실 압력 대비 15% 미만에서는 저주파 연소불안정이 발생하기 쉽기 때문에 적절한 분사차압을 갖는 분사기를 설계하는 것이 중요하다⁽⁴⁾. 본 연구에 사용된 분사기는 정격조건 연소실 압력 50 bar에서 액체산소/기체메탄 모두 10 bar의 분사차압을 목표로 설계되었다.
본 연구에 사용된 전단동축형 분사기는 액체산소/액체메탄을 추진제로 사용하는 진공추력 3톤급 로켓엔진 연소기(정격조건 연소실 압력 50 bar, 산화제/연료 혼합비 3.6)를 위해 설계되었다. 액체메탄은 연소실 재생냉각채널에서 임계압력(45 bar)보다 높은 압력상태로 통과하며 super critical flow를 형성한다.
설계된 3톤급 메탄엔진 연소기의 분사기당 유량은 액체산소 181.17 g/s, 메탄 50.33 g/s이다. 질량유량과 실제 연소실 압력 50 bar 연소시험 조건에서 각 추진제의 밀도를 구하여 분사기 오리피스 내에서의 유속을 계산할 수 있다.
2에 도시하였다. 실제 분사기에 공급되는 추진제는 액체산소와 기체메탄이지만, 본 수류실험에서는 안전을 위해 액체산소 대신 물을 기체메탄 대신 공기를 사용하였다. 두 모사 추진제는 서로 다른 제어장치를 통해 유량을 조절하였다.

성능/효과

단일분사와 혼합분사 간의 유량계수 비를 통해 리세스가 없는 분사기에서는 분사과정에서 산화제와 연료가 서로 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다. 리세스가 있는 분사기에서는 테이퍼 각도와 운동량 플럭스 비에 따라 산화제와 연료 간 영향의 정도가 달라짐을 알 수 있었다.
물/공기 혼합분사 시, 리세스의 유무가 연료 분사기 유량계수에 큰 영향을 줌을 알 수 있었다.
분사기 내부 액체 산화제 포스트의 테이퍼 각도 시작지점은 날카로우며 특히 Inj #6의 경우 테이퍼 각도가 크기 때문에 테이퍼 벽면에서 유동이 쉽게 박리되고 빠른 물 속도에서는 주위 공기를 끌어당기게 되어 연료 분사기 출구에서의 압력을 낮추게 된다. 실험적으로도 물 유량이 많은 경우, Inj #4, #5, #6에서 물/공기 혼합분사 시의 연료 매니폴드 압력이 공기 단일분사 시의 값보다 낮아지는 것을 확인하였다.
정격유량 대비 60% 이상의 # 조건에서는 리세스 유무나 테이퍼 각도가 유량계수에 거의 영향을 주지 않음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 액체로켓엔진 분사기의 가장 기본적인 설계 요구조건인 분사기 차압에 대해 살펴보았다. 현재 6종의 전단동축형 분사기에 대한 분무이미지를 측정하여 분열길이와 분무각 분석을 완료하였으며, 유량계수의 급격한 변화 시 분무도 상당히 영향을 받음을 확인하였다. 또한 Inj #2와 #5를 적용한 단일분사기 연소기 헤드를 제작하여 실제 추진제인 액체산소/기체메탄을 이용한 연소시험을 수행 중이다.

후속연구

또한 Inj #2와 #5를 적용한 단일분사기 연소기 헤드를 제작하여 실제 추진제인 액체산소/기체메탄을 이용한 연소시험을 수행 중이다. 이러한 연구결과들은 후속 논문으로 제출될 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미립화에 대한 형상학적 변수의 효과는 어떤 연구를 통해서 확인 되었는가?	지금까지 많은 연구를 통해 미립화에 대한 형상학적 변수의 효과가 확인되었다. Fusetti(6) 등은 챔버 압력 1.5 ~ 3.0 bar 수류실험을 수행하여, 산화제 포스트 벽 두께가 클수록 미립화 효과가 운동량 플럭스 비와 웨버 수에 독립적이라는 결과를 보여주었다. Tani(9) 등은 초임계 압력에서 액체질소와 헬륨을 모사 추진제로 사용한 수류실험을 통해 리세스 길이와 테이퍼 각도의 증가가 혼합을 향상시킨다고 주장하였다. Nunome(10) 등은 전단 동축형 분사기의 리세스 길이와 유동 불안정성 사이의 관계를 수류실험을 통해 확인하였다. Glogowski(11) 등은 리세스가 있는 분사기에서 테이퍼 유무에 따른 미립화 특성을 확인하였다. Oh(12) 등은 기체 중심 동축형 분사기에서 접선방향 유입구 지름에 따른 액체 가진에 대한 연구를 수행하였다.
	산화제와 연료 모두 극저온 추진제를 사용하는 액체로켓엔진에는 어떤 분사기가 적용되는가?	미국 SSME(Space Shuttle main engine), 유럽 Vulcain, 일본 LE-7 등과 같이 산화제와 연료 모두 극저온 추진제를 사용하는 액체로켓엔진에는 주로 전단동축형 분사기가 적용된다(1-3). 이들 엔진들은 또한 액체산소와 액체수소를 이용하여 높은 비추력 성능을 발휘한다(4).
	산화제로서 메탄은 어떤 장점을 갖는가?	최근 저비용/재사용 발사체 요구가 증가함에 따라 탄화수소 연료 중 산소와 결합하여 가장 높은 비추력을 갖는 메탄이 주목받고 있다(5). 메탄은 수소에 비해 높은 밀도를 갖으며, 비용이 훨씬 저렴하고, 취급하기 용이하다는 장점을 가지고 있다(6).

참고문헌 (15)

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상세보기
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Y. Nunome, H. Tamura, T. Onodera, H. Sakamoto, and A. Kumakawa, "Effect of liquid disintegration on flow instability in a recessed region of a shear coaxial injector", 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2009.
M. Glogowski and M. M. Micci, "Shear coaxial injector spray characterization near the LOX post tip region", 31st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1995.
S. Oh, G. Park, S. Kim, H. Lee, Y. Yoon, and J. Y. Choi, "A study on dynamic characteristics of gas centered swirl coaxial injector varying tangential inlet diameter wit liquid pulsation", Journal of ILASSKorea, Vol. 22, No. 2, 2017, pp. 62-68.
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상세보기
C. J. H. van den Bosch, and R. A. P. M. Weterings, "Methods for the calculation of physical effects", Gevaarlijke Stoffen, 2005.
I. E. Idelchik, "Handbook of hydraulic resistance", Begell House, 1996.

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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