[논문]증기발생기 내 냉각수 분사 노즐로의 냉각수 공급 방법에 관한 연구

오정화; 신민규; 조영석; 고영성

doi:10.20910/jase.2020.14.5.66

초록
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본 연구에서는 증기발생기 내부로 냉각수 공급 시 화염에 의한 냉각수 분사 노즐 손상이 없도록, 초반 냉각수 공급량을 늘리는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 초기 증기발생기 시험 시 벤추리만 사용하여 유량을 제어하였는데, 초반 유량 안정화 구간 동안 연소실 내부로 냉각수 공급이 되지 않아 냉각수 노즐의 손상이 발생하였다. 이를 해결하기 위해 벤추리와 오리피스를 병렬로 구성하여, 초반 공급 유량을 늘림으로써 냉각수 매니폴드와 연소실 사이 차압을 형성시켜 냉각수를 공급하였다. 수류시험을 통해 벤추리와 오리피스 공급 시퀀스를 확립하였으며, 최종 검증을 위해 연소실험을 진행하였다. 실험 결과 연소 초반 지속적으로 냉각수를 공급하는 것을 확인하였으며, 냉각수 노즐 손상 없이 성공적으로 실험을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a method for increasing the initial water supply was employed to protect the water injection nozzle by the flame when supplying the water to the steam generator. During the initial steam generator test, the flow rate was controlled by using the only venturi, but cooling water was not ...

In this study, a method for increasing the initial water supply was employed to protect the water injection nozzle by the flame when supplying the water to the steam generator. During the initial steam generator test, the flow rate was controlled by using the only venturi, but cooling water was not supplied to the combustion chamber at the beginning of combustion, thereby resulting in damage to the water nozzle. To solve this problem, a venturi and an orifice were configured in parallel to increase the initial supply flow rate to form a differential pressure between the water manifold and the combustion chamber. Venturi and orifice supply sequences were established through the water flow tests, and combustion tests were conducted for final verification. Consequently, a continuous supply of the cooling water at the beginning of combustion was achieved, and the experiment was successfully performed without damaging the cooling water nozzle.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Schematic of Steam Generator
그림 Fig. 2 Initial Combustion Test Result (Only Venturi)
그림 Fig. 3 Thermal Damage of Water Injection Nozzle at Initial Test
표 Table 1 Operating Conditions of Steam Generator
표 Table 2 Design Conditions for Water Injection
그림 Fig. 4 Water Supply Facility
그림 Fig. 5 Water Test (Only Venturi)
그림 Fig. 6 Water Test (Only Orifice)
그림 Fig. 8 Water Test (Venturi + Orifice)
표 Fig. 7 Cyclogram for Venturi + Orifice Test
그림 Fig. 9 Combustion Test Facility
그림 Fig. 10 Combustion Test Results

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 연소가스에 물을 분사시켜 증기를 발생시키는 장치인 증기발생기 개발 과정 초반에 발생한, 냉각수 공급 과정에 있었던 문제를 해결하고자 진행되었다. 증기발생기는 극초음속 추진기관이나 로켓엔진 고공환경모사 실험 설비에서 이젝터 구동용 엔진으로 사용되며, 가스발생기를 모사하기 위한 엔진으로도 사용된다[6,7].
증기발생기는 극초음속 추진기관이나 로켓엔진 고공환경모사 실험 설비에서 이젝터 구동용 엔진으로 사용되며, 가스발생기를 모사하기 위한 엔진으로도 사용된다[6,7]. 본 연구에서 사용한 증기발생기는 고공환경모사 실험 설비의 이젝터 구동용 엔진 목적으로 개발되었다. 증기발생기는 고공시험 설비 운용 측면에서 핵심적인 부품으로, DLR (German Aerospace Center)[8], NASA (National Aeronautics and Space Administration)[9]에서도 관련 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 캐비테이션 벤추리와 오리피스를 병렬 연결하여 사용하는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 증기발생기 운용 시 냉각수 공급 설비를 대상으로 하였으며, 벤추리만 사용하여 유량 제어 시 공급된 냉각수가 매니폴드 정상 압력을 형성하기 전에 연소압이 형성됨으로 인해, 냉각수 공급이 되지 않는 문제를 해결하기 위한 목적으로 진행하였다.
연소실험에 앞서 벤추리와 오리피스 공급 시퀀스 확립 및 제작된 벤추리와 오리피스 검증 목적으로 수류 실험을 진행하였다. 수류 실험은 다음과 같은 세 가지 단계로 진행하였다.
본 연구에서는 캐비테이션 벤추리와 오리피스를 병렬 연결하여 사용하는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 증기발생기 운용 시 냉각수 공급 설비를 대상으로 하였으며, 벤추리만 사용하여 유량 제어 시 공급된 냉각수가 매니폴드 정상 압력을 형성하기 전에 연소압이 형성됨으로 인해, 냉각수 공급이 되지 않는 문제를 해결하기 위한 목적으로 진행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론을 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

P₂는 오리피스의 유량을 결정짓는 후단압력이면서, 냉각수 매니폴드의 압력을 의미한다. P_2,venturi는 벤추리의 후단압력이다. 전술한 바와 같이 이는 물의 포화증기압이며, 거의 0 bar에 가까운 압력으로 변하지 않기 때문에 벤추리의 유량은 P₁에만 의존하여 조절된다.

제안 방법

고공환경모사 실험 설비의 이젝터 구동용 엔진 사용 목적으로 설계되었으며, 이에 대한 자세한 내용은 참고문헌[6]에 기재되어 있다. Equation 7을 통하여 이에 해당하는 냉각수 유량을 보내기 위한 벤추리 및 오리피스를 설계하였다. Table 2는 설계 결과 벤추리 및 오리피스 직경과 가압 압력을 정리한 것이다.
고압 공기를 사용하여 냉각수 탱크를 가압하는 방식으로, 공급 라인은 오리피스와 벤추리를 병렬로 하여 라인을 구성하였다. Hoffer사 터빈유량계(0~1.83 l/s)를 이용하여 유량을 계측하였으며, 오리피스 라인의 경우 유량 2 kg/s로 유량계 계측 범위를 넘어가기 때문에, 설계 유량을 공급하는 벤추리 라인에만 유량계를 장착하였다.
Figure 4는 실험을 위한 냉각수 공급 P&ID(Piping and Instrument Diagram)를 나타낸다. 고압 공기를 사용하여 냉각수 탱크를 가압하는 방식으로, 공급 라인은 오리피스와 벤추리를 병렬로 하여 라인을 구성하였다. Hoffer사 터빈유량계(0~1.
Table 2는 설계 결과 벤추리 및 오리피스 직경과 가압 압력을 정리한 것이다. 냉각수 공급량을 늘려서 냉각수 매니폴드 안정화 시간을 단축하기 위하여, 오리피스를 통한 유량은 2 kg/s가 되도록 설계하였다. 이에 따른 오리피스 후단 압력 P₂는 20 bar이다.
수류실험을 통해 정해진 냉각수 공급 시퀀스를 바탕으로 연소실험을 진행하였다. 연소실험 조건은 Table 1과 같으며 총 연소시간은 10 초 동안 진행하였다.
이를 해결하기 위하여 캐비테이션 벤추리와 오리피스를 병렬 연결하여 일정 구간 공급 유량을 늘림으로써, 충분한 차압을 형성시켜 냉각수를 공급할 수 있는 방안을 구상하여 연구를 진행하였다. 이는 벤추리는 후류의 연소실 압력과 무관하게 유량이 제어되기 때문에, 초기 공급량을 늘리기에 적절한 오리피스를 병렬로 사용하여 연소 초기의 압력이 낮을 때 냉각 유량을 충분히 확보하기 위함이다.

성능/효과

(1) 벤추리와 오리피스를 병렬 구성하여 냉각수를 공급할 경우, 중첩되는 구간에서 설계 유량보다 많은 유량이 공급된다. 따라서 오리피스를 통한 공급 유량은 냉각수 매니폴드 설계 압력 이상 올라가지 않는 한계에서 결정해야 한다.
Figure 10은 실험 결과 압력 그래프를 나타낸 것이다. 수류 시험 결과와 동일하게 밸브 오픈 후 0.3 s 뒤부터 냉각수 매니폴드 압력이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 연소실 압력 형성 시 냉각수 매니폴드와 연소실 압력 사이에 압력 차이를 형성한 것을 확인할 수 있다.
이는 냉각수가 연소실 내부로 공급되고 있다는 의미로, 연소 초반 화염으로 인한 냉각수 노즐손상 없이 성공적으로 실험을 진행하였다고 판단할 수 있다. 실제로 실험 후 육안 검토 결과 냉각수 노즐손상 흔적이 없음을 확인하였다.
연소실 압력이 형성되는 곳 내부로 냉각수를 공급해야하는 상황일 경우, 이상과 같이 벤추리와 오리피스를 병렬 구성하여 초반 냉각수가 공급되지 않는 문제를 해결할 수 있음을 확인하였다. 이 때 사용자는 위와 같은 점을 고려하여 공급 설비를 구축 및 운용한다면 성공적으로 설비를 운용할 수 있을 것으로 판단된다.
3 s 전에 냉각수 공급 밸브를 open 하는 것으로 최종 연소 시퀀스를 확립하였다. 유량의 경우 안정적으로 설계 유량을 공급하는 것을 확인할 수 있었으며, 전술한 바와 같이 벤추리 라인에만 유량계를 설치하였기 때문에, 오리피스를 통해 공급된 유량은 데이터에 나타나지 않았다.
8 bar로 형성되었다. 이 때 유량은 1.07 kg/s로 설계 유량이 안정적으로 공급됨을 확인하였다. Figure 6은 오리피스로만 공급할 시 압력 형성 곡선을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차압식 유량 조절 기구로는 대표적으로 어떤것이 있는가?	대표적으로 많이 사용되는 차압식 유량 조절 기구로는 오리피스와 캐비테이션 벤추리가 있다. 두 방식 모두 압력 차이를 통해 원하는 유량을 공급한다는 점에서는 원리가 동일하지만, 캐비테이션 벤추리는 목에서 공동현상(Cavitation)이 일어나 초킹(Choking)되기 때문에 후단압에 관계없이 일정한 유량을 보낼 수 있다.
	냉각수 노즐의 손상을 방지하기 위해 어떤 방법을 선택했는가?	초기 증기발생기 시험 시 벤추리만 사용하여 유량을 제어하였는데, 초반 유량 안정화 구간 동안 연소실 내부로 냉각수 공급이 되지 않아 냉각수 노즐의 손상이 발생하였다. 이를 해결하기 위해 벤추리와 오리피스를 병렬로 구성하여, 초반 공급 유량을 늘림으로써 냉각수 매니폴드와 연소실 사이 차압을 형성시켜 냉각수를 공급하였다. 수류시험을 통해 벤추리와 오리피스 공급 시퀀스를 확립하였으며, 최종 검증을 위해 연소실험을 진행하였다.
	증기발생기는 어떻게 사용되는가?	본 연구는 연소가스에 물을 분사시켜 증기를 발생시키는 장치인 증기발생기 개발 과정 초반에 발생한, 냉각수 공급 과정에 있었던 문제를 해결하고자 진행되었다. 증기발생기는 극초음속 추진기관이나 로켓엔진 고공환경모사 실험 설비에서 이젝터 구동용 엔진으로 사용되며, 가스발생기를 모사하기 위한 엔진으로도 사용된다[6,7]. 본 연구에서 사용한 증기발생기는 고공환경모사 실험 설비의 이젝터 구동용 엔진 목적으로 개발되었다.

참고문헌 (9)

Sonntag R. E., Borgnakke C., Van Wylen G. J., "Fundamentals of thermodynamics," 6th Ed., John Wiley, New York, 2003.
W. J. Yoon and K. B. Ahn, "An Experimental Study on Flow Characteristics of Cavitation Venturi," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, vol. 19, no. 4, pp. 1-7, 2015.

원문보기 상세보기
S. H. Park, E. Y. Jang, H. H. Park and Y. Kim, "The Effect of Cavitating Venturi on Liquid Propellant Rocket Engine," The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Conference, pp. 719-724, 2000.
W. K. Cho and Y. S. Jung, "Analysis of flow rate control of cavitating venturi," Korean Society for Fluid Machinery conference, pp. 318-324, 2000.
D. H. Kang, K. B. Ahn, B. G. Kim, S. H. Han, H. S. Choi, S. H. Seo and H. G. Kim, "Flow Control Characteristics of the Cavitating Venturi," KSPE spring conference, pp. 139-146, 2013.
T. W. Kim, W. C. Kim, S. J. Kim, Y. M. Han and Y. S. Ko,. "High Altitude Test Facility for Small Scale Liquid Rocket Engine," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, vol. 19, no. 3, pp. 73-82, 2015.

원문보기 상세보기
I. S. Yu, D. H. Shin, J. H. Oh, M. K. Shin, H. J. Lee and Y. S. Ko, "Design/Construction/Operation of Experimental Apparatus for Performance Evaluation of Heat Exchanger," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers-B, vol. 43, no. 5, pp. 313-321, 2019.

상세보기
K. Schafer, C. Bohm, H. Kronmuller, H. Zimmermann, "Development of P4.1 Altitude Simulation for VINCI Engine," Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, pp. 1-10, 2005.
G.P. Saunders, C.A. Mulkey, S.A. Taylor, "Design and Activation of a LOX/GH Chemical Steam Generator," 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2009.

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