[논문]소형 액체로켓엔진 인젝터의 분무패턴 분석

정훈; 김진석; 김정수; 박정; 김성초; 장기원

[국내논문] 소형 액체로켓엔진 인젝터의 분무패턴 분석
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정훈 (순천대학교 기계공학과 대학원) , 김진석 (순천대학교 기계공학과 대학원) , 김정수 (순천대학교 기계우주항공공학부) , 박정 (순천대학교 기계우주항공공학부) , 김성초 (순천대학교 기계우주항공공학부) , 장기원 ((주)한화, 대전공장)

단일액체추진제 하이드라진 추력기의 인젝터로부터 발생하는 분무 특성을 파악하기 위해 입자영상유속계 및 레이저 도플러 유속계 기법을 적용하였다. 입자영상유속계를 이용하여 순간 평면 이미지를 획득하고 이 영상 자료를 통해 압력에 따른 분무정도 및 인젝터 분무성능을 판단하였다. 영상 이미지에서 누락된 분무 입자의 속도 및 입경 계측을 위해 레이저 도플러 유속계 계측방법을 적용하였다. 계측된 두 실험결과를 비교함으로써 분무 특성에 대한 명확한 이해 뿐만 아니라 인젝터 설계 변수 도출이 본 연구의 목적이다.

Spray characteristics of an injector employed in mono-propellant hydrazine thrusters were investigated by PIV(particle image velocimetry) and LDA/PDA(laser/phase Doppler anemometry) techniques. The instanteneous plane image data captured by PIV measurement were examined in order to judge a pass-fail criteria of spray injection performance according to the specific pressure supplied. LDA/PDA technique were also applied to measure the velocity and droplet size of spray were not obtained from PIV measurement. The objective of this experimental study was the clear understanding of spray characteristics as well as the derivation of injector performance to understand clearly the spray characteristics by comparing the both results.

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문제 정의

본 연구에서는 입자영상유속계 (PIV, particle image velocimetry), 레이저/위상 도플러 유속계 (LDA/PDA, laser/phase Doppler anemometry) 를 이용하여 인젝터 (injector) 출구 압력이 50~ 400 psi 범위에서 50 psi 간격으로 8개의 압력 조건에서 인젝터 구멍으로부터 발생하는 분무 각 (spray angle), 액적의 속도 및 직경과 같은 분무의 특성을 파악하고자 한다.

제안 방법

2에 나타내었다. 평면에서의 순간 이미지를 획득하기 위해서 PIV 기법을 사용하였는데 장치는 120mJ 출력의 Nd:Yag 레이저, 레이저 빛을 평면으로 만들기 위한 원통형 (cylindrical) 렌즈, 동기화장치, 1280 X 1024 pixel의 해상도를 가지는 CCD 카메라 그리고 컴퓨터 등으로 구성된다.
각 압력에서의 대표 속도 및 입경을 추출하기 위해 3번 인젝터 구멍으로부터 분무 줄기를 따라 230 mm 하단부에서 측정하였다.
단일액체추진제 추력기에 장착되는 인젝터에 대한 분무 형상을 PIV 기법을 통하여 관찰하고 분무 입자의 속도 및 입경에 대한 분포를 LDA/PDA 측정을 이용하여 획득하였다.
기존의 패터네이터 대신 평면으로 조사되는 레이저와 CCD 카메라를 이용하여 유동장에 교란을 가하지 않고 분무패턴을 측정하였으며 육안으로는 식별이 불가능하였던 순간 분무 유동장을 관찰함으로써 압력에 따른 분무 형상 변화 및 분무들 간의 상호작용정도를 파악할 수 있었다.
LDA/PDA기법을 이용한 분무 입자의 속도와 입경 측정 결과를 평면 이미지 자료와 비교함으로써 압력에 따른 분무특성에 대한 정확한 이해를 도모하였다.
두 계측 방법을 적용하여 획득한 자료를 비교연구함으로써 향후 인젝터 성능향상과 설계를 위한 여러 인자들의 연구에 대한 계기를 마련하였다.

대상 데이터

구멍이 서로 대칭되어 배열되었기 때문에 한 번의 레이저 빛 조사에 2개의 분무 이미지를 획득하였다. PIV 기법을 통하여 분무 각 뿐만 아니라 입자들의 속도도 측정하고자 하였으나 400 psi의 고압에서도 완전한 미립화가 발생하지 않은 고속의 물줄기 영상 때문에 오류 벡터가 많이 발생하여 측정이 불가능 하였다.
이용되었다. 측정 장치로는 기존의 PDA 장치에서 단점으로 지적되었던 입자의 구형 검증 (spherical validation) 성능을 향상시킨 Dual PDA 시스템을 사용하였는데 이는 최대 6W 출력의 Ar-Ion 레이저, 레이저 빛을 분리 시켜주는 PM 튜브, 계산을 위한 프로세서, 컴퓨터, 3축 이송 장치, 그리고 측정 볼륨을 생성하여 신호를 발생시키는 송광부(Transmitter)와 입자에 의해 굴절되거나 반사되어 나오는 신호를 받는 수광부 (Receiver)로 구성된다. 송광렌즈와 수광렌즈의 초점거리 및 확대비 (expand ratio)는 각각 1000 mm와 500 mm 그리고 1과 1.
4-5에 나타냈다. 측정영역은 55 x 44 商 이며 인젝터 출구로부터 측정 영역 하단부까지의 거리는 42 mm 이다. 본 실험에 사용된 인젝터 구멍 중 8번 구멍이 50 psi일 때 가공 합격 기준 범위의 가장자리에 위치하다가 압력이 높아질수록 분무각이 좁아져 합격 범위 안으로 들어온다.

이론/모형

따라서 입자의 속도 및 입경을 측정하기 위해 추가적인 측정법이 필요했으며 LDA/PDA 기법이 이용되었다. 측정 장치로는 기존의 PDA 장치에서 단점으로 지적되었던 입자의 구형 검증 (spherical validation) 성능을 향상시킨 Dual PDA 시스템을 사용하였는데 이는 최대 6W 출력의 Ar-Ion 레이저, 레이저 빛을 분리 시켜주는 PM 튜브, 계산을 위한 프로세서, 컴퓨터, 3축 이송 장치, 그리고 측정 볼륨을 생성하여 신호를 발생시키는 송광부(Transmitter)와 입자에 의해 굴절되거나 반사되어 나오는 신호를 받는 수광부 (Receiver)로 구성된다.

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