[논문]가스메탄/액체산소를 추진제로 하는 인젝터 설계 및 설계 검증

장지훈; 민지홍; 이양석; 고영성; 김선진

가스메탄/액체산소를 추진제로 하는 인젝터 설계 및 설계 검증
Design and Verification of a Injector using Gas Methane and LOx as Propellants 원문보기

장지훈 (충남대학교 항공우주공학과) , 민지홍 (충남대학교 항공우주공학과) , 이양석 (충남대학교 항공우주공학과) , 고영성 (충남대학교 항공우주공학과) , 김선진 (충남도립 청양대학 소방안전관리과)

기체메탄/액체산소를 추진제로 사용하는 동축 스월/전단형 인젝터를 설계 및 제작하였다. 각 추진제의 오리피스 개수와 유입오리피스 후단의 형상 등은 상용 해석프로그램인 Fluent를 이용하여 유동해석을 수행한 결과를 바탕으로 결정하였다. 설계/제작된 인젝터는 수류시험을 통해 차압에 따른 설계유량을 측정하였고, 패터네이터를 이용하여 유량분포의 균일성을 확인하였다. 측정결과 설계 유량의 약 10% 내외의 차이를 보였으며, 산화제 인젝터의 분무각은 $66^{\circ}$로 측정되었다.

A coaxial swirl/shear injector using GCH4/LOx as propellants was degisned and manufactured. Flow analysis by Fluent was performed to decide the number of orifice and the rear shapes of inlet orifice etc. Flow rate of the injector was measured according to differential pressure and uniformity of injector's spray pattern was confirmed by a patternator. The results showed that the difference of flow rate was around 10% and the spray angle of oxidizer was $66^{\circ}$.

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문제 정의

본 연구에서는 Fluent를 이용한 유동해석 결과 값을 바탕으로 동축 스월/전단형 인젝터를 설계 하였고, 제작된 인젝터는 수류시험을 통해 미립화 성능 및 분무 특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 가스메탄과 액체산소를 추진제로 하는 인젝터를 설계하였다. 인젝터는 동축 스월/전단형 인젝터를 채택하였으며, 설계 과정에서 Fluent를 이용하여 인젝터 유동장에서 정체 현상이 없는 최적 설계를 수행하였다.

제안 방법

Table 1에 제시된 설계요구조건을 바탕으로 동축 스월/전단형 인젝터의 제원을 결정하였고, Table 2에 그 값을 나타내었다. 기본 설계된 인젝터를 바탕으로 수치해석을 통하여 유동의 정체가 없고 인젝터 끝단까지 고르게 분포될 수 있도록 수정 설계하였다.
8은 설계 유량이 공급될 때의 인젝터 분무 형상을 보여주고 있으며, 분산각이 66° 로 측정되었다. 마지막으로 인젝터의 분무 분포를 확인하기 위하여, 인젝터 분사면 기준 45mm 하단에서 패터네이터를 이용하여 수류시험을 수행하였다. 수행 결과 Fig.
설계/제작된 인젝터의 분산각 및 분무 특성을 살펴보기 위하여 수류시험을 수행하였다. 수류시험 장치는 선행 연구에서 사용한 동일한 장치를 사용하여 수류시험을 수행하였다[3].
설계/제작된 인젝터의 분산각 및 분무 특성을 살펴보기 위하여 수류시험을 수행하였다. 수류시험 장치는 선행 연구에서 사용한 동일한 장치를 사용하여 수류시험을 수행하였다[3]. 수류시험을 통해 인젝터의 분산각과 미립화 정도를 파악하였고, 패터네이터를 이용하여 인젝터의 분무 패턴을 확인하였다.
수류시험 장치는 선행 연구에서 사용한 동일한 장치를 사용하여 수류시험을 수행하였다[3]. 수류시험을 통해 인젝터의 분산각과 미립화 정도를 파악하였고, 패터네이터를 이용하여 인젝터의 분무 패턴을 확인하였다. 인젝터를 수류시험 장치에 장착한 후, 1bar부터 10bar까지 유량을 측정하였다.
연료 유입 오리피스의 개수가 선정 된 후, 연료 유입 오리피스 후단 형상을 4가지로 나누어 각각에 따른 유동 해석을 수행하였다. Fig.
연료 유입 오리피스의 개수가 유동에 어떤 영향을 미치는지에 대해 수치해석을 통하여 예측 하였다. Fig.
연료 인젝터에서 마지막으로 인젝터 포스트 길이에 따른 유동 현상을 해석하였다. 인젝터 포스트 길이에 따라 산화제 인젝터 길이도 결정되기 때문에 유동 안정화가 되는 최적 길이 확인이 필요하였다.
3 에서도 CASE 1을 제외한 나머지 CASE 모두에서 그 크기는 각각 다르지만 유동이 정체하는 구간이 존재하는 것을 확인 할 수있었다. 이러한 결과를 바탕으로 연료 유입 오리 피스의 후단은 연료의 정체 현상이 가정 적은 CASE 1의 형태로 결정하였다.
본 연구에서는 가스메탄과 액체산소를 추진제로 하는 인젝터를 설계하였다. 인젝터는 동축 스월/전단형 인젝터를 채택하였으며, 설계 과정에서 Fluent를 이용하여 인젝터 유동장에서 정체 현상이 없는 최적 설계를 수행하였다.
수류시험을 통해 인젝터의 분산각과 미립화 정도를 파악하였고, 패터네이터를 이용하여 인젝터의 분무 패턴을 확인하였다. 인젝터를 수류시험 장치에 장착한 후, 1bar부터 10bar까지 유량을 측정하였다. Fig.

성능/효과

가장 위의 그림은 연료 유입부 전체를 보여주는 것이고 아래 그림은 연료 유입 오리피스를 지나 인젝터를 통해 공급되는 유로 부분을 나타내는 것으로, 연료 유입구로부터의 거리로 표시하였다. 유동 해석 결과 연료 유입 오리피스의 개수가 4개일 경우 원형으로 표시한 것처럼 오리피스 후단에 유동의 정체점이 나타나지만, 오리피스의 개수가 6개일 경우 오리피스 후단에 정체점이 없이 비교적 고른 유동의 분포가 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 연료 유입부의 개수를 6개로 선택하였다.
제작된 인젝터를 모의 추진제인 물과 가스질소로 수류시험을 수행한 결과 설계 압력 보다 높은 압력에서 설계 유량이 계측되었고, 분산각도 설계 값보다 적게 측정되었다. 이는 연료인 가스메탄이 인젝터 끝단에서 고르게 분포할 수 있도록 길이를 정하는 과정에서 액체 분사기의 길이도 같이 늘어나게 되어 발생된 손실로 판단된다.
이는 연료인 가스메탄이 인젝터 끝단에서 고르게 분포할 수 있도록 길이를 정하는 과정에서 액체 분사기의 길이도 같이 늘어나게 되어 발생된 손실로 판단된다. 하지만 유량 분포 확인 결과 전체적으로 고른 분포를 보여 인젝터를 사용하는데 문제가 없음을 확인하였다.

후속연구

향후 진행 될 연구에서는 수차례의 연소시험을 통하여 연소성능 및 연소실 압력 섭동 비교 등을 통하여 설계된 인젝터를 검증할 예정이다.

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