초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
기존 연구사례 분석을 통해 최대 성능 구현을 위한 직사각형 2열 형태의 핀틀 분사기를 선정하였다. 기존 연구 결과를 참고하여 산화제를 중심(핀틀) 추진제로 하는 1.5 tonf 급 기준 핀틀 분사기 형상을 설계하였다. 공개 유동해석 소프트웨어인 OpenFOAM의 다상유동해석 해석 프로그램을 이용하여, 기준안 및 성능개선, 추력제어 용이성, 제작성 등을 고려한 여러 파생 형상에서의 혼합 특성, 질유량 분포 평가를 실시하였다.
해석 수행결과, 기준설계안은 핀틀 끝단에서 높은 혼합비를 보일 것으로 예상되었으며

Ⅳ. 연구개발결과
기존 연구사례 분석을 통해 최대 성능 구현을 위한 직사각형 2열 형태의 핀틀 분사기를 선정하였다. 기존 연구 결과를 참고하여 산화제를 중심(핀틀) 추진제로 하는 1.5 tonf 급 기준 핀틀 분사기 형상을 설계하였다. 공개 유동해석 소프트웨어인 OpenFOAM의 다상유동해석 해석 프로그램을 이용하여, 기준안 및 성능개선, 추력제어 용이성, 제작성 등을 고려한 여러 파생 형상에서의 혼합 특성, 질유량 분포 평가를 실시하였다.
해석 수행결과, 기준설계안은 핀틀 끝단에서 높은 혼합비를 보일 것으로 예상되었으며, 핀틀 오리피스의 수량 증가가 추진제 충돌각의 감소와 혼합 성능 향상에 큰 영향을 주며, 핀틀 끝단에서 상대적으로 낮은 혼합비를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 추력제어의 용이성을 갖는 고세장비의 핀틀 오리피스에서 보다 균질한 질유량 분포를 확보할 수 있으나 혼합 성능 및 혼합비 분포가 기준안보다 열등할 것으로 예상되었다.
해석 결과를 통해 간추려진 3개 형상의 핀틀 분사기와 각 분사기에 대해 추진제 총운동량비(TMR 0.83, 1.02, 1.17) 변화를 위한 3개의 환형 분사기를 설계/제작하였고, 이중 기준설계안에 대하여 TMR 변화에 대한 혼합율 및 질유량 분포 균일성 평가를 실시하였다. 문헌상에 제시된 기준값인 1 보다 작은(환형 추진제의 운동량이 큰) 경우에서 가장 높은 혼합 효율을 나타내었다.
기준 설계안(P01)과 TMR = 1.02 환형 분사기(A01)에 대한 첫 번째 연소시험에서 핀틀 분사기 끝단이 열전달에 의해 손상되었다. 원인은 핀틀 분사기 끝단에 고혼합비 유동의 재순환이 핀틀에 전달하는 열부하를 줄 것으로 다상유동해석에서 예상되었으나 이를 적절히 냉각해주는 장치의 부재 때문인 것으로 추정하였다. 따라서 상대적으로 핀틀 끝단의 혼합비가 낮은 고세장비 형상 핀틀(P02)을 수정하여 핀틀 분사기 내부의 액체산소 냉각유동 발생을 위한 인서트 노즐을 추가한 수정 모델(P02R)로 후속 시험을 실시하였다.
P02R의 TMR에 따른 연소시험 수행결과, 핀틀 끝단에 다량의 수트(soot)가 형성되어 재순환 영역의 혼합비가 낮아졌음을 확인 할 수 있었다. 또한, 상대적으로 낮은 특성속도효율이 예상되었던 형상에 대해 목표대비 낮은 혼합비와 높은 TMR 조건에서 연소시험이 수행되었음에도 불구하고 동축와류형 동등한 수준의 특성속도효율(～95%)을 달성하였다. 연소시험 중 동축와류형 분사기에서 종종 발생하는 고주파 연소불안정은 발생하지 않았으며, 점화 및 정상연소구간에서 안정적인 파워 스팩트럼 밀도(Power spectral density, PSD)를 나타내었다.

(출처 : 요약문 3p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results of the Research
Based on the analysis of existing research cases, rectangular two-row type were selected for pintle injectors for maximum performance. Based on the results of previous studies, the basic model of pintle injector for a 1.5 tonf combustor with oxidant as the center (pintl

Ⅳ. Results of the Research
Based on the analysis of existing research cases, rectangular two-row type were selected for pintle injectors for maximum performance. Based on the results of previous studies, the basic model of pintle injector for a 1.5 tonf combustor with oxidant as the center (pintle) propellant was designed. Evaluation of mixing characteristics and mass flow distribution uniformity in various derived shapes in consideration of manufacturability, throttling capability, etc. was performed using the multiphase flow solver in OpenFOAM, the open source code flow solver package.
As a result of the analysis, the basic model was expected to show a high mixing ratio at the tip of the pintle, and the increase in the number of pintle orifices had a significant effect on the reduction of the propellant spray angle and the improvement of the mixing performance. In addition, even more homogeneous flow rate distribution can be obtained in pintle orifices of high aspect ration for easy throttling, but it is expected that the mixing performance and the mixing ratio distribution will be inferior to the basic shape.
Based on the analysis results, the three prototype pintle injectors and three annular injectors for changing the total propellant momentum ratios (TMR 0.83, 1.02, 1.17) for each injector are designed and fabricated. And then, the evaluation of the mixing ratio and the uniform flow rate distribution uniformity is conducted. The highest mixing efficiency was shown with the TMR less than 1(the momentum of the annular propellant was large), while the recommended value was around 1 in the literature.
It the first hot firing test of the basic design (P01) with the TMR = 1.02 annular injector (A01), the tip of the pintle injector was damaged by excessive heat transfer.
The cause was presumed to be due to the fact that the recirculation of the high mixture ratio flow at the tip of the pintle injector caused the thermal load to the pintle tip as expected in the multiphase flow analysis but there was no adequate cooling mechanism. Therefore, the subsequent test was performed with a modified model (P02R), a high-aspect ratio shape pintle (P02) having a relatively low mixing ratio at the pintle tip in which an insert nozzle for generating cooling flow of lox in the pintle injector was added.
As a result of the hot-firing test according to the TMR of P02R, a large amount of soot was formed at the tip of the pintle, indicating that the mixing ratio of the recirculation zone was lowered. In addition, even though the tests were carried out at the low mixing ratio and high TMR conditions for the shape(P02R) where the relatively low characteristic speed efficiency was expected, the equivalent characteristic speed efficiency (～ 95%) was achieved. During the tests, high frequency combustion instability that occasionally appears in coaxial swirl injectors did not occur and showed stable power spectral density in the ignition and normal stationary combustion sections.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 5
• CONTENTS ... 8
• 목차 ... 10
• 제1장. 서론 ... 11
• 제 1절. 연구의 필요성 ... 11
• 제 2절. 연구의 목표 ... 12
• 제 3절. 추진전략 및 방법 ... 12
• 제 4절. 연구 추진 일정 ... 13
• 제2장. 국내외 기술개발 현황 ... 14
• 제 1절. 연구개발대상 기술의 국내외 현황요약 ... 14
• 제3장. 연구개발수행 내용 및 결과 ... 16
• 제 1절. 액체-액체 핀틀 분사기 설계 인자 도출 ... 16
• 1. 핀틀 분사기 기초 연구 및 고성능을 위한 설계 인자 도출 ... 16
• 2. 비교 연구를 위한 수류시험용 분사기 설계 및 제작 ... 17
• 3. 분무형상 및 혼합효율을 확인하기 위한 다양한 기법의 수류시험 수행 ... 17
• 제 2절. 추력제어 적용가능 고성능 핀틀 분사기 설계 ... 24
• 1. 추력 1.5톤급 액체로켓엔진용 핀틀 분사기 설계분석 ... 24
• 2. 추력 1.5톤급 액체로켓엔진용 핀틀 분사기 설계 ... 32
• 3. 설계된 핀틀 분사기가 적용된 연소기 헤드부 제작 ... 34
• 제 3절. 연소시험을 통한 성능 및 연소 안정성 검증 ... 35
• 1. 기 제작된 추력실부를 활용한 연소시험 수행 ... 35
• 2. 연소성능 및 연소 안정성 검증 ... 43
• 3. 기존 동축와류형 분사기를 적용한 연소기와의 성능 및 특성 비교 분석 ... 45
• 제4장. 연구개발 목표의 달성도 및 대외기여도 ... 47
• 제 1절. 연구성과 ... 47
• 1. 논문게재 성과 ... 47
• 2. 학술대회 발표 성과 ... 47
• 3. 산업 재산권 성과 ... 47
• 4. 협동과제/위탁과제 현황 ... 48
• 제5장. 연구개발결과의 활용계획 ... 49
• 제6장. 참고문헌 ... 50
• 끝페이지 ... 53