한국추진공학회 2011년도 춘계학술대회 논문집 pp.57~60 2011 KSPE Spring Conference
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* 한국항공우주연구원 연소기팀 ** 서울대학교 기계항공공학부 교신저자, E-mail: [email protected]
고압조건에서 기체-액체 분사기의 리세스에 따른 분무 특성 연구
김종규* ․ 한영민* ․ 최환석* ․ 윤영빈**
Study on Spray Characteristics of GCSC Injector with Recess in High Pressure Condition
Jonggyu Kim* ․ Yeoung-Min Han* ․ Hwan-Seok Choi* ․ Youngbin Yoon**
ABSTRACT
The spray characteristics according to the recess length of the GCSC injector and the change of momentum flux ratio(MFR) of the gas and the liquid have been examined through high pressure cold flow test using a high pressure chamber. The liquid in this experiment was water, and the gas was nitrogen. The spray images were taken by a back-lit strobe imaging technique. Results showed that the spray was a wide hollow cone at the lower MFR(liquid velocity was fixed) and the spray became a narrow solid cone as the MFR was increased. And the injector with short recess length produced a narrow solid cone at the higher MFR.
초 록
GCSC 분사기의 리세스 길이와 기체/액체의 운동량 플럭스 비(MFR) 변화에 따른 분무 특성을 고 압 챔버를 이용한 고압수류시험을 통해 알아보았다. 물과 질소를 사용하였고, back-lit strobe imaging 기법을 이용하여 분무형상을 촬영하였다. 시험결과 MFR이 작을 때(액체 유속 고정)는 분무각이 큰 hollow cone 형상을 보이고, MFR이 증가함에 따라 분무각이 작은 solid cone 형상의 분무를 보였다.
또한 리세스가 짧은 분사기일수록 더 큰 MFR에서 solid cone 형상의 분무를 보였다.
Key Words: Gas-Centered Swirl Coaxial Injector(기체제트-액체와류 동축 분사기), Recess(리세스), High Pressure Condition(고압조건), Momentum Flux Ratio(운동량 플럭스 비)
1. 서 론 액체로켓엔진 사이클은 가압식 엔진과 터보펌 프를 이용하는 방식으로 크게 나누어진다. 가압 식 엔진의 경우 전체적인 구조 및 적용되는 기 술 등이 비교적 간단하고, 대용량 엔진에 적용하 기에는 탱크 용량 및 가압하는 압력이 커져야 하는 단점이 있어서 주로 소형 엔진에 적용되는
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개념이다. 반면 터보펌프를 이용하는 방식은 현 재 대부분의 로켓엔진에서 널리 사용되는 방식 이다. 터보펌프 방식의 엔진은 터빈을 구동하고 난 가스의 사용여부에 따라 개방형과 폐쇄형 엔 진으로 구분된다. 개방형 엔진 사이클은 가스발 생기(혹은 프리버너)에서 생성된 연소가스를 터 빈을 구동하고 난 후 그대로 밖으로 방출하는 개념이고, 폐쇄형 사이클 엔진은 그 연소가스를 다시 연소기로 보내 재연소시키는 방식이다. 폐 쇄형 사이클 엔진은 버려지는 손실이 없기 때문 에 고성능 엔진에 대부분 적용되는 사이클이다 [1]. 이러한 폐쇄형 사이클 엔진 연소기에 적용 되는 분사기 중 기체제트-액체와류 동축 분사기 (gas-centered swirl coaxial : GCSC)는 구소련의 엔진에 많이 적용되었고, 최근에는 미국 Air Force Research Laboratory를 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다[2][3][4]. 기존 연구에서 GCSC 분사기 설계를 수행하고, 상압 및 고압에 서의 리세스 길이에 따른 분무특성 파악을 위한 기초실험을 수행하였다. 기체와 액체의 운동량 플럭스 비(Momentum Flux Ratio : MFR)을 동 일하게 유지하면서 상압 및 고압(59 bar) 환경에 서의 분무특성을 알아보았고, 리세스에 따른 분 무형상의 차이도 확인하였다. 이러한 결과를 바 탕으로 본 논문에서는 리세스와 MFR의 변화에 따른 분무특성을 알아보았다.2. 시험 장치 및 조건
2.1 GCSC 분사기 및 고압 챔버
본 연구에서 사용된 GCSC 분사기는 Fig. 1과 같은 형상이며, 이에 대한 자세한 사항은 참고문 헌에 기술하였다[5]. 4가지의 리세스 길이(L)를 고려하였고, 가스 노즐 직경(dg)으로 나눈 값을 리세스 비(RR: Recess Ratio, L/dg)로 정의하여 RR=1, 1.5, 2, 2.5로 각각 설계하였다. 고압환경 모사시험을 위해 Fig. 2와 같이 고압 챔버를 사 용하였고, 스트로보스코프를 이용한 back-lit strobe imaging 기법을 이용하여 분무사진을 획 득하였다.
Fig. 1 Schematic of GCSC Injector
Fig. 2 High Pressure Chamber
2.2 시험조건
본 연구의 목적은 기체와 액체의 MFR 변화에 따른 분무특성을 파악하는 것으로 다음과 같은 조건으로 시험을 수행하였다. 분무되는 기체의 밀도(ρg)를 챔버의 압력을 변화시켜 연소시의 산 화제의 밀도와 동일하게 맞추었다. 또한 액체측 의 조건은 일정하게 유지하면서 기체측의 유량 을 변화시켜 MFR을 변화시켰다. MFR은 다음과 같이 정의한다.
MFR =
위와 같은 기준으로 정한 시험조건을 Table 1 에 나타내었다. 기체밀도를 맞추기 위해 챔버 압 력을 59 bar로 가압하여 시험을 수행하였다. 기 체속도의 경우 nominal 값은 105 m/s이며, 최소 8.5 m/s부터 최대 142.6 m/s까지 속도를 증가시 켰고, 최대속도는 현 시험설비에서 최대 유량을 보냈을 때의 값이다.
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Unit Value기체(질소)유량 g/s 16.3 ~273 기체차압 bar 0.08 ~ 19.0 기체속도(Ug) m/s 8.5 ~ 142.6
기체밀도(ρg) kg/m3 67.7
액체(물)유량 g/s 61.6
액체차압 bar 8.35
액체 axial 속도(Ul) m/s 5.41 액체밀도(ρl) kg/m3 997 Table 1 Test Conditions of GCSC Injector
3. 시험 결과
리세스 길이에 따른 4가지의 분사기에 대한 고압수류시험 결과를 정리하였다. 여기서 각각의 RR에 대해서 동일한 MFR 조건이 되어야 하나 시험 상 정확하게 동일한 MFR 조건이 실질적으 로 불가능하였다. 가장 큰 원인은 매번 동일한 챔버압력과 유사 추진제의 가압 압력을 일정하 게 유지하기가 어려웠다. 일정 압력을 유지하기 어려운 이유는 유사 추진제가 분무되고, 또한 이 미지 획득을 위해 가시화창에 질소퍼지를 수행 하면 챔버압력이 상승되었다. 설치되어 있는 밸 브 및 레귤레이터의 규격이 이런 압력변화에 민 감하게 반응하지 못해 압력유지가 불가능하였다.
또한 고압 챔버를 59 bar로 가압하다보니 챔버 내의 밀한 환경조건으로 인해 카메라의 일정한 노출, 초점 등을 맞추기가 쉽지 않아 분무사진 획득에 상당한 어려움이 있었다. 그러나 전체적 인 MFR에 따른 분무패턴 파악은 충분히 가능하 였다. RR이 1.0에서부터 2.5까지의 MFR에 따른 분무형상을 Fig. 3에서부터 Fig. 6까지 나타내었 다. RR 1.0인 분사기의 경우 MFR 0.19은 기체측 차압이 약 0.08 bar, 유량이 약 16.3 g/s이 유입 되는 조건이고 이때의 분무형상은 일반적인 동 축와류형 분사기의 분무형상인 hollow cone 형 상을 보였다. 중앙의 기체유량이 증가됨에 따라 분무각은 점점 감소함을 보였고, 분무형상이 매 우 불안정하고 불규칙적인 형상을 보였다. 거의 비슷한 MFR 조건(대략 27 ~ 30 근처)에서 RR에
Fig. 3 Spray Configurations of RR 1.0 Injector
Fig. 4 Spray Configurations of RR 1.5 Injector
Fig. 5 Spray Configurations of RR 2.0 Injector
Fig. 6 Spray Configurations of RR 2.5 Injector
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따른 분무형상을 비교해보면 RR 1.0 인 경우 노 즐 출구 부근에 많은 액적들이 분포되어 있음을 알 수 있다. 이는 리세스가 짧음으로 인해 스월 성분이 강하게 남아 있어서 기체 유속이 동일하 게 유입되더라도 기체측으로 유입되어 제트로 분무되지 못해 나타나는 현상으로 파악된다. 여 기서 분무폭의 변화를 나타내는 변수 ξ를 다음 과 같이 정의한다[6].
즉, 기체측이 유입되지 않을 때와 유입될 때의 분무폭의 관계를 나타낸 것으로 ξ가 작을수록 분무폭이 큼을 의미한다. 각각의 분사기 노즐 출 구로부터 하방향(z방향)으로 10 mm 지점에서의 ξ를 구하여 나타내면 Fig. 7과 같다. Figure 7에 서 RR이 큰 분사기일수록 낮은 MFR에서 ξ가 일정해짐을 확인할 수 있다. 즉, 분무각이 점점 감소하다가 어느 MFR 이상에서는 분무형상이 hollow cone 형상이 아닌 solid cone 형상을 보 이면서 일정한 각을 유지함을 보였다.
Fig. 7 Spray Width according to MFR at z/d=1.3
4. 결 론
GCSC 분사기에서 액체측의 조건은 일정하게
유지하면서 기체측의 유량을 변화시켜 가면서 리세스에 따른 분무 특성을 살펴보았다. 리세스 가 짧은 분사기일수록 더 큰 MFR에서 solid cone 형상의 분무를 보였다. 향 후 이 부분에 대 한 좀 더 심도 있는 시험과 분석이 필요할 것으 로 판단된다.
참 고 문 헌
1. Dieter K. Huzle and David H. Huang, Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, Progress in Astronautics and Aeronautics, vol. 147, AIAA, 1992.
2. Cohn, R.K., Strakey, P.A., Bates, R.W., Talley, D.G., Muss, J.A., and Johnson, C.W., "Swirl Coaxial Injector Development,
" 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA Paper No. 2003-0125, January, 2003.
3. Strakey, P.A., Cohn, R.K., Talley, D.G.,
"Gas-Centered Swirl Coaxial Liquid Injector Evaluations," 5th International Symposium on Liquid Space Propulsion, October 2003.
4. M.D.A. Lightfoot, S.A. Danczyk and D.G.
Talley, "Atomization in Gas-Centered Swirl-Coaxial Injectors," ILASS Americas, 19th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Toronto, Canada, May 2006.
5. 김종규, 한영민, 배태원, 최환석, 윤영빈, "고 압환경에서의 기체-액체 분사기 분무 특성 연구," 한국항공우주학회 추계학술대회, 2009. 10, pp.5-8.
6. V. Kulkarni, D. Sivakumar, C. Oommen, T.
J. Tharakan, "Liquid Sheet Breakup in Gas-Centered Swirl Coaxial Atomizers,"
Journal of Fluids Engineering, vol 132, January 2010.
