1. 서 론
Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2016.20.4.068
리세스 길이 및 분사압력 변이에 따른 스월 동축형 인젝터의 분무특성
배성훈 a ․ 권오채 b ․ 김정수 a, *
Spray Characteristics of Swirl-coaxial Injector According to the Recess Length and Injection Pressure Variation
Seong Hun Bae a ․ Oh Chae Kwon b ․ Jeong Soo Kim a, *
a Department of Mechanical Engineering, Pukyong National University, Korea
b School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, Korea
* Corresponding author. E-mail: [email protected]
ABSTRACT
This research is carried out for the performance evaluation of the injector that is one of the critical components of bipropellant-rocket-engine. Spray characteristics are investigated in detail according to the recess length and injection pressure on the swirl-coaxial-injector using gaseous methane and liquid oxygen as propellants. A visualization is conducted by the Schlieren photography that is composed of a light source, concave mirrors, knife, and high-speed-camera. A hollow-cone-shape is identified in the liquid spray that is spread only by inner injector and the spray angle is decreased due to the diminution of swirl strength in accordance with the increase of the length of injector orifice. When the injector sprays the liquid through the inner injector with the aid of gas through the outer injector, the spray angle in external mixing region tends to increase with rise of the recess length, while in internal mixing region, it is decreased. It is also confirmed that the same tendency of the spray angle with recess length appears irrespective of the injection pressure of liquid spray.
초 록
본 연구는 이원추진제 추력기의 핵심부품에 대한 성능평가의 일환으로, 기체메탄/액체산소를 추진제 로 사용하는 스월 동축형 인젝터의 리세스 길이 및 분사압력에 따른 분무특성 파악을 목표로 하였다.
분무형상은 슐리렌 가시화 기법을 이용하여 획득하였고, 슐리렌장치는 광원, 오목거울, 초고속카메라 등으로 구성된다. 내부 인젝터에 의한 액체 분무의 경우 hollow cone 형상을 확인하였으며, 내부 인젝 터 오리피스 길이의 증가와 함께 스월강도 감쇠의 영향으로 분무각은 줄어들었다. 기체-액체를 함께 분 사할 때, 분무각은 리세스 길이가 증가함에 따라 외부혼합영역에서 증가하지만, 내부혼합영역에서는 작 아졌는데, 액체분무 분사 압력의 높고 낮음에 무관하다는 사실을 확인하였다.
Key Words: Bipropellant(이원추진제), Swirl Coaxial Injector(스월 동축 인젝터), Cold Flow Test (수류시험), Spray Angle(분무각), Breakup Length(분열길이)
Received 15 June 2016 / Revised 9 July 2016 / Accepted 14 July 2016 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548
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이원추진제(bipropellant) 로켓엔진은 산화제와 연료를 추진제로 사용하며, 화학식 추진시스템 중에서 가장 높은 비추력 및 추력 성능을 갖는 다. 또한, 연료와 산화제 공급량을 조절하여 다 양한 추력 성능을 제공하기 때문에 우주발사체 (space launch vehicle), 우주비행체(spacecraft), 우주정거장(space station), 그리고 장시간의 임무 수명을 갖는 정지궤도 인공위성(satellite) 등에 사용된다[1]. 소형로켓엔진은 연료공급시스템, 인 젝터(injector), 연소실, 노즐 등으로 구성되며, 그 중 엔진성능과 가장 밀접한 관계를 갖는 것은 인젝터이다. 인젝터는 액체 추진제를 높은 수밀 도의 액적(liquid droplet)으로 변화시켜 기화와 더불어 연소가 쉽게 이루어지도록 하는 중요한 기능을 담당한다. 따라서, 인젝터는 연소효율 및 연소 안정성과 관련된 특성을 규정하는 매우 중 요한 엔진 구성요소이다.
이원추진제 인젝터는 연료와 산화제를 제트 (jet) 형태로 분사하여 서로 충돌시키거나 혼합을 유발시킨다. 이 과정을 통해 액체추진제는 미립 화되며 작은 크기의 액적군으로 바뀌게 된다. 인
젝터는 분사방식에 따라 크게 충돌형
(impinging), 동축형(coaxial), 그리고 핀틀형 (pintle type) 등으로 구분된다. 동축형 인젝터는 스월(swirl) 방식과 전단(shear) 방식으로 나눠지 는데, 특히 스월 방식의 인젝터는 충돌형 인젝터 에 비해 설계 및 제작이 복잡한 단점이 있지만 미립화 성능이 우수하고 넓은 작동 조건에서도 연소 불안정성이 낮다는 장점을 가지고 있어 높 은 연소효율과 작동 안정성이 요구되는 엔진에 유효하다[2].
현재까지 인젝터의 분무특성에 관계하는 많은 연구들이 수행되어 왔다. Ramezani[3]는 액체-액 체 스월 동축형 인젝터의 분사각에 대한 연구를 실험적으로 수행하였다. 분사각은 고해상도 이미 지 분석을 통하여 얻어졌으며, 이론적으로 산출 한 분사각과 실험결과의 비교를 통하여 작동조 건에 따른 분무특성을 예측하였다. Yang[4]은 리 세스 길이(recess length)가 기체-액체 스월 인젝 터의 분사특성에 미치는 영향을 알아보기 위한 연구를 수행하였으며, 이론치 및 실험치의 상관
관계 분석을 통하여 이론분무모델의 정립을 시 도하였다. Jeon[5]은 기체 중심 스월 인젝터의 미 립화 과정에 대한 규명을 위해 추진제 간의 모 멘텀 비와 인젝터 리세스 길이 변화에 따른 수 류시험(cold-flow-test)을 수행하였다. 그 결과, 자 우터 평균액적지름(Sauter Mean Diameter, SMD)의 크기와 분무각은 리세스 길이가 증가함 에 따라 줄어들었다. Kim[6]은 kerosene-LOx를 추진제로 하는 가스발생기용 스월 인젝터의 리 세스 길이에 따른 유동특성 연구를 수행하여, 리 세스 길이가 분사각, 액막 두께 및 분무의 진동 주파수, 진폭 등에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다.
본 연구에서는, 기체메탄/액체산소 이원액체추 진제 추력기 핵심부품에 대한 성능평가의 일환 으로 수행된 스월 동축형 인젝터의 수류시험결 과를 기술함에 있어, 액체 중심 스월 인젝터의 리세스 길이 및 분사압력 변이에 따른 분무특성 의 변화를 슐리렌(Schlieren) 가시화기법을 이용 하여 측정, 분석하고자 한다.
2. 실험장치 및 방법
분무장치(Spray Generation System, SGS) 및 슐리렌 장치의 개략도를 Fig. 1에 도시한다. 분 무장치는 물탱크, 밸브, 압력센서, 그리고 유량계
Fig. 1 Schematic of experimental setup.
등으로 구성된다. 인젝터의 분무형상을 가시화하 기 위한 슐리렌 장치는 광원(xenon lamp, 500 W), 한 쌍의 구형 오목거울, 나이프에지(knife edge), 그리고 핀홀(pin hole) 등으로 구성되어 있으며, 고속카메라(High Speed Camera, HSC) 를 이용하여 이미지를 획득한다.
슐리렌 기법으로 획득한 이미지는 MATLAB (R2015a)을 이용한 image processing을 거쳐 인 젝터의 분무특성 분석에 이용된다. 고속카메라로 획득한 이미지는 Fig. 2와 같이 그레이 스케일 (gray scale)로 변환되고, 빛의 강도(intensity), 선 예도(sharpness) 조절, 그리고 이진화(binarization) 과정 등을 거친 후에 액적의 크기가 픽셀(pixel) 로 보정(calibration)되면 분무각과 분열길이가 최 종적으로 결정되게 된다.
스월 동축형 인젝터는 기체메탄/액체산소를 추진제로 하는 소형액체로켓엔진용 인젝터를 모 델로 하고 있다. 수류시험에서는 모사추진제를 사용하였으며, 산화제는 물을 연료는 질소를 사 용하였다. 물은 탱크에서 질소에 의해 가압되어 밸브, 필터, 그리고 유량계를 거쳐 인젝터로 공 급된다. Fig. 3은 실험에 사용된 인젝터 형상을 나타내고 있다. 여기서, 인젝터는 내부 인젝터 (inner injctor), 외부 인젝터(outer injector), 그리 고 산화제 매니폴드 커버(oxidizer manifold cover)로 구성되어 있으며 리세스 길이는 본 실험의 변수로써, 외부 인젝터 끝단에서 내부 인
Fig. 2 Postprocessing for spray image.
젝터 오리피스(orifice) 끝단까지의 거리를 의미 한다. 내부 인젝터의 오리피스 직경비로 변이하 는 여섯가지 경우의 리세스 길이를 Table 1에 나타낸다. 리세스 길이의 영향을 고려하기 위해 인젝터는 교체/조립이 쉽도록 설계, 제작되었으 며 내부 인젝터는 산화제가, 외부 인젝터는 연료 가 통과하도록 배치하였다. Fig. 4는 액체 산화 제의 스월 생성원리를 보여준다. 내부 인젝터 와 류실(swirl chamber)로 4개의 유입구를 90° 간격 으로 배치하여 내부유동이 내부벽면을 따르는 접선방향 속도성분을 가지고 분사되도록 설계되 었다. 수류시험은 리세스 길이 및 내부/외부 인 젝터의 분사압력을 변화시키면서 수행하였으며, 주요 실험조건들을 Table 2에 요약한다.
(a)
Recess length
Thickness
Inner injector orifice diameter
Outer injector orifice diameter
(b)
Fig. 3 Configuration of Swirl-coaxial injector.
Case 1 2 3 4 5 6
0 1 1.5 2 2.5 3 Table 1. Parametric variation of the recess length.
Section A-A Fig. 4 Swirling mechanism of the inner injector.
Parameter Value
Inner Injector
Injection Pressure, ∆ 0.34 – 1.72 MPa Outer Injector
Injection Pressure, ∆ 0.1 – 0.3 MPa HSC Frame Rate 24,000 fps HSC Exposure Time 4 μs
Table 2. Experimental conditions.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 내부 인젝터 성능평가
내부 인젝터에 대한 분사성능 판별을 위해 각 분사압력별 질량유량 및 분무각을 측정하고, 실 험값으로부터 내부 인젝터 출구속도를 예측하였 다. Eq. 1을 이용해 산출한 출구속도가 Fig. 5에 제시되고 있다.
∙
∆
(1)
여기서, 는 출구속도, 는 유량계수, ∆는 내부 인젝터 분사압력차, 그리고 는 액체의 밀도를 의미한다. 인젝터 설계에 이용된 유량계수 와 실험값( )의 차이는 인 젝터 내부에서 발생한 비가역적(irreversible) 공 동현상, 오리피스 유로 표면과 끝단의 가공 완성 도, 그리고 유동의 스월 등에 기인하는 것으로 판단된다. 공동현상은 제트의 분열길이, 대칭성, 분무각, 난류성 등에 직접 관계하여 인젝터의 성 능 재현성 확보에 부정적인 요소로 작용할 가능 성이 큰 것으로 알려져 있다[7-10]. 그림에서 관
Fig. 5 Velocity of estimation at the inner injector exit according to the injection pressure variation.
Fig. 6 Categorization of spray-flow regime by the interrelation of .
찰되듯이, 실험에 사용된 오리피스의 유량계수는 약 0.35로서 단순분사노즐의 유량계수
에 비해 감소하였다[11]. 이는 Fig. 4에서 전술한 바와 같이, 액체가 접선방향의 속도성분을 가지 고 분사되기 때문에 스월에 의한 유동 에너지 손실, 마찰 등이 직접분사식노즐 보다 증가하여 유량계수가 줄어든 것으로 판단된다.
Fig. 6은 액적분열과 관계되는 무차원 매개변 수 간의 상관관계를 통해 인젝터의 분열성능을 판단하는 범주를 도식화 한 것이다[11]. 유량측 정시험 결과로부터 도출된 데이터를 이용하여
및 오네서지수(Ohnesorge No., )는 Eq. 2, 3으로부터 산출되었다. 여기서 액체의 밀도, 점 도, 그리고 표면장력 등은 20°C, 1기압 상태 물의 물성치를 적용하였다.
∆ (2)
(3)
는 인젝터 오리피스의 내경 및 추진제 의 물성치에 의해 그 값이 결정되므로, 액체연료 엔진의 목표성능 구현을 위한 추진제 공급계통 설계기준으로 활용이 가능하다. 가 19,224 – 40,364 범위로 분포하는 것이 Fig. 6에서 확인되 는데, 이 같은 경우 불규칙한 난류유동의 발달로
Fig. 7 Spray configuration affected by the virtual recess length (inner injector w/o outer one).
Fig. 8 Spray angle variation as a function of virtual recess length (without outer injector, △Pi = 0.34 MPa).
인해 인젝터 분무의 분열길이가 짧아지는 것이 일반적이다. 상관관계에 의하면 인젝터 의 분무성능은 분사압력이 증가함에 따라 공기 저항에 의한 분열 영역(wind induced regime)에 서 미립화 영역(atomization regime)으로 전환됨 이 확인된다. 미립화 영역은 분무분열이 가장 극 렬하게 발생되는 구간으로 분무의 전체 형상은 원뿔 형태를 갖추게 된다[13]. 인젝터는 연소실 내부로 미립화된 추진제를 분사하는 능력이 요 구되므로, 원뿔 형상의 분무가 생성되는 미립화 영역에 속하는 것이 엔진의 목표성능 담보에 유 리하다.
3.2 분무각 및 분열거리
인젝터로부터 분사된 액체제트의 분무각 및 분열길이는 액체표면파의 성장속도와 생성된 액 적의 크기에 관여하기 때문에, 연소 시 발생하는 화염의 폭과 길이, 그 밖의 연소 성능 등에 큰 영향을 미치므로, 인젝터 성능구현에 있어 중요 한 설계변수이다. 분무각은 노즐출구를 중심으로 분무가 벌어진 각도이며, 분열길이는 액체제트가 완전히 분열하기까지의 거리이다[14].
액체 분무각에 영향을 미칠 수 있는 외부 인 젝터를 제거한 상태에서 내부 인젝터에 의한 액 체만을 분사하였다. 이 때, 분사압력 ∆는 0.34 MPa이다. 외부 인젝터가 없는 조건이기 때문에, 내부 인젝터의 오리피스 길이는 가상 리세스 길 이(virtual recess length, )와 오리피스 직경비 로 정의한다. 가상 리세스 길이는 외부 인젝터가 존재한다는 전제하에, 그 끝단으로부터 내부 인 젝터 오리피스 끝단까지 들어간 거리를 의미한 다. Fig. 7은 변화에 따른 분무형태를 보 이고 있으며, 원추형 분무액막(conical spray sheet)이 형성되는 것을 확인하였다. 액체가 와류 실로 접선방향으로 유입되면, 원추형상의 와류실 을 선회하면서 점차 속도가 증가하게 되고, 출구 오리피스를 통해 분사되어 원추형의 중공분무 (hollow cone spray)를 형성한다[13]. Fig. 8은 가 상 리세스 길이에 따른 분무각을 나타내고 있다.
가상 리세스 길이가 감소함에 따라 분무각은 작 아지고 있으며, 이것은 인젝터 내부마찰에 의한
스월강도 감쇠의 영향으로 판단된다. 가상 리세 스 길이의 감소는 내부 인젝터 오리피스의 길이 가 길어지게 됨을 의미하고, 와류실에서 가진된 원심력이 내부마찰증가에 의해 감소하여 스월의 영향이 줄어들게 된다. 따라서 내부 인젝터 오리 피스 길이는 액체제트가 가지는 스월강도에 영 향을 미치므로, 스월 인젝터 설계/제작 과정에서 반드시 고려되어야 하며 수류시험이 동반되어야 한다.
내부 인젝터의 분사압력은 저압 분사조건 (∆ MPa)이며, 외부 인젝터의 분사압력
∆을 증가시키면서 기체-액체 혼합 분무형상 을 관찰하였다. Fig. 9는 외부 인젝터 분사압력 과 리세스 길이 변화에 따른 분무형상을 보여주 고 있으며, 그 형상으로부터 측정된 분무각 및 분열거리를 Fig. 10과 11에 나타낸다. 외부 인젝 터 분사압력이 증가할수록 분무각이 감소하는 경향을 확인하였고, Case 4, 5, 6의 경우 분무각 감소정도가 명확하게 보인다. Fig. 10, 11에서 리 세스 길이에 따른 분무각 및 분열거리는 = 1.5를 기준으로 다른 양상을 보이고 있다. Fig.
10에서 분무각은 내부 인젝터에 의해 액체만 분 사했을 경우(▪)와 비교하면, 가 0, 1.0, 1.5
△Po
(MPa) Caes 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 6
0.1
0.2
0.3
Fig. 9 Spray shape of swril-coaxial-injector depending on the recess length and pressure.
일 때 미미한 차이를 보이고 있으나 2.0, 2.5, 3.0 일 때는 크게 줄어들었음을 알 수 있다. 상기내 용을 바탕으로 기체-액체간의 혼합위치를 판별할 수 있다. 혼합위치가 외부인 경우 인젝터 끝단으 로부터 떨어진 위치에서 두 추진제가 충돌하기 때문에 분무각 변화에 크게 영향을 미치지 못하 지만, 혼합위치가 내부인 경우 해당 리세스 길이 에서 가지는 큰 분무각 및 기체-액체가 혼합하는 과정에서 외부 인젝터 벽면과 접촉하기 때문에 분사되는 분무각이 감소하게 된다. 따라서 가 0, 1.0, 1.5에서는 외부혼합(external mixing), 2.0, 2.5, 3.0에서는 내부혼합(internal mixing)이 주로 발생하는 것으로 간주할 수 있으며, 1.5 (case 3)일 때는 인젝터 끝단에서 혼합이 일어나
Fig. 10 Variation of spray angle according to the recess length and pressure.
Fig. 11 Variation of breakup length according to the recess length and pressure.
Fig. 13 Variation of spray angle according to the recess length at high-pressure injection condition.
는 것으로 판단된다. Fig. 11에서 리세스 길이의 증가에 따라 분열길이는 외부혼합영역에서 감소 하지만, 내부혼합영역에서 증가한다. 이것은 Fig.
10에서 확인한 분무각의 영향으로 볼 수 있다.
외부혼합에서 분무각이 증가하여 분열길이는 감 소하게 되지만, 내부혼합의 경우 분무각 감소에 따른 액체의 표면장력에 의한 분무액막 두께가 증가하기 때문에 액적간 합착 등이 분열길이 증 가의 원인이 된다.
실제 추력기 내부 분무특성 분석을 위해 고압 분사조건(∆ 0.69–1.38 MPa, ∆ 0.3 MPa)에서 기체-액체 혼합 분무각을 측정하였고,
분무형상 및 분무각을 각각 Fig. 12, 13에 나타 낸다. 인젝터 리세스 길이의 증가에 따라 분무각 은 외부혼합영역에서는 증가하지만, 내부혼합영 역에서는 감소하며, 이는 저압 분사조건과 동일 한 경향이 관찰되었다. 위 내용을 바탕으로 내부 인젝터 분사압력이 증가하더라도 추진제 간 혼 합위치가 판별 가능할 것으로 판단된다.
추진제의 혼합위치가 인젝터 외부, 내부, 그리 고 끝단에서 일어날 때, 각기 다른 미립화 메커 니즘을 가지며 특히 인젝터 끝단에서 기체-액체 충돌이 발생할 경우, 해당 리세스 길이를 가지는 인젝터의 미립화 성능이 가장 우수하다고 알려 져 있다[4]. 따라서 리세스 길이에 따라 추진제 간의 충돌위치가 변하게 되고, 그 혼합 특성에 중대한 영향을 미치므로 리세스 길이는 인젝터 설계 시 반드시 고려되어야 한다.
4. 결 론
이원추진제 소형로켓엔진 핵심부품에 대한 성 능평가의 일환으로 기체메탄/액체산소를 추진제 로 사용하는 스월 동축형 인젝터의 리세스 길이 및 분사조건에 따른 분무특성을 슐리렌 가시화 기법을 이용하여 상세히 분석하였다.
내부 인젝터에 의해 액체만을 분사했을 경우,
∆ Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 6
∆ 0.69 MPa
∆ 1.03 MPa
∆ 1.38 MPa
Fig. 12 Spray shape of gas-liquid mixture at high-pressure injection condition of liquid spray.
가상 리세스 길이가 감소할수록 분무각은 작아 지며, 이것은 내부마찰에 의한 스월강도 손실의 영향으로 판단된다. 또한, 내부 인젝터 분사압력 이 증가함에 따라 액체 분열은 미립화 영역에 속하는 것이 확인되었다.
기체-액체 혼합분무의 경우, 충돌위치에 따라 외부/내부혼합으로 구분하였다. 리세스 길이의 증가에 따라 외부혼합영역에서 분무각은 증가하 고, 분열길이는 감소하며, 반대로 내부혼합영역 에서 분무각은 감소하고, 분열길이는 증가하였 다. 이것은 내부혼합의 경우, 인젝터 내부에서 추진제 간 충돌 및 외부 인젝터 벽면과 접촉에 의해 액막두께가 증가되었기 때문이다. 이 현상 은 액체 분무의 분사압력의 높고 낮음에 무관하 다는 사실을 확인하였다.
스월 동축형 인젝터의 분무형상을 통해 분무 각 및 분열길이를 측정하였으며, 추진제의 외부/
내부혼합에 따른 분무특성을 분석하였다. 리세스 길이는 추진제의 충돌위치를 변화시켜 혼합특성 에 영향을 미치므로 인젝터 설계 시 중요한 인 자로 고려되어야 한다.
후 기
본 논문은 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 우주핵심기 술개발사업(NRF-2016-2016M1A3A3A02018009)과 선도연구센터(서울대학교 차세대우주추진연구센 터) 지원사업(NRF-2013R1A5A1073861)의 연구결 과임.
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