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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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고속 펄스 데토네이션 연소기의 연소 특성을 연구하기 위하여 무밸브 펄스 데토네이션 연소기를 설계/제작하여 연구를 수행하였다. 연소기 모델로는 PDE MARK1 모델을 대상으로 설계/제작하였으며 데토네이션 파 발생 특성 연구를 위하여 단일 데토네이션 파 발생 장치를 통하여 난류 강도를 증가시키는 DDT 장치로 나선형 난류고리를 사용하여 나선형 난류고리가 데토네이션 파 성능에 미치는 영향 및 데토네이션 튜브 길이가 데토네이션 파의 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 실험결과 150 mm 길이의 나선형 난류고리를 사용할 경우 사용하지 않았을 때에 비해 데토네이션 파의 속도가 5 %정도 향상되었고 300 mm 길이의 나선형 난류고리를 사용할 경우 당량비 2.0 이하에서는 데토네이션 파의 속도가 감소하였지만 당량비 2.0 이상의 고당량비에서는 약 15 %의 데토네이션 파의 속도 개선효과를 보였으며, 데토네이션 파의 피크 충격력을 측정한 결과 나선형 난류고리가 장애물로 작용하여 오히려 나선형 난류고리가 있을 경우 피크 충격력이 감소하는 경향을 보였다. 150 mm 길이의 나선형 난류고리를 사용하여 데토네이션 튜브 길이에 따른 데토네이션 파의 속도 측정 결과 짧은 길이의 데토네이션 튜브를 사용할 경우 긴 길이의 데토네이션 튜브를 사용할 때에 비해 2∼15 % 이상 높은 속도를 보였다.
기초 실험 결과를 바탕으로 기존의 고속 펄스 데토네이션 연소기의 단점을 보완한 무밸브 펄스 데토네이션 연소기를 고안하여 제작하였다. 화염의 역화 방지 및 추진제의 균일한 공급을 위하여 다공성재를 이용한 유체밸브를 추진제 혼합 챔버와 점화플러그 사이에 삽입하였으며 점화 시퀀스를 펄스 신호 발생기를 이용하여 제어하였다. 실험결과 구동주파수 10 Hz 조건에서는 당량비 변화에 따라 당량비 1.4 미만에서는 화염이 블로우아웃되어 데토네이션 파가 발생하지 않았으며 당량비 약 1.42∼1.69 범위에서는 데토네이션 파의 속도가 약 1000∼1100 m/s로 상대적으로 높게 나타났으며 당량비 1.8 이상인 조건에서는 연료가 과잉 공급되어 연료와 추진제의 혼합비가 과농하여 데토네이션 파의 속도는 약 700 m/s 정도로 급격히 감소하는 경향을 보였다. 당량비 1.59인 조건에서 구동주파수가 높아짐에 따라 데토네이션 파의 속도는 점차 감소하는 경향을 보였고, 이는 구동주파수가 높아져 한 사이클당 충진시간이 짧아져 데토네이션 튜브 내로 공급되는 유량이 점차 감소하였기 때문이라 판단된다.
무밸브 펄스 데토네이션 연소기의 성능을 비교하기 위하여 데토네이션 파의 속도와 추진제의 공급 유량을 바탕으로 비추력을 구하였으며 데토네이션 파의 이론 속도인 C-J 속도를 바탕으로 계산한 이론 비추력 값과 비교를 하여 무밸브 펄스 데토네이션 연소기의 효율을 계산하였다. 계산결과 비추력, 비추력 효율 모두 데토네이션 파의 속도에 비례하므로 비추력, 비추력 효율 모두 데토네이션 파의 속도 결과와 비슷한 경향성을 나타내었고 당량비 1.59 조건에서 구동주파수가 높아짐에 따라 비추력, 비추력 효율 모두 감소하는 경향을 나타냈으며 구동주파수 10 Hz 조건에서는 당량비가 1.42∼1.69인 조건에서는 비추력 효율이 약 50 % 정도로 높은 효율을 보였으나 당량비 1.8 이상인 조건에서는 30∼35 % 정도로 비교적 낮은 효율을 보여 당량비 1.42∼1.69인 조건이 최적이다.
따라서 본 연구를 통하여 단일 데토네이션 파의 기초연구 및 무밸브 펄스 데토네이션 연소기를 통한 고속 펄스 데토네이션 연소 특성을 파악할 수 있을 것이라 사료된다.
기초 실험 결과를 바탕으로 기존의 고속 펄스 데토네이션 연소기의 단점을 보완한 무밸브 펄스 데토네이션 연소기를 고안하여 제작하였다. 화염의 역화 방지 및 추진제의 균일한 공급을 위하여 다공성재를 이용한 유체밸브를 추진제 혼합 챔버와 점화플러그 사이에 삽입하였으며 점화 시퀀스를 펄스 신호 발생기를 이용하여 제어하였다. 실험결과 구동주파수 10 Hz 조건에서는 당량비 변화에 따라 당량비 1.4 미만에서는 화염이 블로우아웃되어 데토네이션 파가 발생하지 않았으며 당량비 약 1.42∼1.69 범위에서는 데토네이션 파의 속도가 약 1000∼1100 m/s로 상대적으로 높게 나타났으며 당량비 1.8 이상인 조건에서는 연료가 과잉 공급되어 연료와 추진제의 혼합비가 과농하여 데토네이션 파의 속도는 약 700 m/s 정도로 급격히 감소하는 경향을 보였다. 당량비 1.59인 조건에서 구동주파수가 높아짐에 따라 데토네이션 파의 속도는 점차 감소하는 경향을 보였고, 이는 구동주파수가 높아져 한 사이클당 충진시간이 짧아져 데토네이션 튜브 내로 공급되는 유량이 점차 감소하였기 때문이라 판단된다.
무밸브 펄스 데토네이션 연소기의 성능을 비교하기 위하여 데토네이션 파의 속도와 추진제의 공급 유량을 바탕으로 비추력을 구하였으며 데토네이션 파의 이론 속도인 C-J 속도를 바탕으로 계산한 이론 비추력 값과 비교를 하여 무밸브 펄스 데토네이션 연소기의 효율을 계산하였다. 계산결과 비추력, 비추력 효율 모두 데토네이션 파의 속도에 비례하므로 비추력, 비추력 효율 모두 데토네이션 파의 속도 결과와 비슷한 경향성을 나타내었고 당량비 1.59 조건에서 구동주파수가 높아짐에 따라 비추력, 비추력 효율 모두 감소하는 경향을 나타냈으며 구동주파수 10 Hz 조건에서는 당량비가 1.42∼1.69인 조건에서는 비추력 효율이 약 50 % 정도로 높은 효율을 보였으나 당량비 1.8 이상인 조건에서는 30∼35 % 정도로 비교적 낮은 효율을 보여 당량비 1.42∼1.69인 조건이 최적이다.
따라서 본 연구를 통하여 단일 데토네이션 파의 기초연구 및 무밸브 펄스 데토네이션 연소기를 통한 고속 펄스 데토네이션 연소 특성을 파악할 수 있을 것이라 사료된다.
목차
목 차요 약 i목 차 iii그림목록 v표 목 록 xiii기호목록 xiv제 1 장 서 론 11.1. 연구 배경 및 목적 11.2. 연구 내용 및 방법 4제 2 장 단일 데토네이션 파 연구 52.1 기체 연료 단일 데토네이션 파 실험장치 설계 및 제작 52.1.1 데토네이션 추진제 및 튜브 직경 선정 52.1.2 데토네이션 연소기 설계 72.1.3 DDT 장치 설계 82.1.4 제어 및 계측 시스템 구성 102.2 유량 산출 및 Chapman-Jouguet 데토네이션 파 해석 152.2.1 유량 및 O/F비 산출 152.2.2 Chapman-Jouguet 데토네이션 파 해석 202.3 기체 연료 데토네이션 파 실험 212.3.1 실험 방법 및 조건 212.3.2 DDT 장치 길이에 따른 데토네이션 파 발생 특성 232.3.3 데토네이션 튜브길이에 따른 데토네이션 파 발생 특성 242.4 액체연료 첨가 데토네이션 파 실험 272.4.1 액체연료 첨가 데토네이션 파 연구 272.3.2 액체연료 첨가 데토네이션 파의 가시화 31제 3 장 고속 펄스 데토네이션 파 연구 413.1 기체 연료 연속 데토네이션파 실험 413.2 무밸브(Valveless) 펄스 데토네이션 파 실험 443.2.1 실험장치 설계 및 제작 443.2.2 무밸브 펄스 데토네이션 파의 압력 및 속도 473.2.3 무밸브 펄스 데토네이션 연소기의 비추력 503.2.4 무밸브 펄스 데토네이션 연소기의 비추력 효율 53제 4 장 결 론 56참 고 문 헌 59부록 1 데토네이션 연소기 도면 64SUMMARY 65
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