연속형 핀틀 인젝터의 분무 및 연소특성 :Spray and combustion characteristics of continuous pintle injector

남정수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 남정수 (한국항공대학교, 韓國航空大學校)

지도교수: 具滋叡

발행연도: 2020

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수11

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

다중 홀 핀틀 인젝터와 연속형 핀틀 인젝터의 연소성능 비교

남정수 , 이건웅 , 구자예 한국항공우주학회지 2022.03 학술저널

2020

연속형 핀틀 인젝터의 분무 및 연소특성

남정수 航空宇宙 및 機械工學科 2020.01 학위논문

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재사용 발사체와 달탐사에 대한 관심이 증가하면서 추력제어 기술개발의 중요성 또한 증가하고 있다. 핀틀 인젝터는 넓은 추력제어범위를 가지며 추진제 공급유량에 따라 분사면적을 조절하여 일정한 운동량비를 유지할 수 있다. 따라서 고추력과 저추력 모두 연소효율이 높다는 장점이 있다.
본 연구에서는 추력제어가 용이한 핀틀 인젝터에서 연속형 핀틀의 분무실험과 연소시험을 수행하였다. 분무실험을 통해 분무특성인 분무각도, 액적크기(SMD), 액적분포를 확인해보았다. 이후에 수행된 연소시험에서는 액체산소와 기체메탄을 주 연료로 사용하였으며, 추진제 공급압력과 개도에 따른 조건을 설정하여 진행하였다. 총 연소시간은 메인메탄 분사시점을 기준으로 약 1초로 하였다.
먼저 분무실험에서는 분무이미지 촬영을 통하여 분무각을 측정하였고, 개도가 증가함에 따라 그리고 총 운동량 비인 TMR이 증가함에 따라 분무각이 증가하는 경향을 확인하였다. 또한 TMR에 따른 분무반각 계산이 가능하도록 경험식을 도출하였다. 액적크기는 액체유량과 개도(액막두께)가 증가하게 되면 액적크기도 증가하게 된다. 또한 레이놀즈수 비()에 따른 SMD결과를 통하여 액체분사속도가 클수록 미립화가 원활히 이루어지게 됨을 확인할 수 있었다. 액적분포는 이진화 이미지 처리를 통해 확인해보았다. 연속형 핀틀은 차폐율이 1이기 때문에 대체로 고른 액적분포를 나타내지만 유사한 액체유량 조건에서 저개도(0.3mm)일 때 보다는 고개도(0.5mm)일 때 액적이 더 고르게 분포하게 된다. 고개도 조건에서 액체유량을 증가시키면 분열이 완전히 이루어지지 못한 굵은 액적들이 공간 내에 더 많이 형성된다.
연소시험에서는 100%스로틀링 조건인 개도 0.22mm일 때의 O/F비에 따른 특성속도와 특성속도효율 그리고 연소실 압력에 따른 특성속도와 특성속도효율을 살펴보았다. 실험결과 중에서 O/F비가 3.9일 때 효율이 가장 높았으며, 연소실 압력이 증가함에 따라 효율 또한 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 50%스로틀링 조건인 개도 0.11mm일 때는 슬릿간격이 매우 작기 때문에 연소 전에 극저온 추진제인 액체산소로 냉각하게 되면 성에가 슬릿을 차단하는 문제가 발생하였다. 이로 인해 안정적인 연소 데이터를 확보할 수 없었다.
분무실험과 연소시험을 통하여 연속형 핀틀 인젝터의 기초적인 연구를 수행하였으며, 실험결과들을 통해 실제 핀틀 인젝터의 설계 및 개발에 적용 가능할 것으로 보인다.

The importance of developing thrust control technology is also increasing as interest in reusable projectiles and lunar exploration increases. Pintle injectors have a wide thrust control range and can maintain a constant momentum ratio by adjusting the injection area according to the propellant supply mass flow rate. Therefore, both hign thrust and low thrust have the advantage of high combustion efficiency.
In this study, the spray test and combustion test of continuous pintle were carried out in a pintle injector that was easy to thrust control. Through spraying experiment, we checked spray angle, droplet size (SMD), and droplet distribution. Liquid oxygen and gaseous methane were used as the main fuels for combustion tests, and conditions were established according to the propellant supply pressure and pintle opening distance. The total combustion time was about 1 second based on the injection of the main methane.
In the spray experiment, the spray angle was measured through the spray image shooting, and the spray angle was shown to increase with the increase in pintle opening distance and the increase in the total momentum ratio, TMR. In addition, the empirical formula was derived to enable the calculation of spray half angle according to TMR. As for the droplet size, the droplet size increases as the amount of liquid mass flow rate and the pintle opening distance(the thickness of the liquid sheet) increases. In addition, SMD results according to Reynolds Number Ratio () confirmed that the greater the speed of liquid injection, the better the atomization. I checked the droplet distribution through binary image processing. Continuous pintle have a blockage factor of 1, so they generally show even droplet distribution, but under similar liquid flow conditions, the liquid is more evenly distributed at high pintle opening distance(0.5 mm) than at low pintle opening distance(0.3 mm). Increasing the liquid mass flow rate under high pintle opening distance conditions creates bigger droplets in space that is not completely atomized.
In the combustion test, the characteristic speed and characteristic speed efficiency according to O/F ratio under 100% throttling condition of 0.22mm and the characteristic speed efficiency according to combustion chamber pressure were examined. The results of the experiment showed that the efficiency was the highest when the O/F ratio was 3.9, and the efficiency also tended to increase as the pressure in the combustion chamber increased. Because the slit gap is very small when the pintle opening distance is 0.11mm, which is a 50% throttling condition, the frost blocking problem occurred when cooling with liquid oxygen, a cryogenic propellant before combustion. As a result, stable combustion data could not be obtained.
Basic research of continuous pintle injector was carried out through spraying test and combustion test, and it seems that it can be applied to design and development of actual pintle injector through the experimental results.

감사의 글 i
요약 ii
목차 iv
그림목록 vi
표목록 x
기호목록 xii
제 1 장 서 론 1
1.1. 핀틀 인젝터 1
1.1.1. 선행연구 2
1.1.2. 연소특성 5
1.1.3. 추력제어방법 6
1.1.4. 추력제어의 적용 8
1.2. 연구목표 11
제 2 장 실험방법 12
2.1. 분무실험 장치와 실험방법 12
2.1.1. 핀틀 인젝터의 형상 및 제원 12
2.1.2. 분무실험조건 16
2.1.3. 분무 가시화 17
2.1.4. 액적크기(SMD) 측정 19
2.2. 연소시험 장치와 실험방법 21
2.2.1. 추진제 배관 및 신호선 구축 21
2.2.2. 연소실과 노즐설계 25
2.2.3. 연소용 핀틀팁의 형상 및 제원 29
2.2.4. 연소 시퀀스 31
제 3 장 실험결과 32
3.1. 분무실험 결과 32
3.1.1. 분무각 32
3.1.2. 액적크기(SMD) 36
3.1.3. 액적분포 41
3.2. 연소시험 결과 44
3.2.1. 연속형 핀틀의 고개도(0.22mm)일 때 연소 44
3.2.2. 연속형 핀틀의 저개도(0.11mm)일 때 연소 50
제 4 장 결론 53
참 고 문 헌 55
Appendix A: 연속형 핀틀 인젝터의 연소시험 압력 데이터 58
SUMMARY 61

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