고성능 비행체 엔진을 위한 분출냉각의 연구동향

황기영(Ki-Young Hwang),김유일(You-Il Kim) 한국항공우주학회 2011 韓國航空宇宙學會誌 Vol.39 No.10

분출냉각은 높은 압력과 온도의 가혹한 환경에서 운용되는 고성능 액체로켓과 공기흡입 엔진을 위한 가장 효과적인 냉각방법이다. 분출냉각이 적용되는 경우, 연소기 라이너와 터빈 블레이드/베인은 다공질 벽면을 통과하는 냉각재(공기 또는 연료)뿐만 아니라 차단막으로 작용하는 벽면을 빠져나온 냉각재에 의해 냉각된다. 이러한 냉각기술의 실용화는 가용한 다공질 재료의 부재로 인해 제한을 받아왔다. 그러나 금속결합 기술의 발전으로 확산접합과 식각된 얇은 금속판으로 제작한 Lamilloy^®와 같은 다층 기공 구조물이 개발되었다. 그리고 또한 경량 세라믹 매트릭스 복합재료가 개발됨에 따라 분출냉각은 근래 고성능 엔진 냉각을 위한 유망 기술로 여겨지고 있다. 본 논문에서는 분출냉각의 최근 연구동향 및 가스터빈, 액체로켓 및 극초음속 비행체 엔진에 이의 적용사례를 고찰하였다. Transpiration cooling is the most effective cooling technique for the high-performance liquid rockets and air-breathing engines operating in aggressive environments with higher pressures and temperatures. When applying transpiration cooling, combustor liners and turbine blades/vanes are cooled by the coolant(air or fuel) passing through their porous walls and also the exit coolant acting as an insulating film. Practical implementation of the cooling technique has been hampered by the limitations of available porous materials. But advances in metal-joining techniques have led to the development of multi-laminate porous structures such as Lamilloy^® fabricated from several diffusion-bonded, etched metal thin sheets. And also with the availability of lightweight, ceramic matrix composites(CMC), transpiration cooling now seems to be a promising technique for high-performance engine cooling. This paper reviews recent research activities of transpiration cooling and its applications to gas turbines, liquid rockets, and the engines for hypersonic vehicles.

분출냉각의 연구동향 및 고성능 비행체 엔진 적용사례

황기영,김유일 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.4

분출냉각은 높은 압력과 온도의 가혹한 환경에서 운용되는 고성능 액체로켓과 공기흡입식 엔진을 위한 가장 효과적인 냉각방법이다. 연소기 라이너와 터빈 블레이드/베인은 다공질 벽면을 통과하는 냉각재(공기또는 연료)뿐만 아니라 차단막으로 작용하는 공기에 의해 냉각된다. 그러나 이의 실용화는 유용한 다공질 재료의 제한에 의해 방해를 받아왔다. 벽면 내에서 내부 열전달을 증가시키는 보다 현실적인 방법을 찾는 노력을 통해 Lamilloy? 및 Transply?와 같은 다층 기공 구조물을 개발하게 되었다. 본 논문은 가스터빈, 액체로켓 및 스크램제트의 엔진을 위한 분출냉각의 최근 연구동향을 고찰하였다. Transpiration cooling is the most effective cooling technique for the high-performance liquid rocket and air-breathing engines operating in aggressive environments with higher pressures and temperatures. Combustor liners and turbine blades/vanes are cooled by the coolant(air or fuel) passing through their porous walls and also the exit coolant acting as an insulating film. However, its practical implementation has been hampered by the limitations of available porous materials. The search for more practical methods of increasing the internal heat transfer within the walls has led to the development of multi-laminate porous structures, such as Lamilloy? and Transply?. This paper reviews recent research activities of transpiration cooling for the engines of gas turbine, liquid rocket, and scramjet.

분출냉각 소재를 위한 고온 시험장치의 성능시험

이정민(Jungmin Lee),나재정(Jaejeong Na),강경택(Kyoungtaik Kang),권민찬(Minchan Kwon),황기영(Kiyoung Hwang) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

고온의 공기조건에서 분출냉각소재의 냉각특성을 확인하기 위한 시험장치를 제작 및 설치하고 이 시험장치의 성능시험을 수행하였다. 성능시험을 통해 시험장치의 운용범위를 확인하였으며, 시험장치가 시험부에 균일한 유동을 공급하고 있음을 검증하였다. 이러한 결과는 시험장치의 설계가 타당하였음을 나타내며, 분출냉각 소재의 시험평가에 적합한 시험장치임을 증명하였다. The Test Facility was manufactured and was equipped to study cooling performance of transpiration cooling materials in high-temperature air-supplying condition, and performance test of this facility tested was executed. From the performance test of this facility, its operation range was found, and what the test facility provides uniform flow to a test section is conformed. The results of test present that the test facility was designed reasonably and prove that it was appropriate for test and evaluation of transpiration cooling materials.

준-분출냉각용 냉각패널의 설계 비교

권민찬,황기영,김유일 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

다공 적층 구조물을 이용한 냉각 방법은 고성능 공기흡입식엔진 및 액체로켓엔진 등에 가장 효과적인 냉각 기술이다. 본 논문에서는 제작성과 효율을 고려한 세 가지 형태(직교형, 교차형, 연결핀형)의 적층구조물에 대한 상대적인 냉각 특성을 연구하였다. 이들 다공 적층 구조물들은 세 개의 판과 핀들로 구성되어 있다. 일정한 값의 제트구멍지름에 대한 충돌면 거리(h/d=0.25) 및 충돌/분출 구멍 지름에 대한 구멍 위치(S/d=8)에 대하여 SST(Shear stress transport) κ-ω 난류모델을 적용한 복합 열ㆍ유동 해석이 수행되었다. 세 구조물들의 비교에서 교차형 구조물이 가장 높은 냉각효율을 나타내었다. Cooling method with multi-perforated laminate structure is the most effective cooling technique for high-performance air-breathing engine and liquid rocket engine. The present study investigates the relative cooling effectiveness for three type’s laminate structures (normal type, cross type and connected pin type). Jet to target distance(h/d=0.25) and the impinging hole spacing to the hole diameter(S/d=8) are fixed. Conjugate flow and thermal computations are carried out, by using shear stress transport(SST) κ-ω turbulence model. A comparison among these structures shows that the cooling effectiveness values for the combined cooling in the cross type laminate structure are the highest.

액체로켓과 공기흡입식 추진기관을 위한 분출냉각의 연구동향

황기영(Ki-Young Hwang),김유일(You-Il Kim),송인혁(In-Hyuck Song) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

분출냉각은 높은 압력과 온도의 가혹한 환경에서 운용되는 액체로켓과 공기흡입식 엔진을 위한 가장 효과적인 냉각방법이다. 연소기 라이너와 터빈 베인은 다공질 벽면을 통과하는 냉각재(공기 또는 연료) 뿐만 아니라 차단막으로 작용하는 공기에 의해 냉각된다. 그러나 이의 실용화는 유용한 다공질 재료의 제한에 의해 방해를 받아왔다. 벽면 내에서 내부 열전달을 증가시키는 보다 현실적인 방법을 찾는 노력을 통해 Lamilloy<SUP>ⓡ</SUP> 및 Transply<SUP>ⓡ</SUP>와 같은 다층 기공 구조물을 개발하게 되었다. 본 논문은 액체로켓, 가스터빈 및 스크램제트의 추진기관 적용을 위한 분출냉각의 최근 연구동향을 고찰하였다. Transpiration cooling is the most effective cooling technique for liquid rocket and air-breathing engines operating in aggressive environments with higher pressures and temperatures. Combustor liners and turbine vanes are cooled by the coolant(air or fuel) passing through their porous walls and also the exit coolant acting as an insulating film. However, its practical implementation has been hampered by the limitations of available porous materials. The search for more practical methods of increasing the internal heat transfer within the walls has led to the development of multi-laminate porous structures, such as Lamilloy<SUP>ⓡ</SUP> and Transply<SUP>ⓡ</SUP>. This paper reviews recent research activities of transpiration cooling for the propulsions of liquid rocket, gas turbine, and scramjet.

분출냉각 소재를 위한 고온 공기 공급 시스템 개발과 시험결과

이정민(Jungmin Lee),나재정(Jaejeong Na) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12

개발된 분출냉각 소재의 고온 조건에서 시험평가를 수행하기 위해 고온 공기 공급시스템이 개발되었다. 이 고온 공기 공급시스템은 아크-플라즈마 발생기로부터 공급되는 초고온 공기에 찬 공기를 혼합하여 구성하였다. 장치의 성능 시험과 시험조건 설정 시험을 통해 유질을 평가하고 장치의 성능을 확인하였다. 고온 시험은 분출냉각 소재에 약 1500K의 고온 공기를 공급하고 약 600K의 냉각 공기를 공급하여 분출냉각 소재의 우수한 냉각특성을 확인하였다. In order to test and evaluate designed transpiration cooling materials in hot flow condition, a hot air supply system was developed. It realized to mix very hot air from an arc-plasma generator with cold air. In a performance test and the test to set test condition, a flow quality was evaluated and performance of the system was confirmed. Hot testes were executed as main hot air about 1500K and coolant about 600K were supplied to a transpiration cooling material. As the result, cooling characteristics of the transpiration cooling material was confirmed.

분출냉각 실험을 위한 고온 공기 공급 시험장치의 설계 및 유동해석

이정민,나재정,강경택,황기영 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

내열을 위한 효과적인 냉각 방법 중 하나인 분출냉각과 관련한 실험을 수행하기 위해 고온의 공기를 공급하기 위한 시험장치가 필요하다. 이러한 연구를 위해 소형의 아크-플라즈마 발생기에서 발생된 고온의 공기에 찬 공기를 혼합하여 장치를 구성하였다. 이러한 장치의 내부에서 초고온 공기와 찬 공기가 혼합되는 메카니즘을 이해하기 위해 전산유체해석을 수행하였다. 또한, 유동해석을 통해 구조적으로 효율적인 혼합, 균질한 유질이 이루어지기 위한 설계변수를 도출하고, 시험장치가 가진 제한조건 내에서 최적의 시험 조건을 도출하기 위해 몇 가지 입구조건 변화에 따른 내부 유동 특성 변화를 고찰하였다. The special test facility is required to provide hot air for experiment regarding transpiration cooling, one of effective cooling solution for thermal protection. For this study the test facility has the mixer with hot air from a small arc-plasma generator and cold air. In order to understand mechanism mixed with arc heated very high temperature air and cold air CFD analysis is achieved. In addition, following the CFD results design parameters for satisfying constructively effective mix and homogeneous flow quality are figured out, and variation of flow-characteristics upon change of inlet conditions is considered to set optimum test conditions in boundary of capability in the test facility.

고온유동 조건의 분출냉각 실험을 위한 시험장치의 설계 및 해석

이정민(Jungmin Lee),나재정(Jaejeong Na),강경택(Kyoungtaik Kang),권민찬(Minchan Kwon),황기영(Kiyoung Hwang) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

고온 공기 공급시스템이 있는 시험장치는 분출냉각 소재를 개발하고 이를 실험적으로 평가하는데 필요한 장치이다. 본 연구는 이러한 시험장치의 개발과 관련된 것이며, 보유한 아크-플라즈마 발생기를 열원으로 사용하였다. 요구 조건을 만족하는 고온 유체를 시험부에 공급하기 위해 초고온의 공기와 찬공기의 혼합모델을 계산하고, 유동이 균질하게 되는 형상의 시험장치를 구성하기 위한 설계변수를 도출하였다. 또한 이들의 설계의 타당성을 검증하기 위해 내부 유동해석을 수행하였다. The test facility with hot-air supply system is required to develop transpiration cooling materials and experimentally evaluate its performance. This study is related to development of this test facility which has heat source by means of an existing arc-plasma generator. In order to provide hot-flow satisfying the test conditions to test section, mixing model of very high temperature air and cold air is calculated and design parameters for internal shape of the test facility making homogeneous flow are figured out. In addition, an internal flow analysis is executed to conform validity of design.

고온유동 조건의 분출냉각 실험을 위한 시험장치의 설계 및 해석

이정민(Jungmin Lee),나재정(Jaejeong Na),강경택(Kyoungtaik Kang),권민찬(Minchan Kwon),황기영(Kiyoung Hwang) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회지 Vol.17 No.2

The test facility with hot-air supply system is required to develop transpiration cooling materials and experimentally evaluate its performance. In the study, the facility consists of an arc-plasma generator, plenum chamber suppling cold air, and test section was designed and an internal flow analysis was executed. From CFD results, it was confirmed that the designed plenum chamber thermally safeties and ideally mixes with plasma gas and cold air in the chamber. In addition, validity of design for supplying homogeneous flow to the test section was confirmed by this analysis.

고온 시험장치에서의 엔탈피 결정

나재정(Na Jae Jeong),이정민(Lee Jung Min),강경택(Kang Kyung Taik) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

공기흡입 엔진 부품의 고온 분출냉각 시험장치에서의 엔탈피값을 구하기 위하여, 시험부 유동에 대한 이론적 계산 및 측정을 수행하였다. 열평형 및 음속유동 방법에 의해 계산된 질량평균 엔탈피 값은 10 MJ/kg 이며, 슬러그형 구리 열량계를 사용하여 측정된 유동 중심에서의 엔탈피 값은 15MJ/kg이었다. 일반적으로, 유동 중심 대 질량평균 엔탈피 비의 범위는 1.4에서 4이다. 본 시험장치는 고온 분출냉각 시험에 효과적인 낮은 엔탈피 구배를 갖는 것으로 나타났다. In order to determine the enthalpy profile in the high temperature transpiration cooling test facility for the air-breating engine compartments, theoretical calculation and measurement for the flow of the test section are performed. The mass averaged enthalpy value determined by the heat balance and sonic throat methods is 10 MJ/kg. The centerline enthalpy value measured using the slug type copper calorimeter is 15 MJ/kg. Typically, the ratio of centerline and mass averaged enthalpy should be varies from 1.4 to 4. This facility has lower bound of enthalpy profile. It will be effective in testing of high temperature transpiration cooling.