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유동층 방식의 밀집상과 희박상 거동을 이용한 분말형 금속 연료 정량 공급 방법
고태호(Taeho Ko),윤웅섭(Woongsup Yoon) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11
금속을 청정 에너지원으로 이용하기 위해 분말형 금속연료 연소시스템이 필요하고, 이에 대한 선행연구로 분말을 정량 공급할 수 있는 공급기를 설계·제작하였다. 유동층 방식의 분말 공급에 영향을 미칠 수 있는 변수들을 피스톤 및 벤츄리관이 적용된 공급 방법을 사용하여 통제한 후, 조절 가능한 공급기 내부 압력만을 변수로 하여 중요 성능인 분말 공급량을 직접적인 중량 측정 방법으로 측정하였다. 측정 실험의 결과로부터 연소시스템에 적용할 공급기의 작동 조건을 도출할 수 있었고, 작동 조건에서 벗어난 영역에서 분말 공급기가 가지고 있는 문제점을 확인하였다.
고태호(Taeho Ko),이상협(Sanghyup Lee),윤웅섭(Woongsup Yoon) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.5
금속분말을 청정 에너지원으로 이용하기 위해 금속분말 소형 연소기의 구현이 필요하다. 이를 위한 기초 연구로서 점화성이 뛰어나면서도 경제적인 수십 마이크로 크기의 마그네슘(Mg) 분말을 대상으로 고온 증기(steam)와의 연소 현상 대해 연구하였다. 본 연구에서는 연소실 내 체류시간 및 혼합 효율을 증가시키기 위해 와류 유동을 연소기에 적용하였고 아르곤(Ar) 이송가스를 이용해 마그네슘 분말을 공급하였다. 안정한 화염을 유지시키기 위하여 이송가스의 유량을 변화시켜 공급되는 마그네슘의 양을 조절하였고, 고온 증기의 공급량은 니들 밸브의 개도를 조정하거나 우회시킨 관로로 증기의 일부를 배출함으로써 조절하였다. 고온의 점화원을 사용하여 증기 분위기 내 마그네슘 분말을 점화시켜, 대기압 환경에서 마그네슘/증기/아르곤의 지속적인 화염을 구현하였다.
고태호(Taeho Ko),정유신(Yushin Jeong),윤웅섭(Woongsup Yoon) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5
개방형 액체로켓엔진 시스템에 대한 동특성 예측 프로그램을 작성하였다. 이 프로그램을 통해 얻은 펌프 시동 시 시간에 따른 압력 및 유량 변화 결과를 수류실험장치를 구축하여 실험적으로 검증하였다. 수류실험장치는 실제 액체로켓엔진 추진제 공급 계통에서 구성품의 형태와 배치위치, 가스발생기와 주연소실로 분기되는 유량비를 기준으로 모사되었다. 측정 시 관로가 채워진 상태에서 펌프를 시동하였으며 펌프는 전동기로 구동된다. 동특성 예측 프로그램의 작성을 위해 구성품별 동특성 모델링을 수행하고 엔진 시스템을 기준으로 각 모델링을 순차적으로 통합하였다. 구성품의 동특성 파라미터를 측정·반영하였고 압력 밸런싱을 통해 수렴 조건이 결정된다. 수렴된 밀도와 유량을 가지고 다음 시간에서의 초기 입력 값으로 대체하여 계산을 수행하였다. 천이 작동 상태에서 엔진 시스템 내의 물리량 변화를 전산 예측과 더불어 실험적으로 측정하고 비교하였다.
고태호(Taeho Ko),이상협(Sanghyup Lee),김형민(Hyungmin Kim),양희성(Heesung Yang),윤웅섭(Woongsup Yoon) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11
마이크론 사이즈의 알루미늄 분말과 공기의 연소에 대한 실험적인 연구가 수행되었다. 알루미늄 입자는 산화 피막으로 싸여 있기 때문에 점화 및 연소가 어렵다. 그러므로 추진제(HTPE)를 사용한 점화와 긴 연소실에서 오랜 체류시간이라는 조건을 만듦으로써 알루미늄 분말의 연소를 위한 연소시스템이 구축되었다. 알루미늄 분말과 공기의 화염은 전단동축인젝터-예혼합 연소실에서 긴 영역에 걸쳐 형성되었고, 연소 조건은 당량비 약 0.72로서 연료 희박 조건이었다. The combustion phenomenon of micro-sized aluminum(Al) powder with air was studied experimentally. Because of the oxide layer which is covered the a Al particle, the ignition and combustion are difficult. Therefore the combustion system was constructed in order to burn the Al powder after removing the oxide layer by ignition of the propellant(HTPE) and achieving a long residence time in a long combustor. The flame of the Al powder with air was formed to a long length in the shear coaxial injector-premixed combustor and the flame condition was fuel lean combustion(Φ≒0.72)
고태호(Taeho Ko),이상협(Sanghyup Lee),윤웅섭(Woonsup Yoon),이도형(Do hyung Lee) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5
공기를 산화제로 하는 수십 마이크론 크기의 알루미늄 분말 연소에 대한 실험적 연구가 수행되었다. 전단동축인젝터-예혼합관이 적용된 연소실에서 화염을 유지시키고 그 기작을 고찰하였다. 알루미늄 입자는 높은 녹는점과 끓는점을 가진 알루미나 산화피막으로 싸여 있어 점화 및 연소가 어렵다. 이를 극복하기 위해 고온의 플라즈마(4000 K) 점화기를 연소실의 측면에 적용하여 공기가 산화제인 조건에서 점화하였다. 공기를 수송가스로 한 알루미늄 분말 연료는 예혼합관에서 추가적으로 공급된 공기와 혼합되어 내경 54 mm, 길이 800 mm의 연소실에 공급되었다. 설계된 연소실에서 화염안정화가 이뤄지는 분말 및 공기 공급 조건을 찾아 화염 유지는 성공적이었다. 그리고 연소실 가시화를 통한 고찰로, 알루미늄 분말이 가진 산화피막의 점화지연 효과로 인해 알루미늄 분말-공기 화염으로부터의 열전달로 인한 기작보다는 가열된 연소실 벽면으로부터의 열전달로 인한 화염 유지임을 확인할 수 있었다. 향후 구체적인 연구를 통해 관련 현상을 규명하여 최적의 연소 조건을 구현하고 이를 확인해야 할 것이다.
금속분말 연소기를 위한 핀틀인젝터형 연료 공급 장치의 입자 분사량 측정
고태호(Taeho Ko),김형민(Hyungmin Kim),이도형(Do Hyung Lee),윤웅섭(Woongsup Yoon) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11
금속분말을 청정 에너지원으로 이용하기 위해 금속분말 소형 연소기의 구현이 필요하다. 이를 위한 선행연구로 연료 공급 시스템인 핀틀인젝터형(pintle injector type) 금속분말 공급장치의 중요 성능인 분사량을 실험적으로 측정하였다. 분사량 측정 시험에 앞서 간단한 금속분말 공급 시험으로 확인된 문제점을 장치의 변경을 통해 해결하였다. 측정 시험의 결과, 연료 공급 장치에 이송 가스 압력이 상승함에 따라 많은 질유량의 금속분말이 분사되었고 압력에 따른 정량적 분사량을 확인하였다. 이송 가스와 금속분말의 혼합 성능을 개선하여 균일한 분사를 하고자 이송 가스를 25 Hz로 가진 하여 공급하였고 가진이 없는 경우의 실험결과와 비교하였다.