Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 21, No. 3, pp. 41-48, 2017 41 Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/kspe.2017.21.3.041 전단동축형인젝터를통해분사된기체메탄 - 기체산소확산화염의연소특성 홍준열 a 배성훈 a 권오채 b 김정수 a, * Combustion Characteristics of a Gaseous Methane-Gaseous Oxygen Diffusion Flame Sprayed by a Shear Coaxial Injector Joon Yeol Hong a 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: jeongkim@pknu.ac.kr ABSTRACT The combustion characteristics of gaseous methane-gaseous oxygen, an eco-friendly bipropellant injected by shear coaxial injector, were investigated. Flame was photographed under various combustion conditions using a DSLR camera, and the characteristics of the flame shape was quantified by image post-processing. From the view point of stabilization, the diffusion flame could be divided into anchored flame regime and blow-off regime. As the oxidizer Reynolds number (Re o ) increased, a probability of the formation of anchored flame increased with the length of flame. The shear coaxial injector used in this experiment was found to require a large length-to-diameter ratio of combustion chamber because it formed a relatively long flame in the injection direction due to a poor mixing depending only on the momentum diffusion of two propellant jets. 초 록 전단동축형인젝터를통해분사된친환경이원추진제기체메탄 - 기체산소의연소특성을규명하기위한연구를수행하였다. DSLR 카메라를이용하여다양한연소조건에서화염을촬영하였고, 이미지후처리기법을통해화염형상을정량화한후그특성을분석하였다. 안정화관점에서확산화염은 anchored flame regime 과 blow-off regime 으로구분될수있었으며, 산화제레이놀즈수 (Re o ) 가증가함에따라부착화염의형성, 화염의길이가증가하는경향을나타냈다. 본실험에이용된전단동축형인젝터는추진제제트의운동량확산에만종속하고그리양호하지않은혼합으로인해분사방향으로길이가긴화염을형성하게되므로보다큰연소실길이직경비가요구됨을확인할수있었다. Key Words: Combustion Stability Limit( 연소안정한계 ), Diffusion Flame( 확산화염 ), Anchored Flame ( 부착화염 ), Flow Residence Time( 유동정체시간 ), Momentum Diameter( 운동량지름 ) Received 24 March 2017 / Revised 8 May 2017 / Accepted 12 May 2017 Copyright C The Korean Society of Propulsion Engineers pissn 1226-6027 / eissn 2288-4548 1. 서론 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org /licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
42 홍준열 배성훈 권오채 김정수한국추진공학회지 연료와산화제를추진제로사용하는이원추진제 (bipropellant) 로켓엔진은화학식액체추진시스템 (liquid propulsion system) 중에서가장높은비추력및추력성능과다양한추진제공급량조절에기인하는다양한추력대의작동특성을가지고있다. 로켓엔진은추진제를저장하기위한저장탱크 (tankage), 추진제공급을위한터보펌프 (turbopump), 연소실 (combustion chamber), 추진제분사장치 (injector) 그리고노즐 (nozzle) 등으로구성되며, 이원추진제로켓엔진은발사체시스템 (launch vehicle system), 우주비행체 (spacecraft), 우주정거장 (space station), 인공위성 (satellite), 위치자세제어시스템 (Divert and Attitude Control System, DACS) 뿐아니라, 탐사선착륙을위한역추진로켓 (retro-rocket) 등에이용되고있다 [1]. 현재운용되는대부분의액체로켓엔진은 kerosene/lox 또는 LH 2 /LOx를추진제로사용하며, LH 2 /LOx 추진제조합은타이원추진제에비해월등히높은비추력 (specific impulse, Isp), 무독성, 친환경의장점을지니지만낮은밀도와액화점으로인한대용량저장탱크의필요성, 높은반응성에기인하는부가적인안전장비의설치에따른무게및부피증가의단점을지니고있다 [2]. 이에반해메탄을연료로하는추진제는 LH 2 /LOx 이원추진제다음으로우수한비추력성능, 안정성, 저장성의장점을가진다. 또한, kerosene/lox 추진제를이용하는로켓엔진과비교했을때, 연소실의온도가더낮음에도불구하고메탄의특성속도 (characteristic velocity, C*) 와비추력성능이앞서는것으로평가되고, 운용비용측면으로는 kerosene보다 3배이상경제적이며, 매우높은침탄한계 (coking limit) 로인한엔진의재사용성, 현지자원활용 (in-situ resource utilization, ISRU), 무독성, 냉각제 (coolant) 로서의우수한성능등과같은특징으로인해세계적으로 LCH 4 /LOx 이원추진제가각광받고있다 [3]. 이러한장점으로인해메탄을연료로하는로켓엔진의연구가활발히진행되고있으나, 아직초기연구단계에있다. 특히, 불안정한추진제의공급, 유동, 연소과정 (combustion process), 연소실음향모드 (chamber acoustic modes) 등다양한이유로발생하는연소불안정성 (combustion instability) 은추력성능의저하및엔진부품의손상등을초래하므로연소불안정성해결을위해체계적인연구가수행되어야한다. 이에따라액체메탄-액체산소의선행연구로서기체메탄-기체산소연소특성의규명은필수적이라할수있다. M. Chahine 등 [4] 은메탄-공기화염에산소의추가공급에따른연소특성변이에관한연구를수행하였고그결과화염온도상승, 연소효율증대, 부상높이의감소등을확인하였다. T. Fumiaki 등 [5] 은메탄및탄화수소확산화염 (diffusion flame) 의소화및연소안정성에대한해석을위해원형동축버너를이용한실험적연구를수행하였고산화제, 연료의분사속도조건과층류및난류영역에따른연소안정한계를도출하였다. D. Jeffey 등 [6] 은전단동축형인젝터 (shear coaxial injector) 를통해분사되는메탄-산소의위치, 산화제레이놀즈수 (Re o ) 및추진제운동량비에따른연소안정한계와각화염형태에대한경계를수식적으로도출하였다. 본연구는이원추진제추력기 (thruster) 에사용되는메탄의연소특성을규명하기위한선행연구의일환으로, 모델연소실내전단동축형인젝터를통해분사되는기체메탄-기체산소화염의이미지후처리 (image postprocessing) 를통해화염특성을분석하고연소안정한계도출과정을기술한다. 2. 실험장치및방법 Fig. 1은기체메탄-기체산소의연소특성연구를위한모델연소실및실험장치의개략도이다. 실험장치는토치점화기 (torch ignitor), 밸브 (valve), 역화방지기 (back-fire protector), 질량유량제어기 (Mass Flow Controller, MFC), 데이터수집및제어장치 (Data Acquisition and Control System, DACS) 등으로이루어지며, 모델연소실은추진제혼합을위한전단동축형인젝터 (shear-coaxial injector), 연소실 (combustion chamber), 노즐 (nozzle) 등으로구성된다. 연소실내부형상
제 21 권제 3 호 2017. 6. 전단동축형인젝터를통해분사된기체메탄 - 기체산소확산화염의연소특성 43 Fig. 1 Schematic of experiment setup. (Fig. 2(a)) 은준원통 (quasi-cylindrical) 형상으로내부화염관측을위한쿼츠가시창 (quartz window), 연소실및센서 (sensor) 등의열손상을방지하기위한냉각채널 (cooling channel) 로구성된다. Fig. 2(b) 는실험에사용된전단동축형인젝터를통해분사된추진제의혼합메커니즘을도시한다. 인젝터중심에서는산화제가, 그주변으로는환형의연료제트 (fuel-jet) 가각각다른속도성분을가지고분사되어운동량확산에의해추진제간혼합이이루어지며, mixing zone 부근에서확산화염이발생된다. 본실험의연소순서는 Fig. 3에도시하며, 산화제의레이놀즈수 (Re o ) 와연소순서에따른연소실압력변화를 Fig. 4에나타낸다. Ignition delay에의존하는토치화염의압력은점화시큰압력을발생시킨다. 따라서모델연소실의손상을최소화하며, 연료와산화제의충분한혼합을위해추진제를 2초간공급하고, 점화플러그 (spark plug) 를통한고전압의외부에너지를이용하여점화하였다. 그후주추진제 (primary propellant) 를주입하여 14초간연소실험을진행한이후에추진제공급을차단하고질소가스를이용하여공급유로및연소실의잔류가스를배출 (purge) 시킨다. 연소실의압력은주추진제연소시에큰값으로발생하며, Re o 의증가에따라압력이상승하는것을확인하였다. Fig. 2 Configuration of the model combustor and shear-coaxial-injector. 확산화염의안정화여부에큰영향을미치는변수인추진제모멘텀플럭스비 (momentum flux ratio, (O/F) mom ) 와추진제의레이놀즈수에따른연소실험을수행하기위해산화제와연료의공급량을조절하였고질량비 ((O/F) mass ) 에따른실험조건을 Table 1에나타낸다. 연소실압력, 추진제공급압력을측정하여추진제분사속도를산출하는데이용되었으며, 다음의 Eq. 1을통해 (O/F) mom 값을도출하였다. (1) 화염은 DSLR 카메라를이용하여직접이미지를촬영하였고, 화염이미지를그레이스케일 (gray scale) 로변환, 이미지밝기강도 (intensity), 선예도 (sharpness) 조절, 이진화 (binarization) 과정등을
44 홍준열 배성훈 권오채 김정수 한국추진공학회지 3. 실험결과 및 고찰 통해 이미지 후처리(post-processing)를 하여, 화 염특성을 정량화하였다. 3.1 연소안정한계 일반적인 확산화염은 Fig. 5와 같이 부착화염 (anchored flame), 부상화염(detached flame), 그 리고 near-blowout 화염 등, 크게 3가지 형태로 나타나며, 추가로 화염이 유지되지 않는 blow-off 상태 등으로 이루어진다. 부착화염은 인젝터의 출구위치에 화염이 부착된 형태로 연소 시 발생 하는 진동이 매우 작으며, 안정적인 연소를 유지 한다. 또한, 화염 관측 시 일말의 부상거리가 있 지만 인젝터와 화염사이 희미한 화염인 faint flame이 존재하는 경우도 부착화염으로 분류된 Fig. 3 Sequence of combustion experiment. 다. 인젝터 출구로부터 일정거리 이격되어 연소 Fig. 4 Pressure variation with combustion sequence of methane and oxygen. Fig. 5 Categorization of diffusion flame[6]. Table 1. Experimental conditions. =Φ Reynolds No. of Oxidizer, Chamber Pressure, (psi) 1.0 0.250 8,569-10,118 5.470-6.530 14.96-15.17 1.5 0.375 10,064-15,037 10.63-12.07 14.98-15.33 2.0 0.500 10,314-17,178 17.37-18.58 18.76-24.16 2.5 0.625 8,811-21,346 19.73-26.02 18.51-34.31 3.0 0.750 10,110-30,451 23.48-26.55 17.68-46.18 3.5 0.875 11,953-36,515 26.12-30.79 19.48-59.41 4.0 1.000 13,560-40,234 31.02-42.20 18.62-67.52
제 21 권제 3 호 2017. 6. 전단동축형인젝터를통해분사된기체메탄 - 기체산소확산화염의연소특성 45 Fig. 6Combustion flame regimes according to oxygen reynolds number and oxygen methane momentum ratio. 하는부상화염의경우, 약간의진동이발생하나, 부상된상태에서연소가진행되어인젝터의열손상이적다는장점을갖는다. Near-blowout 화염은인젝터직경의 10배이상인매우큰부상거리 (lift-off distance) 를가지며진동, 넓은화염폭및난류유동에의한화염의찌그러짐현상이나타나는전형적인불안정연소현상을보인다. Fig. 6은기체메탄-기체산소확산화염의연소안정한계에대한결과를나타낸다. H. Shengteng 등 [7] 에의하면 (O/F) mom 증가에따라화염은 blow-off, near-blowout flame, detached flame, anchored flame 순으로화염의거동이진행된다고하였으나, 본연구에서의화염은 near-blowout flame과 detached flame의천이과정없이 blow-off에서 anchored flame으로직접진행하는것이관측되었다. Blow-off regime I은 (O/F) mom < 21.1, Re o < 17,178이며, (O/F) mass 는 2.5 이하로연료와산화제의이론반응비 (stoichiometric ratio, (O/F) mass = 4) 로부터크게벗어난조건이다. 또한, (O/F) mom 이낮은조건임을고려하면, 연료와산화제의미미한속도차이로원활하지않은추진제혼합에의해화염이유지되지못하는것으로예측된다 [6]. Blow-off regime II는연료과농 ((O/F) mass = 2.5 ~ 3.5) 및이론반응비조건을가지는영역 ((O/F) mom > 21.1) 으로높은 (O/F) mom 영향에의해대류물질전달율 (convective mass transfer rate) 이상승하고, 상대적으로화학반응율 (chemical reaction rate) 이감소하는것으로판단된다. 이에따라불완전한연소조건에의해 blow-off가발생하는것으로보인다. Anchored flame regime은 (O/F) mom > 21.1, Re o > 10,110에서안정적인부착화염이발생하는영역이다. (O/F) mass = 2.5에서는부착화염과 blow-off 모두나타나는 unstably-anchored-flame regime이존재한다. 이조건에서 blow-off는전술한원인에기인하는것으로판단되고, blow-off regime 보다높은 Re o 에서부착화염이형성되나, blow-off가공존하는것으로보아 blow-off regime과 anchored flame regime의경계로판단된다. 부착화염은주로연료과농조건에서발생되고 Re o 가증가함에따라연소조건이 (O/F) mass = 2.5 ~ 3.5에서 (O/F) mass = 3.0 ~ 4.0으로이동하였다. 부착화염은추진제가충분히혼합될수있는 (O/F) mom 에서발생하며, 이는연료와산화제의속도차이에기인하는추진제간전단력에의한혼합과 flame holder의역할을하는인젝터출구부근에서의와류 (vortex flow) 및재순환영역 (recirculation zone) 으로인해안정적인고온영역이확보, 유지되기때문이다 [6]. 3.2 확산화염이미지분석 DSRL 카메라를이용하여획득한화염의직접이미지와이진화된화염형상을비교, 분석하여화염길이를도출하였다. 다양한화염길이측정법중실험자의관측에의해정의되는가시적인방법과촬영된사진으로부터개개의순간적가시화염의길이를평균하는방법 [8] 을통해 (O/F) mom 과 Re o 에따른메탄-산소확산화염을형상화하였고, 이진화한화염이미지를픽셀단위로보정하여, 화염길이를측정하였다. Fig. 7은동일인젝터직경, Re o > 10,110, (O/F) mass = 2.5 ~ 4.0의실험조건에서 Re o 에따른화염직접이미지및이진화이미지를도시하고있다. 화염은모두부착화염으로나타나는데, 이는전단동축형인젝터를통한추진제의혼합방식에기인한다. 노즐방향으로분사시발생하는
46 홍준열 배성훈 권오채 김정수한국추진공학회지 (O/F) mass 2.5 3.0 Flame Image Re O 12,942 17,089 21,346 10,110 15,293 25,825 (O/F) mass 3.5 4.0 Flame Image Re O 11,953 17,820 23,904 33,593 40,234 Fig. 7Direct and binary image of the gaseous methane-oxygen flame according to the oxygen Reynolds number and propellant mass ratio. Fig. 8Flame length according to oxygen reynolds number. 연료와산화제의속도차이로인해인젝터출구에서재순환영역이생성되어좁고길이가긴형태의화염이인젝터에부착되어발생한다. 이경우인젝터표면에화염이부착되어추진제가연소되므로, 장시간연소시인젝터의열적손상이발생할수있다. 또, 긴화염으로인해서스월 동축형인젝터를사용하는추력기에비해상대적으로큰연소실의길이직경비가요구된다. 따라서엔진의크기가제한적인추력기설계에있어단점이되는요소로작용할수있다. Fig. 8에서는연료의레이놀즈수 (Re F ) 와 Re o 에따른화염길이 (flame length, (L/D)) 변이를나타내었고, 여기서 D는인젝터의산화제오리피스직경이다. 화염길이는 Re F 및 Re o 의증가에따라서상승하고있으며, Re o > 24,000 부근영역부터쿼츠가시창한계 (quartz window limit) 를초과하는화염길이가발생하였다. 일반적으로확산화염의길이는추진제체적유량에따라층류와천이영역에서는큰변화를보이지만난류영역에서는그영향이미미하고, 인젝터직경이화염길이에미치는영향이크다고알려져있다. 본실험의경우, K. Wohl의선행연구 [9] 와상반되는결과로나타나는데, 이는실험에서사용된산화제가공기가아닌반응성이매우뛰어난순산소사용에따른연소안정한계의확장의영향으로판단된다 [10]. 또한, 기체추
제 21 권제 3 호 2017. 6. 전단동축형인젝터를통해분사된기체메탄 - 기체산소확산화염의연소특성 47 Fig. 9Momentum diameter according to oxygen and fuel reynolds number. 진제인점을감안하여산화제및연료의밀도비와초기인젝터직경의관계식으로나타낸운동량지름 (momentum diameter, ) 을도입하여 (Eq. 2), 추진제의레이놀즈수 (Re) 에따른운동량지름을 Fig. 9에도시화하였다. (2) 이는서로직경이다른연료와산화제의레이놀즈수 Re f, Re o 에따른운동량지름으로추진제의 Re 수가상승함에따라인젝터의운동량지름은선형적으로증가함을나타낸다. 따라서인젝터의직경은동일하나, 선행연구 [11,12] 의결과와같이난류화염의길이는운동량지름에종속되어추진제유량에따라화염길이가길어지는것으로나타난다. 4. 결론 모델연소실내기체메탄-기체산소확산화염의특성을분석하기위해 (O/F) mom 와 Re o 에따른연소실험을수행하여연소안정한계를도출하였고, 이미지후처리기법을이용하여확산화염이미지를상세히분석하였다. 연소안정한계는 anchored flame regime과 blow-off regime I, II로분류되었다. Blow-off regime I은 (O/F) mass = 1.0 ~ 2.5, (O/F) mom < 21.1, Re o < 17,178 구간으로, 연료와산화제의미미한속도차이로인하여추진제의혼합이원활하지않아화염이발생되지않았다. Blow-off regime II는 (O/F) mom > 21.1 으로높은대류물질전달율 (convective mass transfer rate) 에의해, 상대적으로화학반응율 (chemical reaction rate) 이감소하여 blow-off 가발생하였다. Anchored flame regime은 (O/F) mass = 2.5 ~ 4.0, Re o > 10,110 로서, 충분한 (O/F) mom 에따라원활한추진제혼합에의해화염이발생하였다. 그러나 (O/F) mass = 2.5 인경우, 부착화염과 blow-off가모두발생하는 unstably-anchored flame regime으로구분되었다. 화염길이는추진제레이놀즈수와비례적으로증가하는경향을보였다. 이는반응성이매우큰순산소를산화제로사용하여연소안정한계의확장, 강한연소반응의영향그리고기체추진제의밀도증가로인한운동량지름의확장에따라화염길이가증가된것으로보인다. 따라서분사방향으로길이가긴화염을형성하는전단동축형인젝터는추력기설계시상대적으로큰길이직경비를요구하기때문에, 연소실의크기가제한되는추력기에적용함에있어단점으로작용할수있다. 후기본논문은정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된선도연구센터 ( 서울대학교차세대우주추진연구센터 ) 지원사업 (NRF-2013R1A5A1073861) 과우주핵심기술개발사업 (NRF-2016M1A3A3A02018009) 의연구결과임. References 1. Bae, S.H., Kwon, O.C. and Kim, J.S.,
48 홍준열 배성훈 권오채 김정수한국추진공학회지 Spray Characteristic of Swirl-coaxial Injector According to the Recess Length and Injection Pressure Variation, Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 20, No. 4, pp. 68-76, 2016. 2. Bae, S.H., Jung, H. and Kim, J.S., A Preliminary Configuration Design of Methane/Oxygen Bipropellant Small-rocketengine through Theoretical performance Analysis, Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 19, No. 3, pp. 47-53, 2015. 3. Kim, J.S., Jung, H. and Kim, J.H., State of the Art in the Development of Methane/Oxygen Liquid-bipropellant Rocket Engine, Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 6, pp. 120-130, 2013. 4. Chahine, M., Gillon, B., Sarh, B., Blanchard, J.N., and Gilard, V., Stability of a laminar jet diffusion flame of methane in an oxygen enriched air co-jet, Seventh Mediterranean Combustion Symposium, Chia Laguna, Cagliari, Sardinia, Italy, ISBN 978-88-88104-12-6, Sep. 2011. 5. Fumiaki, T., Viswanath, K., Lift-off Stability of Hydrocarbon Jet Diffusion Flames, Proceedings of the 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems(ICDERS), Montreal, Canada, Aug, 2005. 6. Jeffey, D., Kenneth, K., Effect of Switching methane/oxygen reactants in a coaxial injector on the stability of non-premixed flames, Combustion Science and Technology, Vol. 180, Issue 3, pp. 401-417, 2008. 7. Shengteng, H., Peiyong. and Robert, W., Experimental and Numerical investigation of non premixed tubular flames, Progress in Energy and Combustion science, Vol. 31, Issue 1, pp. 1093-1099, 2007. 8. Turns, R., Bandaru, V., Oxides of Nitrogen Emissions from Turbulent hydrocarbon/air Jet Diffusion Flames, Gas Research Institute, GRI-5086-260-1308, 1992. 9. Wohl, K., Gazley, C. and Kapp, N., Diffusion Flames, Third Symposium on Combustion and Flame and Explosion Phenomena, Baltimore, Maryland, U.S.A, pp. 288-300, 1949. 10. Kim, T.Y., Choi, S., Kim, H.K., Jeung, I. S., Koo, J. and Kwon, O. C., Combustion Properties of gaseous CH4/O2 coaxial jet flames in a single-element combustor, Fuel, Vol. 184, pp. 28-35, 2016. 11. Thring, M.W., Newby, M.P., Combustion length of Enclosed Turbulent Jet Flames, Symposium (International) on Combustion, Vol. 4, Issue 1, pp. 789-796, 1953. 12. Ricou, F.P., Spalding, D.B., Measurements of Entrainment by Axisymmetrical Turbulent jets, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 11, Issue 1, pp. 21-32, 1961.