본 논문에서는 가스터빈에서의 연소불안정 현상과 그 메커니즘에 대해 살펴보았다. 연소불안정 연구를 위한 접근 방법이 논의되었고 전 세계 연소불안정 관련 연구그룹들의 최신 연구동향이 소개되었다. 현재까지도 연소불안정현상은 기관의 성능, 내구성, 작동 등에 영향을 미치는 중요한 문제 중의 하나이다. 덧붙여 가스터빈기관에서 연소불안정 현상은 공기 또는 연료의 섭동과 열방출율 사이의 상호 중첩된 결과로 알려져 있으며, 이는 NOx 감소 전략과도 관련이 있다. 따라서 연소불안정 연구에 대한 현황을 이해하기 위하여 가스터빈에서의 연소불안정 현상에 대하여 정리하여 보았다.
본 논문에서는 연소 면적이 시간에 따라 변하는 DACS의 압력 제어 기법을 설계하고 시뮬레이션을 통해 설계된 제어 기법의 성능을 확인하였다. 일반적으로 고체 추진제를 탑재한 DACS는 연소 면적이 일정하도록 설계된다. 이러한 경우 압력 및 추력 제어가 용이하다는 장점은 있으나, 추진제 연소에 의해 생성된 연소 가스가 추력 발생에 사용되지 않고 그대로 배출되는 경우가 발생한다. 따라서 그레인 형상의 최적화 설계가 필요하며, 이러한 경우 연소 면적이 시간에 따라 변하게 된다. 가변하는 연소 면적을 외란으로 가정할 수 있으며 이러한 시스템에 대하여 적응 제어 기법을 적용할 경우 효과적으로 연소관 내부 압력을 제어할 수 있다.
덕티드로켓 추진기관에 사용되는 불완전연소 가스발생기를 설계/제작하고 연소시험을 수행하여 그 연소특성을 분석하였다. 추진시스템 설계요구조건을 바탕으로 가스발생기를 설계하고 산화제 함유량을 줄이고 금속연료 함량을 증가시킨 불완전연소용 고체연료 조성을 개발하여 가스발생기를 제작하였고, 이를 이용한 연소시험을 통해 다상 유동의 불완전연소 가스가 존재하는 가스발생기의 성능예측을 위해서는 별도의 해석기법이 요구됨을 확인하였다.
추력 측정은 액체로켓엔진 개발시험 시, 특히 연소기 개발시험 시에 성능 판단을 위한 매우 중요한 항목이다. 측정하기 어려운 경우에는 연소압을 통해 간접적으로 유추하는 방법을 쓰기도 하나 스탠드의 능력이 된다면 직접 측정하는 것이 필요하며 보다 더 정확하게 측정하기 위한 여러 가지 방안을 고려하게 된다. 본 논문에서는 국내 최초로 시도하는 액체로켓엔진 연소기의 수직형 연소시험설비에서 도입한 추력 측정 시스템에 대한 기본설계안을 소개한다.
액체 산소(LOx)와 Jet A-1(Jet engine fuel)을 추진제로 하는 소형 액체 로켓 연소기에서 막 냉각의 효과에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 막 냉각제(Jet A-1과 물)는 막냉각장치를 통해 분사되도록 하였다. 막 냉각 유량 변화에 따른 연소기의 외벽온도 및 막 냉각 길이는 추진제 혼합비, 연소실 압력 및 막냉각장치의 형상 변화(분사각)에 따라 비교하였다. 막 냉각에 따른 특성속도 효율의 손실도 막 냉각제를 물과 Jet A-1을 사용하였을 경우에 대해서 각각 구하였다. 연소실 압력의 증가에 따라 노즐에서의 외벽 온도는 증가하였으나, 퍼센트 막냉각 유량이 9% 이상인 경우에 연소실에서는 거의 영향을 받지 않았다. 특성속도는 퍼센트 막냉각 유량이 9% 이상일 때 추진제 혼합비에 영향을 받지 않았다.
연소충격완화부품은 폴리우레탄과 같은 완화소재를 사용하여 진동을 격리함으로써 추진기관이나 화공품 연소로 발생한 충격에 의해 로켓의 전자장비가 작동하지 않는 것을 방지하기 위해 사용한다. 연소충격완화부품의 성능은 굽힘 고유진동수와 전달률을 측정하여 판단할 수 있다. 본 연구를 통해 동일한 추진기관의 해외 연구결과를 통한 기준 모델의 실험 결과를 바탕으로 굽힘 고유진동수와 전달률에 대한 설계요구조건을 수립하였으며, 충분한 충격완화특성을 가지는 완화소재를 개발하여 새로운 로켓에 적합한 연소충격완화부품을 개발하였다. 본 연구는 완화소재 및 성능 측정 방법을 이용하여 연소충격완화부품을 개발하기 위해 사용할 수 있다.
회전분무시스템을 적용한 가스터빈연소기의 점화특성을 연구하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 연료분사는 연료를 회전연료노즐의 내측에 공급한 후, 고속모터로 회전하는 연료노즐에서 발생하는 원심력을 이용하여 분사되는 방식을 이용하였다. 실물크기의 연소기 및 시험리그를 제작하여 한국항공우주연구원의 연소시험설비를 이용하여 대기압 조건에서 연소시험을 수행하였다. 시험결과 이 연소기의 점화성능은 연료노즐의 회전속도를 증가하거나 감속할 경우 연소가스의 온도가 급격하게 변화되는 특성이 있음을 알 수 있었다.
건축물의 성능위주 소방설계의 활용성 및 신뢰성을 향상시키기 위해서는 다양한 화재실험 및 조사 등을 통해 가연물의 연소물성에 관한 광범위하고 다양한 데이터베이스가 필요하다. 본 연구에서는 건축물의 성능위주 소방설계에 활용하기 위해 건축물의 내장용 판재 2종과 내장용 루버 3종을 대상으로 연소시험을 실행하여 연소발열특성 등을 파악하였다. 또한 내장용 판재는 그 두께에 따라 최대열방출률 등 연소발열성상에 차이가 발생할 가능성이 있으므로 판재의 두께에 따라 연소시험을 수행하였다. 실험결과 내장재 판재 및 루버의 단위연소량당 평균발열량은 15.3MJ/kg~16.9MJ/kg이었고, 내장용 판재의 평균최대열방출률과 평균최대이산화탄소 농도는 판재의 두께에 따라 차이가 있는 것이 확인되었다.
추력조절이 가능한 가변유동형 덕티드 로켓(VFDR; Variable Flow Ducted Rocket)의 기초연구 목적으로 가스발생기와 유량조절장치를 개발하여 지상연소시험을 수행하였다. 연소시험을 통하여 본 개발에 대한 내열성, 연소시간, 압력 및 온도와 같은 성능 요구조건의 충족 여부를 확인하였으며 Boron/MgAl/AP 등을 혼합한 연료농후 고체추진제의 연소특성을 분석하였다. 유량조절장치는 Plunger 타입으로 개발하여 토출면적 조절로 유량 및 압력을 제어할 수 있음을 확인하였다. 그러나 토출 유로 내 연소 생성물 부착으로 인한 토출면적 감소에 따라 압력 안정화 구간 없이 연소압력이 증가하는 경향을 나타내었다. 토출면적 감소로 인한 압력증가의 연소특성 분석은 본 논문의 Part 2에서 다루어진다.
다층·다성분 난연성 케이블의 화재시뮬레이션에서 요구되는 연소물성이 콘 칼로리미터를 통해 측정되었다. 난연성 케이블의 주요 재질에 따른 CO 및 Soot yields 그리고 연소열이 검토되었다. 케이블의 난연성능이 우수한 TFR-8(고난연성 PCV 및 XLPE 첨가), TFR-CVV-SB(고난연성 PCV 및 일반 PVC로 구성) 및 VCTF가 각각 대상으로 고려되었다. 주요 결과로서, 난연성케이블인 TFR-8과 TFR-CVV-SB는 입사 복사열유속이 25 kW/㎡에서 50 kW/㎡으로 증가됨에 따라 CO yield(yCO) 는 각각 23% 와 16% 증가한다. 반면에 VCTF의 CO yield는 복사 열유속의 변화에 큰 영향을 받지 않는다. 마지막으로 Soot yield 및 연소열은 시스의 재질(난연성능)이 강화될수록 복사 열유속에 의한 차이가 증가됨이 확인되었다. 따라서 다양한 열유속이 공존하는 화재환경에서 난연성 케이블의 연소물성의 적용에는 상당한 주의가 요구된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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