공기를 이용한 초음속 터빈 설계성능 검증방법을 해석적, 시험적으로 고찰하였다. 성능시험기 설계를 위한 터빈상사조건 및 노즐 면적비 관계를 도출하였으며 실형상 노즐을 적용한 터빈과의 성능비교를 전산유동해석 및 성능시험을 통해 수행하였다. 도출된 설계 상사조건을 이용하여 시험용 노즐 블록을 설계할 경우, 설계 성능을 정확히 예측됨을 전산 유동해석을 통해 확인하였으며 시험을 통해 검증하였다. 아울러 초음속 충동형 터빈의 설계성능 측정은 시험용 노즐 뿐 아니라 실형상 노즐을 통해서도 가능하며 이 경우 시험용 노즐의 상사 압력비와 속도비에서 설계 성능이 나타남을 확인할 수 있었다.
수중램제트(underwater ram-jet)는 램흡입부(ram intake), 혼합실(mixing chamber) 및 노즐(nozzle)로 구성되어 있으며, 램흡입부로 유입된 작동유체는 압력이 증가되며 이 증압된 작동유체에 혼합실로부터 고압공기를 분사하여 기 액이상류를 형성하여 노즐을 통과하면서 대기압까지 팽창을 하여 작동유체를 고속으로 가속시켜 노즐출구로부터 추력을 얻는 방식으로 차세대 초고속 선박추진장치이다. 본 연구에서는 80노트를 낼 수 있는 선내관통형(buried type vessel) 램제트의 최적 노즐형상데이터를 이용하여 제반변수(벽마찰계수, 가스속도, 기포반경, 대기온도, 질량유량비, 디퓨저면적비, 작동유체의 속도구배)의 변화가 추진특성에 미치는 영향을 파악하였다.
An experimental investigation has been carried out to reveal the atomization process of the diesel fuel spray. The spray injected through a single hole nozzle was taken by a camera on the opposite side of a stroboscope for macroscopic observation or a nanolite for microscopic observation. The effect of nozzle aspect ratio was analyzed with disintegration phenomena of the diesel spray. Based on the enlarged spray photograph, atomization process was observed in detail and further the spray cone angle was measured under various ambient pressures. The result shows that atomization of diesel spray in early stage of injection is mainly progressed in the vicinity of spray periphery region except the region close to the nozzle exit and spray head region. The spray cone angle is nearly constant under the pressurized condition, while it decreases with elapsing time under the atmospheric condition.
본 연구에서는 중심선 방정식 선정에 따른 노즐 성능 영향성을 확인하고자 하였다. 곡선 방정식과 설계 형상 파라미터를 활용하여 S-형 노즐 3조와 Double S-형 노즐 3조를 설계하였고 노즐 차폐 성능은 차폐율 정의를 이용하여 평가하였다. 그리고 내부 유동을 분석하기 위해 속도 분포도와 압력분포도로 특성을 연구하였고, 노즐 성능 계수로는 총 추력 비(f)와 노즐 단열 효율계수(η)를 통해 노즐의 성능을 평가하였다. 중심선에 따른 S-형 노즐의 성능 영향성을 분석한 결과 출구에서 급격한 곡률 변화가 있는 중심선은 노즐 성능이 우수한 반면 차폐율이 낮은 특징이 있다. 반면에 입구에서 급격한 곡률 변화가 있는 중심선은 노즐 성능이 낮아지고 차폐율이 높은 특징이 있다. Double S-형 노즐은 첫 번째 곡률에서 완만한 특징을 보이는 중심선을 사용하는 것이 노즐 성능과 차폐율이 우수하였다.
30톤급 개방형 액체로켓엔진용 터보펌프 터빈에 대한 시험을 수행하였다. 작동유체는 고압공기를 이용하였다. 다양한 압력비 및 회전수에 대하여 터빈 성능을 측정하였으며 아울러 노즐-로터간 간극이 터빈 성능에 미치는 영향에 대하여 실험적으로 관찰하였다. 터빈압력비 13.5, 설계속도비 0.25에서 터빈의 효율은 51.1%로 나타났다. 노즐-로터간 간극은 터빈성능에 큰 영향을 주는 것으로 측정되었는데 상사시험조건에서 설계 간극 기준 약 1mm의 축간극 감소는 약 3.5% 터빈효율증가를 가져오는 것으로 나타났다.
The effects of design parameters on the pellet transport rate in the ejector system which is widely used in the production processes of automotive parts were investigated experimentally. The primary nozzle geometry, the area ratio (R) of nozzle exit cross-sectional area to mixing chamber cross-sectional area and the distance (S) from primary nozzle exit to mixing chamber entrance were considered as the design parameters. The area ratios of the primary nozzle were varied from R=0.10 to R=0.25, 0.30, 0.40 and 0.55. The primary nozzle was positioned at the non-dimensional distance (S/D) of 1.30, 1.87, 2.44, 3.00 and 3.75, normalized using the mixing chamber diameter (D). The design parameters were determined to run with high efficiency by measuring the pellets transport rate. The geometry and the area ratio (R) of the primary nozzle had an effect on the pellet transport rate of the ejector system, and the area ratio of R=0.3 was carefully selected after taking the minimum fluidization velocity and transport rate of applied pellets into account. The higher pellet transport rate with the variation of the distance (S/D) was observed at S/D of 2.44.
In comparison with previous researches fur swirling flow, the spiral flow self-generated in the spiral flow nozzle has some different characteristics. It is not needed a compulsive tangential momentum to get its velocity component and has long potential core, relatively low swirl ratio, and high focusing ability. In this study, the self-generated mechanism of the spiral flow was clarified and the effect on the width of annular slit on spiral flow characteristics was investigated experimentally and numerically. As a result, the existence of tangential velocity component regardless of a compulsive angular momentum is clarified and the results obtained by experiment have a satisfactory agreement with those by numerical method, quantitatively and qualitatively.
Gas atomization of liquid metal using nozzle technology has more advantages over other methods. Previous study shows that high-velocity gas is important for effective liquid metal atomization. An important first step towards understanding the gas atomization using nozzle is complete evaluation of the flow fields. This will provide a basis for understanding how well high velocity gas is brought to bear on the liquid metal. Present work is a fundamental study of liquid metal atomization for various pressure ratio, different gas and temperature. A two-dimension, axisymmetry compressible Navier-Stokes equations are considered. Two-equation k-epsilon turbulence model is selected.
75톤급 개방형 액체로켓용 터보펌프 터빈의 성능시험을 수행하였다. 넓은 압력비와 회전수 영역에서 터빈의 출력을 측정하였으며 이를 통해 터빈로터 전후의 유동특성을 파악하였다. 아울러, 터빈의 효율 변화 및 측정된 로터입구의 압력을 기 개발된 30톤급 터빈과 비교하였으며 이를 바탕으로 설계 의도에 부합되는 향상된 성능의 동익을 재설계하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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