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러시아 연방 특허 제 2573427 호 - 나선 폭발파를 가지는 연료-공기 혼합물의 연소 방법과 램제트 엔진

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러시아 연방 특허 제 2573427 호 - 나선 폭발파를 가지는 연료-공기 혼합물의 연소 방법과 램제트 엔진

발명자: 미하일 알렉산드로비치 일첸코, 알렉산드르 니콜라예비치 프로호로프, 아르멘 지바노비치 예고랸, 나탈리야 이노야토브나 틸랴예바, 알라 알렉산드로브나 크라이코, 뱌체슬라프 겐나디예비치 알렉산드로프, 하리스 파리토비치 발리예프, 드미트리 니콜라예비치 쿠즈미쵸프, 예프게니 알렉산드로비치 야코블레프, 알렉산드르 니콜라예비치 크라이코, 알렉세이 아나톨리예비치 바스카코프, 세르게이 유리예비치 크라셰닌니코프, 미하일 니콜라예비치 토포르코프, 바딤 유리예비치 알렉산드로프
특허권자: 연방 국가 단일 기업 "P.I. 바라노프 기념 중앙 항공 발동기공업 연구소" (FGUP "TsIAM")

특허 출원일: 2014년 2월 7일
특허 효력일: 2014년 2월 7일
특허 공개일: 2016년 1월 20일

 


 

 

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본 발명은 항공우주 산업을 위한 엔진 분야에 관련되어 있다.

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알려진 기술적 해법에서 연료공기 혼합물은 원동기 축을 따라 맥동하는 폭발파로 연소되며, 연료 소비는 주기적으로 변경된다. 초음속 맥동 폭발 직접 공기-반응 엔진에서 연료 소모는 연료 공급 시스템에서 상시 작동하는 기계장치 (밸브) 로 변화되고, 맥동 폭발 직접 공기-반응 엔진에서 - "가스역학적 밸브" - 충격파가 각 사이클에서 연료 공급을 완전히 차단한다. 충격파는 공기흡입구로 향할 수 있고 이로 인해 엔진 작동의 계산된 특성이 위반될 수 있다.

이러한 단점으로 인하여 항공우주 비행 장치를 위한 최상경제성을 획득할 수 없다.

제트 추력을 생성하기 위한 나선 폭발파에서 연료의 연소에 관한 방법과 장치가 알려져 있다 (RU 2333423 С2, 10.09.2008; RU 2459150 С2, 20.08.2012; RU 2468292 С2, 27.11.2012).

시험제는 슬롯을 통해 연소실 출구 방향으로 공급되는 다른 시험제의 연속적 유동에 대해 특정각으로 연소실을 두르며 고르게 공급된다.

이러한 알려진 모든 특허에서, 공기와 연료는 아음속 또는 음속으로 연소실로 흐른다. 더 높은 속도에서 나선 폭발파는 유동을 크게 제동시킬 수 있으며, 이로 인하여 높은 압력 손실과 원동기 경로상의 높은 열응력이 발생한다. 따라서 고속용 원동기에서 나선 폭발파 연료 연소는 사용되지 않았다.

본 발명은 연료공기 혼합물과 나선 폭발파를 가지는 직접 공기-반응 엔진을 연소시키는 방법을 만들고 비행 마하 수를 확대하며 상기 단점을 갖지 않는 과업을 기반으로 한다.

본 발명에 의해 달성된 기술적 결과는 잘 혼합된 연료공기 혼합물의 나선 폭발 연소를 통한 연소 화학 반응 및 에너지방출 속도의 강화이다.

또 다른 기술적 결과는 원동기 경로의 열응력을 감소시켜 마하 수 M=4-8 까지 비행 범위를 확장하는 것이다.

이 문제는 다가오는 고속의 유동을 비교적 큰 마하 수 (M=3-4) 로 감속시키고, 이 유동에 연료를 공급하고 결과적으로 잘 혼합된 가연성 혼합물의 와동渦動 연료공기 유동은 "축" (엔진 축에 평행한) 속도 성분이 아음속까지 감속되고, 잘 혼합된 와동 연료공기 혼합물을 점화하기 회전하는 ("나선") 폭발파로 연소시키며, 유동에 반하여 전파되는 폭발 및 충격파는 다가오는 초음속 연료공기 혼합물 유동에 의해 소멸하게 되는, 고속 비행을 위한 나선 폭발파를 가지는 직접 공기-반응 엔진 제트 추력 형성을 위한 연료-공기 혼합물의 연소로 해결될 수 있다.

이 문제는 다가오는 공기 유동을 비교적 높은 마하 수 (M=3-4) 로 감속시키는 둥근 중심 동체를 갖는 초음속 2단 공기흡입구, 엔트로피 및 경계층 배출 시스템, 왕관 형태로 배치되어 결과적으로 연료공기 유동을 제동시키고 비틀 수 있는, 공기 유동에 연료를 공급하기 위해 분사구가 달린 연료 파일런, 연료-공기 유동의 "축" (엔진 "축"과 평행한) 속도 성분을 아음속까지 제동시키고 회전시키는 동시에 댐퍼 채널에서의 초음속 속도는 보존시키는, 채널을 형성시키는 환형 격자 분벽을 포함하는 폭발파 및 충격파 환형 격자 댐퍼, 댐퍼 출구에 위치하며 초기 내부 직경이 댐퍼 링 내경보다 작은 환형 폭발 연소실, 연소실 출구에 위치하며 배기 유동을 지향시키는 환형 격자, 팽창형 외피를 가진 축대칭 환형 분사구와 하단 절단면을 가진 중심 동체를 포함하는, 고속 비행을 위해 나선 폭발파를 가지는 직접 공기-반응 엔진으로 해결할 수 있다.

댐퍼 채널의 횡측 치수는 폭발파 셀의 치수보다 작다.

본 발명은 와류 폭발파를 가지는 직접 공기-반응 엔진의 예시에서 연료공기 혼합물의 연소 방법, 본 발명으로 제트 추력 생성을 위한 연료공기 혼합물 연소의 실현 방법의 구현에 대해 보다 상세하게 설명한다.

그림 1 은 원동기의 개략도를 도시하고, 그림 2는 동일한 원동기의 공간 사진이며, 여기서 DV, UV, VR 은 각각 폭발파, 충격파, 희박파이다.

연료-공기 혼합물이 연소될 때, 다가오는 고속 유동이 상대적으로 큰 마하 수 (M=3-4) 로 제동되고 연료가 공급되어 잘 혼합된 가연성 혼합물의 연료공기 유동을 생성하며, "축" 속도 성분이 아음속까지 감속되고, 잘 혼합된 와동 연료공기 혼합물이 점화되고 이는 유동에 반하여 전파되는 회전하는 ("나선") 폭발파로 연소하여, 다가오는 초음속 연료공기 혼합물에 의해 소멸하고 연소 중에 형성된 연소 생성물은 엔진의 제트 추력을 형성하도록 유도된다.

고속 비행을 위한 나선 폭발파를 가지는 직접 공기-반응 엔진은 다가오는 고속의 기류 (M=4-8) 를 상대적으로 높은 마하 수 (M=3-4) 로 제동할 수 있는, 둥근 중심 동체에 순차적으로 배치된 2단 공기흡입구 1 을 포함한다.

유동 뒤에는 연료-공기 유동을 제동하고 뒤틀게 만들어지고 배열된 연료 파일런 2, 엔트로피 및 경계층 배출 시스템 (도시되지 않음), 폭발파 및 충격파용 환형 격자 댐퍼 3, 댐퍼 내부 반경보다 작은 초기 내부 반경을 갖는 폭발 환형 연소실 4 (즉 연소실 4 의 높이가 댐퍼 3 의 높이보다 높음), 환형 연소실 4 의 시작 부분 틈새에 위치하고 원동기 시동을 위한 "와류" 폭발파 의 생성을 촉발하는 점화기 5, 유동을 지향시키고 연소실의 출구에 위치한 환형 격자 6, 팽창형 외피를 가진 축대칭 환형 배출구 7 및 하단 절단면을 가진 중심 동체 8 이 위치한다.

중심 동체의 둔화 반경은 크기가 작아 그림 1 에 도시되지 않았다. 공기흡입구의 첫 번째 및 두 번째 단계는 그림 1 에서 각각 9, 10으로 표시되었다.

폭발파 및 충격파용 환형 격자 댐퍼 3 은 연료-공기 유동을 "축" (엔진 "축"과 평행한) 속도 구성요소를 아음속까지 제동시키고 회전시키기 위한 채널을 형성하는 환형 격자 분벽 (판 형태) 을 포함한다. 댐퍼 3 채널의 획측 치수는 폭발파 셀의 치수보다 작다. 다가오는 유동의 충분히 큰 초음속 속도는 충격파가 공기흡입구 1 로 전달되지 않게 한다.

채널에서 초음속 속도를 유지하기 위해 경계 층 및 판의 배제 효과를 채널 측벽을 확장 (도시되지 않음) 하여 보상한다.

댐퍼 3 의 출구에 위치한 환형 연소실 4 의 초기 내부 반경은 댐퍼 링 내부 반경보다 작다.

기법은 "와류" 폭발파를 가지는 직접 공기-반응 엔진이 기능할 때 수행되며 이하와 같다:

다가오는 고속 공기 유동과 파일런 2 에서 공급되는 연료는 잘 혼합된 혼합물을 형성한다. 공기흡입구 1, 파일런 2 및 댐퍼 분벽 3은 비교적 큰 마하 수 (M=3-4) 까지 혼합물의 속도를 감속시켜 원동기 경로의 냉각을 용이케 한다. 점화기 5 는 환형 연소실 4 의 시작부에서 가연성 혼합물의 점화를 개시하며 폭발파의 발생을 동반한다. 연소는 잘 혼합된 가연성 혼합물의 와동 유동을 연소실 4 로 공급함으로서 촉진되며, 댐퍼 3 출구에서 축방향 속도 성분은 음속보다 작다. 댐퍼 채널의 횡측 치수가 폭발 셀의 치수보다 작기 때문에 댐퍼 채널 3 입구에서 폭발파는 소멸하며, 인입되는 유동의 충분히 큰 초음속 속도는 충격파를 공기흡입구로 통하게 하지 않기 때문에 충격파는 M=3-4 의 초음속 유동에 간섭할 수 없다.

연소실 4 에서 점화기 5 는 혼합물의 연소를 촉발시키며, 이는 공지된 모델처럼 폭발로 전환된다 (1. B.V. 보이체호프스키 et al. 기체의 폭발 전면 구조. 노보시비르스크: SO AN SSSR, 1963, p168.; 2. V.V. 미트로파노프. 균일 및 불균일 시스템에서의 폭발. 노보시비르스크: IGL SO RAN, 2003. p199.; 3. A.A. 바실리예프. 원동기 장비에서 폭발 사용의 특징. p129, 141-145; 4. V.A. 레빈 et al. 방전에 의한 기체 폭발의 개시. p235-254; 5. F.A. 비코프스키 et al. 수소-공기 혼합물 유동에서 폭발의 개시. p521-539 / 맥동 폭발 원동기. S.M. 프롤로프 편집. M.: 토루스-프레스, 2006, p92.; 6. F.A. 비코프스키, S.A. 즈단. 연속 와류 폭발. 노보시비르스크: IGL SO RAN, 2013. p422).

댐퍼 3 채널에서 유동은 초음속으로 유지된다. 댐퍼 3 의 각 채널로 들어가는 나선 폭발파의 작은 부분은 댐퍼 채널의 횡측(직경) 치수가 폭발 셀의 치수보다 작다는 사실로 인해 소멸한다. 이 경우 댐퍼 3 채널의 벽과 상호작용한 후 댐퍼의 초음속 유동에서 연소실 4 로 방출되는 충격파가 발생한다.

환형 해결解結 격자 6 에서 분사구 7 로 들어가기 전 연소 생성물 유동은 축에 가까운 방향을 확득한다. 공기흡입구 견합 단계 단면에서 슬롯을 통한 엔트로피 및 경계층 배출은 중심 동체의 후방 절단면 8 에 위치한 하단 영역에서 이루어진다.

따라서 원동기에서는 잘 혼합된 가연성 혼합물이 환형 연소실의 비정상 폭발파 하에서 연소되고, 댐퍼 3 으로 들어간 비정상 폭발파는 일부 소멸하고 이로 인해 형성된 충격파는 다가오는 초음속 유동을 극복하지 못하고 공기흡입구 1 로 진입할 수 없다.

비행 마하 수 M=4-8 에서 구현되는 연소 과정은 직접 공기-반응 엔진 (PVRD) 및 초음속 연소 PVRD (SPVRD) 에서 유동의 감속이 보다 덜 필요 (연소실 입구에서 M=3-4 까지) 하고 원동기 경로의 열응력을 감소시킨다.

제안된 발명에서 "와류" 폭발파를 가지는 고속 비행 직접 공기-반응 엔진은 비행 마하 수가 M=4-8로 확장된 고속 비행 중 원동기 경로의 열응력을 감소시키고 지속적인 연료의 공급 및 연소와 결합되며 폭발 연소실로부터의 교란으로 인한 공기흡입구의 작동을 방해하지 않는다.





- 는 생략된 문단입니다 (다른 특허에 대한 설명).

만연체 때문에 번역이 유난히 까다로워 문장이 깔끔하지 않습니다. 양해 바랍니다.

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YoungNick 2023.01.18. 23:13
'폭발파'의 원문이 무엇인지 궁금합니다. 보통 엔진쪽에서 잘 안쓰이는 단어여서요.

그림과 번역내용을 기반으로 유추해보면 뭔가 램제트 pulse detonation 엔진을 만들었다는 뜻인 것 같아 보이기도 합니다.
'detonation'은 항공엔진쪽에서는 '폭굉'으로 번역합니다. PDE(Pulse Detonation Engine)이 한때 차세대 초음속 엔진으로 각광받았던 때도 있었죠.

한편으로는 흔히 팽창파로 번역되는 expansion wave를 의미하는건가 싶기도 하네요. 2D 단면도에 보면 저 형상일때 3번과 5번 사이에서 expansion wave가 관측될 것 같아서요. 보통은 스크램제트 엔진에서 이런 팽창파 구간을 이용해서 화염유지, 연료-공기 혼합, 연소반응 가속을 노리는 편입니다.
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Кузнецов 글쓴이 2023.01.18. 23:30
YoungNick
детонационная волна 를 직역하였습니다. 영어로는 detonation wave 에 일대일 대응될 겁니다.. 국산 말로는 폭굉이군요. 정신없이 직역만 하다 보니...
YoungNick 2023.01.18. 23:37
Кузнецов
항공기 관련 자료들은 읽고 번역하는게 정말 어려운 일이니까요. 이쪽 학계에선 영어-독어-한국식한자어-일본식한자어가 다 뒤섞여서 쓰이다보니 뭐를 뭐라고 해야하는지 감을 잡기가 어렵습니다.

한창 전공 공부를 할때는 결과적으론 한국어 용어를 아예 안 쓰는 쪽으로 공부하게 되더군요. 좋은 번역 자료 자주 올려주셔서 정말 감사합니다! ^^
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Кузнецов 글쓴이 2023.01.18. 23:43
YoungNick
더 많이 쓰고 싶은데 능력부족으로 많이 느리네요... 부족한 글 좋게 봐주심에 고맙습니다.

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