Experimental Study on the Improvement of Combustion Efficiency in Gas-Centered Swirl Coaxial Injector

Abstract

Experimental studies were conducted on the spray and combustion characteristics of a gas-centered swirl coaxial (GCSC) injector, a type of gas-liquid injector used in the oxidizer-rich staged combustion cycle engine. Gas-Liquid momentum flux ratio, Recess ratio, swirl of supplied gas, and swirl direction were set as variables to improve the performance of the GCSC injector. Through variations in the gas nozzle diameter of the injector, we confirmed the effect on the change in gas-liquid momentum flux ratio. The recess ratio was confirmed through the influence on the increase in the recess ratio of gas jet-type injectors with different momentum ratios, and the gas swirl was confirmed through the influence according to the presence and direction of the swirl compared to the case where the gas supplied as jet with low recess ratio. To examine the spray characteristics, ambient pressure spray tests were performed. Three measurement techniques were employed to assess the spray characteristics. Firstly, backlight digital camera images were used to observe the shape and spray angle. Secondly, using droplet measurement technique, variations in droplet velocity, droplet size, and droplet mass distribution were examined according to changes in injector geometry. Thirdly, the SLIPI technique was utilized to capture clean cross-sectional images of the spray for detailed structural analysis. In high-pressure combustion tests, the same injectors used in the spray tests were mounted in dual configurations on the combustion chamber heads according to each injector case. This aimed to isolate the influence of the combustion chamber and solely assess the effects of the injector. The oxidizer-rich combustion gas generated through the pre-burner and kerosene were used as the propellant. The combustion characteristics were determined by calculating parameters such as combustion characteristic velocity, combustion efficiency, and sectional heat flux based on the information obtained from the tests. When varying the gas-liquid momentum flux ratio, the injector gas nozzle diameter was adjusted to change the gas-liquid momentum flux ratio while maintaining a constant flow rate. As the gas nozzle diameter decreased, resulting in increased momentum, the spray angle decreased. The axial droplet velocity increased sharply as it approached the central axis, allowing estimation of the region covered by the sprayed gas jet. While the spray median diameter (SMD) decreased overall in the radial direction, the differences among injectors were not significant. In regions receiving more momentum from the injected gas, the SMD decreased with an increase in momentum flux ratio, although the rate of decrease was attenuated. This trend was consistent with the results of the combustion tests. The combustion efficiency initially increased with the increase in the momentum flux ratio but decreased after reaching a certain momentum flux ratio J_critical, indicating a decrease in combustion efficiency due to insufficient residence time for combustion in the confined combustion chamber length, attributed to the high gas velocity. For the recess ratio, changes were observed by varying the recess ratio for two cases showing significant differences in the momentum flux ratio experiment. As the recess ratio increased, the spray angle decreased, and the maximum droplet velocity decreased, but the region of velocity increase expanded from the central axis. The SMD decreased overall with an increase in the recess ratio, and the increase in combustion efficiency was observed. However, the rate of increase in efficiency decreased. While significant differences in combustion efficiency were observed at lower recess ratios due to differences in the design momentum flux ratio, after a certain recess ratio, denoted as 〖RR〗_critical, almost identical levels of efficiency were achieved. This trend was similar to the change in SMD values at the center of the mass distribution in the spray characteristics. Regarding gas swirl, three cases were analyzed: gas-swirl supply same with the liquid, opposite to the liquid, and jet-type. When gas swirl was present, a smaller spray angle was observed compared to the gas jet, and similar spray characteristics to those of the high recess ratio of the gas jet were noted. The SMD was the smallest when the gas-liquid swirl was opposite, and the largest when it was a jet. Almost similar combustion efficiencies were observed in combustion tests for all three cases, although significant differences in heat flux were noted. Therefore, it was estimated that if thermal losses were controlled, the actual combustion efficiency due to gas swirl would increase compared to that of the gas jet. In conclusion, significant correlations were found between design variables in spray and combustion characteristics. Key points where the trend changed according to changes in each design variable for enhancing combustion efficiency were identified. Through the findings of this study, I intend to contribute to guiding the design direction for enhancing efficiency in combustion chambers using injectors for oxidizer-rich staged combustion cycle.

Keyword: Staged-combustion-cycle rocket engine; Gas-centered swirl coaxial injector; Gas-liquid momentum flux ratio; Recess Ratio; Gas-swirl; Spray characteristics; Combustion efficiency; Heat flux; Student Number: 2019-33055

산화제 과잉 다단연소사이클 엔진의 연소기에 사용되는 GCSC(Gas-Centered-Swirl-Coaxial) 분사기의 분무 및 연소특성에 대한 실험적 연구를 수행했다. GCSC 분사기의 성능 향상을 위한 변수로 기체-액체 운동량 플럭스 비, 리세스 비, 그리고 기체의 스월 공급 및 방향을 설정하였다. 분사기의 분무특성을 확인하기위한 상압 분무시험을 수행하였다. 분무특성을 파악하기 위한 측정 기법은 총 3가지를 사용하였다. 첫째로 백라이트 광원을 이용한 디지털 카메라 사진 촬영을 통해 분무의 형상과 분무각을 확인하였다. 두번째로 액적 측정 기법을 사용하여 분사기의 형상조건의 변화에 따른 액적 속도, 액적 크기, 질량분포 등의 분무특성 변화를 확인하였다. 세번째로, 다중 산란 신호를 제거하고 깨끗한 분무 단면의 이미지를 활영하는 SLIPI 기법을 통하여 분무의 상세한 구조를 확인하였다. 상압 분무시험에서 사용한 분사기와 동일한 분사기를 듀얼로 장착한 연소기의 헤드를 각 분사기의 케이스별로 제작하여, 고압 연소시험을 수행하였다. 다른 영향성은 최대한 배제하고 연소기에 의한 영향성 만을 확인하고자 동일한 실린더와 노즐을 사용하고, 헤드만 변경하여 시험을 진행하였다. 추진제는 예연소기에서 생성된 산화제 과잉 연소가스와 케로신을 사용하였다. 연소 특성은 시험에서 획득한 정보를 바탕으로 연소 특성속도와 연소효율, 구간별 열 유속 등을 계산하여 파악하였다. 운동량 플럭스 비의 변화를 준 경우, 동일한 유량 공급 상황에서 분사기의 기체 노즐 직경을 변화시켜 기체-액체 운동량 플럭스 비를 변화하였다. 기체 노즐 직경 감소에 따른 운동량 증가로 분무각은 감소하였다. 축 방향 액적 속도는 중심축에 가까워질수록 급격히 증가했고, 이를 통해 분사되는 기체 제트의 영역을 추정할 수 있었다. SMD는 중심축을 기준으로 반경방향에서 전반적으로 감소했지만 분사기 별로 차이가 크게 나타나지는 않았다. 중심 축 근방의 기체로부터 운동량 전달을 많이 받는 액적의 경우 운동량 플럭스 비 증가에 따라 SMD는 감소하였으며 감소율은 둔화되었다. 이는 연소시험의 경향성과 유사하였다. 연소효율은 운동량 플럭스 비 증가에 따라 증가하다가 특정한 운동량 플럭스 비 J_critical 을 기점으로 감소하였다. 이는 SMD의 변화와 기체 분사속도에 의한 화염면의 형상, 연소실의 특성길이에서 기인하는 것으로 판단되었다. 화염면의 형상은 열 유속 측정 결과를 통하여도 추정할 수 있었다. 리세스 비의 경우, 운동량 플럭스 비 실험에서 차이가 많이 나는 두 가지 케이스에 대해 리세스 비를 변화시켜 변화를 관찰했다. 리세스 비 증가에 따라 분무각은 감소하였으며, 액적의 최대속도는 작아졌지만 속도가 증가하는 영역은 중심 축에서부터 더 넓어졌다. SMD의 경우 리세스 비 증가에 따라 최대 SMD는 감소하고, 최소 SMD는 감소하였다. 연소효율은 리세스 비의 증가에 따라 증가하였는데, 증가율은 둔화되었다. 낮은 리세스 비에서는 설계 운동량 플럭스 비 차이에 따른 연소효율의 차이가 컸으나, 일정 리세스 비 〖RR〗_critical 이후로는 거의 동일한 수준을 나타내었다. 이는 분무 특성에서 질량 분포의 중심에서의 SMD 값 변화와 유사한 경향으로 나타났다. 기체 스월의 경우, 기체가 제트로 공급될 때와 액체와 동일한 방향으로 스월되는 경우, 그리고 반대 방향으로 스월되는 경우를 분석하였다. 기체의 스월이 있는 경우, 기체 제트와 비교하여 작은 분사각을 나타내었고, 기체 제트의 리세스 비 증가 시와 분무특성이 유사했다. SMD는 기체-액체 스월이 반대인 경우 가장 작았고, 제트인 경우 가장 크게 나타났다. 연소시험에서는 세 가지 모두 거의 유사한 연소효율을 나타냈는데, 열 유속 결과에서 큰 차이가 발생하였다. 이를 통해 열 손실이 통제된 경우 기체 스월에 의한 실제 연소효율은 기체 제트의 경우보다 상승할 것으로 추정하였다. 결과적으로, 설계 변수들에 대한 분무, 연소특성에서 많은 연관성을 확인할 수 있었다. 또한 연소효율을 향상시키기 위한 각 설계변수들의 변화에 따라 특성이 변화하는 경향성이 바뀌는 주요한 지점들을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과들을 통해 산화제 과잉 다단 연소사이클용 분사기를 통한 연소기의 효율향상을 위한 설계 방향에 대한 기여를 하고자 한다.

핵심어: 다단 연소사이클 엔진; 기체 중심 동축 스월 분사기; 기체-액체 운동량 플럭스 비; 리세스 비; 기체-스월; 분무 특성; 연소 효율; 열 유속; 학번: 2019-33055