KR20130141814A - 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치 - Google Patents

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KR20130141814A
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안규복
유철성
허성찬
김종규
최환석
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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명은 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치에 관한 것으로, 연소실의 막냉각홀에 대향하여 상기 연소실의 내측에 구비되되, 상기 막냉각홀과 연통되는 수용홈이 형성되는 장착링; 상기 막냉곡홀에 대향되게 상기 수용홈에 끼움되는 제1 탄성부; 및 상기 수용홈에 끼움되되, 외주면아 상기 제1 탄성부의 내주면에 맞닿으며, 좌우 둘레면은 상기 수용홈과 이격되는 제2 탄성부;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 내피와 외피로 구성된 재생냉각 연소실의 강도, 기밀시험의 압력보다 높은 압력을 공급하여, 재생냉각 연소실의 강도, 기밀시험 시 막냉각 홀을 밀폐하여 시험을 용이하게 할 수 있으며 시험자의 안전사고를 방지할 수 있는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치를 제공한다.

Description

재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치{Apparatus for strength and leakage test of regeneratively-cooled combustion chamber}
본 발명은 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치에 관한 것이다.
액체로켓엔진 연소기는 추진제를 연소시켜 엔진의 추력을 만들어내는 장치이다. 여기서, 연소기는 연소기 헤드와 연소실로 구분되며, 연소실은 연소기 헤드에서 공급된 추진제를 연소시켜 생성된 고온, 고압의 연소가스를 노즐을 통하여 높은 속도로 배출함으로써 추력을 만든다.
상기와 같은 작동 조건에서 연소실이 주어진 임무시간 동안 열손상이 발생되지 않고 안정적으로 작동되기 위해서는 적절한 냉각 방법이 사용되어야 한다. 연소실에 대한 적절한 냉각이 이루어지지 못하는 경우 연소실은 높은 온도의 연소가스로 인해 용융되는 열손상이 발생되어, 엔진 및 발사체가 동작되지 못하게 될 수 있다.
따라서, 고효율을 위한 연소기에는 여러 가지 냉각 방법 중 일반적으로 재생냉각 방식이 사용되며, 냉각성능을 향상시키기 위하여 막냉각이 병행하여 사용된다. 재생냉각 방식은 추진제를 내피와 외피로 구성된 연소실 내부의 냉각채널에 유동시켜 고온에 노출된 연소실을 냉각시키는 방식이고, 막냉각은 재생냉각 연소실 냉각채널에 흐르는 추진제를 연소실 내피의 작은 홀을 통하여 연소실 내부에 막을 형성시켜 연소가스가 연소실 내부 면에 닿는 것을 줄이는 냉각 방법이다.
막냉각이 적용된 재생냉각 연소실은 실린더부, 노즐목부, 노즐부로 구성될 수 있으며 각 구성은 내피와 외피가 브레이징으로 접합된다. 또한 각 구성의 내피는 전자빔 용접으로 결합되며, 외피는 커버를 씌워 티그(tig) 용접으로 결합된다. 실린더부와 노즐목부에는 막냉각 분사를 위한 홀이 가공되어 있다. 이렇게 재생냉각 연소실은 브레이징 용접, 전자빔 용접, TIG 용접으로 하나의 몸체로 구성된다.
하나의 몸체로 결합된 재생냉각 연소실은 내피와 외피 사이의 냉각채널에 고압의 기체나 액체를 주입하여 최종적으로 강도, 기밀시험을 수행하여 브레이징과 용접부에 대한 결함 유무를 확인한다.
하지만, 실린더부와 노즐목부에 막냉각홀이 가공되어 있어, 막냉각홀을 폐쇄하지 않은 상태에서는 강도와 기밀시험을 수행할 수 없게 되며, 일반적으로는 막냉각홀을 밀폐하기 위해, 고무재질로 이루어지는 오링을 이용하게 된다.
이때, 재생냉각 연소실의 기밀시험 조건은 70 bar이고, 강도시험 조건은 105 bar이다. 강도와 기밀시험 수행을 위해 연소실로 압력을 주게 되면, 60 bar 이상으로 압력이 높아질 때, 일반적으로 오링이 이탈되어 압력을 유지하지 못하게 됨으로써, 시험에 어려움이 있으며, 오링이 튀어 시험자의 안전사고가 발생될 우려가 있다.
한국 공개특허공보 제2009-0073334호(2009.07.03), 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연소실의 강도, 기밀시험을 안전하게 수행할 수 있는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치는, 연소실의 막냉각홀에 대향하여 상기 연소실의 내측에 구비되되, 상기 막냉각홀과 연통되는 수용홈이 형성되는 장착링; 상기 막냉곡홀에 대향되게 상기 수용홈에 끼움되는 제1 탄성부; 및 상기 수용홈에 끼움되되, 외주면아 상기 제1 탄성부의 내주면에 맞닿으며, 좌우 둘레면은 상기 수용홈과 이격되는 제2 탄성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2 탄성부는 외측으로 갈수록 폭이 좁아지게 경사지며, 내주면에서 외측을 향해 홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 장착링이 지지되도록 상기 장착링이 수용되며, 상기 연소실의 내측에 연결되는 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지대는, 상기 장착링의 외측 둘레면을 따라 서로 이격되게 복수로 이루어지되, 상기 장착링의 내주면이 수용되는 받침대; 및 상기 받침대의 양측에 각각 구비되어, 상기 장착링과 상기 받침대에 밀착되는 밀착부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 받침대는 상기 연소실에 전산볼트와 너트로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 장착링의 내주면과 상기 받침대 사이에는 갭이 형성되고, 상기 전산볼트는 상기 갭을 관통하여 상기 장착링에 결합되며, 상기 갭에 위치되되 상기 전산볼트의 외주면에 구비되는 스프링이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
또한, 상기 받침대와 상기 밀착부재는 볼트로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 받침대는 스테인리스강으로 이루어지고, 상기 밀착부재는 테프론으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치는 내피와 외피로 구성된 재생냉각 연소실의 강도, 기밀시험의 압력보다 높은 압력을 공급하여, 재생냉각 연소실의 강도, 기밀시험 시 막냉각 홀을 밀폐하여 시험을 용이하게 할 수 있으며 시험자의 안전사고를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치가 장착된 연소실의 모습을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 일단부를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 측면을 도시한 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 장착링을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 제1 탄성부를 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 제1 탄성부를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 제2 탄성부를 도시한 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 제2 탄성부를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 받침대를 도시한 측면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 받침대를 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 밀착부재를 도시한 측면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 밀착부재를 도시한 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치가 장착된 연소실의 모습을 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 일단부를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치의 측면을 도시한 측면도이다. 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)는 연소실(10)에 장착되어 강도와 기밀시험을 수행하도록 할 수 있다.
재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)는 연소실(10)의 강도와 기밀시험을 위한 장치이다. 시험물인 연소실(10)은 예를 들어, 액체로켓엔진에 이용되어, 점화된 연료 및 산화제의 연소가 촉진되는 장치이다. 여기서, 연소실(10)은 실린더부(11), 노즐목부(13), 노즐부(15)로 구성될 수 있으며, 실린더부(11), 노즐목부(13) 및 노즐부(15) 각각은 내피와 외피가 브레이징으로 접합된다.
여기서, 본 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)를 이용하여, 강도 및 기밀시험을 수행하기 위해, 연소실(10)이 실린더부(11), 노즐목부(13) 및 노즐부(15) 각각이 조립되기 전에, 실린더부(11)에 별도로 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)를 장착할 수 있다. 이는, 실린더부(11)가 외피(11A)와 내피(11B)로 둘러싸인 냉각채널(11C)에 기체나 유체를 주입하고 가압하여 강도와 기밀시험을 수행함으로써 이루어지는 것이며, 여기서, 막냉각홀(17)을 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)로 밀폐시켜 시험을 수행할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)는 장착링(110), 제1 탄성부(120), 제2 탄성부(130) 및 지지대(140)를 포함한다. 이하 각 구성의 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 4 내지 도 12는 각 구성의 정면도와 측면도를 도시한 도면이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)의 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 4에 도시한 바와 같이(장착링의 단면도), 장착링(110)은 제1 탄성부(120)와 제2 탄성부(130)를 실린더부(본 실시예에서는 시험을 위한 구성이 되며, 도 2 참조; 11)에 연결하기 위한 구성으로서, 연소실(10)의 실린더부(11)의 막냉각홀(17)에 대향하여 실린더부(11)의 내측에 구비되되, 막냉각홀(17)과 연통되는 수용홈(111)이 형성된다.
이러한, 장착링(110)은 압력을 공급할 수 있는 홀(113)이 형성된다. 이때, 홀(113)을 통해 공급된 압력은 후술되는 제2 탄성부(130)의 밀림홈(131)을 경로하여 제2 탄성부(130)를 밀게 된다.
그리고 장착링(110)은 실린더부(11)의 내측 둘레면에 대응하여 형성되도록 링 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 압력에 의해 형상이 변형되지 않도록 강성을 이루는 재질로 이루어질 수 있으며, 일 예로, 강철과 같은 금속으로 이루어질 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이(제1 탄성부의 측면도와 단면도), 제1 탄성부(120)는 막냉각홀(17)을 밀폐시키는 구성으로서, 막냉각홀(17)에 대향되게 수용홈(111)에 끼움된다. 제1 탄성부(120)의 폭은 수용홈(111)에 밀착되도록 수용홈(111)의 폭과 동일하게 형성될 수 있으며, 링의 형태로 이루어질 수 있다.
이러한, 제1 탄성부(120)는 탄성재질로 이루어질 수 있으며, 일 예로 고무재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 탄성부(120)의 폭과 수용홈(111)의 폭의 동일은 제조상의 오차를 포함한 실질적 동일을 의미한다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이(제2 탄성부의 측면도와 단면도), 제2 탄성부(130)는 압력발생시 제1 탄성부(120)를 가압하는 구성으로서, 외주면이 제1 탄성부(120)의 내주면에 맞닿으며, 좌우 둘레면은 수용홈(111)과 이격된다.
여기서, 제2 탄성부(130)는 외측으로 갈수록 폭이 좁아지게 경사져 장착링(110)과의 마찰력이 줄어들도록 하여, 압력 발생시 용이하게 제1 탄성부(120) 측으로 밀릴 수 있다.
또한, 제2 탄성부(130)는 내주면에서 외측을 향해 밀림홈(131)이 형성될 수 있다. 여기서, 제2 탄성부(130)는 밀림홈(131)을 통해 강도 및 기밀 시험을 위한 압력보다 높은 압력이 공급되어, 제1 탄성부(120)를 밀게 된다. 이때, 압력은 장착링(110)에 형성된 홀(113)을 통해 공급된다.
도 9 내지 도 12에 도시한 바와 같이(지지대 구성의 측면도와 단면도), 지지대(도 2 참조; 140)는 장착링(110)이 지지되도록 장착링(도 3 참조; 110)이 수용되며, 연소실(10)의 내측에 연결된다. 여기서, 지지대(140)는 받침대(141) 및 밀착부재(143)를 포함할 수 있다.
받침대(141)는 장착링(110)의 외측 둘레면을 따라 서로 이격되게 복수로 이루어지되(본 실시예에서는 도 3에 도시한 바와 같이 4개를 예시함), 장착링(110)의 내주면이 수용될 수 있다. 이때, 받침대(141)는 연소실(10)에 전산볼트(도 2 참조; 142A)와 너트(도 2 참조; 142B)로 연결될 수 있다.
게다가, 장착링(110)의 내주면과 받침대(141) 사이에는 갭(도 2 참조; 141A)이 형성되고, 전산볼트(142A)는 갭(141A)을 관통하여 장착링(110)에 결합된다.
이때, 받침대(141)에는 스프링(도 2 참조; 142C)이 설치될 수 있는데, 스프링(142C)은 갭(141A)에 위치되되 전산볼트(142A)의 외주면에 구비될 수 있다. 받침대(141)는 스테인리스강으로 이루어질 수 있다.
밀착부재(143)는 받침대(141)의 양측에 각각 구비되어, 장착링(110)과 받침대(141)에 밀착될 수 있다. 이때, 받침대(141)와 밀착부재(143)는 볼트(143A)로 연결될 수 있다. 게다가, 밀착부재(143)는 테프론으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)가 장착되는 연소실(10) 또는 조립되기 전의 실린더부(11)에서 추진제는, 연소실(10)의 냉각을 위해 내피(11B)와 외피(11A)로 둘러싸인 연소실(10) 내부의 냉각채널(11C)을 통과하게 된다.
이때, 막냉각홀(17)이 냉각채널(11C)에 연통되게 연소실(10)에 가공된다. 막냉각홀(17)은 연소실(10)을 밀폐시키지 않고, 압력이 가해져 막냉각홀(17)을 통해 압력이 빠져나가거나 강도 및 기밀시험을 수행할 수 있도록, 본 실시예의 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)가 연소실(10)에 장착되어, 막냉각홀(17) 주위에 강도와 기밀시험을 수행할 수 있다.
연소실(10)의 이용조건에 따라 강도와 기밀시험의 압력이 결정되며, 일 예로, 연소실(10)의 기밀시험이 70 bar, 강도시험은 105 bar의 압력으로 수행된다. 특히, 본 실시예의 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치(100)는 연소실의 이용조건보다 높은 압력을 장착링(110)의 홀(113)을 통해 공급하여, 시험할 수 있다.
이와 같은 실시예에 따른 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치는 내피와 외피로 구성된 재생냉각 연소실의 강도, 기밀시험의 압력보다 높은 압력을 공급하여, 재생냉각 연소실의 강도, 기밀시험 시 막냉각 홀을 밀폐하여 시험을 용이하게 할 수 있으며 시험자의 안전사고를 방지할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치
110 : 장착링
111 : 수용홈
120 : 제1 탄성부
130 : 제2 탄성부
131 : 밀림홈
140 : 지지대
141 : 받침대
1413 : 밀착부재

Claims (8)

  1. 연소실의 막냉각홀에 대향하여 상기 연소실의 내측에 구비되되, 상기 막냉각홀과 연통되는 수용홈이 형성되는 장착링;
    상기 막냉곡홀에 대향되게 상기 수용홈에 끼움되는 제1 탄성부; 및
    상기 수용홈에 끼움되되, 외주면아 상기 제1 탄성부의 내주면에 맞닿으며, 좌우 둘레면은 상기 수용홈과 이격되는 제2 탄성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 탄성부는 외측으로 갈수록 폭이 좁아지게 경사지며, 내주면에서 외측을 향해 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 장착링이 지지되도록 상기 장착링이 수용되며, 상기 연소실의 내측에 연결되는 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지지대는,
    상기 장착링의 외측 둘레면을 따라 서로 이격되게 복수로 이루어지되, 상기 장착링의 내주면이 수용되는 받침대; 및
    상기 받침대의 양측에 각각 구비되어, 상기 장착링과 상기 받침대에 밀착되는 밀착부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 받침대는 상기 연소실에 전산볼트와 너트로 연결되는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 장착링의 내주면과 상기 받침대 사이에는 갭이 형성되고, 상기 전산볼트는 상기 갭을 관통하여 상기 장착링에 결합되며, 상기 갭에 위치되되 상기 전산볼트의 외주면에 구비되는 스프링이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 받침대와 상기 밀착부재는 볼트로 연결되는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 받침대는 스테인리스강으로 이루어지고, 상기 밀착부재는 테프론으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 재생냉각 연소실용 강도와 기밀시험 장치.
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