발간 현황

본 연구에서 배기플룸을 분사하기 위해 사용한 마이크로 제트엔진은 Netherlands AMT 사의 Olympus HP Engine으로 Table 1과 Fig. 1에 사진 및 제원이 제시되어있다. 마이크로 제트엔진은 원심형 압축기, 직류형 연소기 그리고 축류형 터빈으로 구성되어 있으며, 최대 회전수 108,500 rpm, 압축비 3.8, 최대 추력 230 N 그리고 최대배기가스온도(EGT)는 750℃이다. 연료는 실물 엔진과 유사한 케로신(Kerosene)에 Mobil Jet Oil 2 윤활유를 4.5% 혼합하여 사용하였다.

Fig. 1 
Micro-jet engine.

마이크로 제트엔진 외관에는 각 스테이션 별로 압력을 측정할 수 있는 압력 센싱 포트가 구성되어 있으며, Table 2와 Fig. 2에 압력 센서 사양 및 압력 센싱 포트 위치가 제시되어있다. 압력은 AUTROL 사의 제품을 이용하였으며, 벨마우스 정압력(P_s1), 압축기출구 정압(P_s3) 및 전압(P_t3), 연소기출구 전압(P_t4) 그리고 터빈출구 전압(P_t5)을 측정하였다. 벨마우스에서 측정하는 정압력(P_s1)은 0∼750 mmH₂O 의 범위에서 운용되며, 측정된 정압력을 이용하여 엔진제작사(AMT 사)에서 제공한 보정식으로 공기 흡입유량을 계산하였다. 엔진 운용은 throttle 10% 조건인 회전수 54,500 rpm에서 수행하였다. 이러한 엔진 운영조건을 설정한 것은 엔진흡입 공기유량에 대한 물 분사 질량유량의 비가 약 0.7에서 1.7 정도로 유지되도록 하여, 물 분사유량에 대한 장파장 적외선의 변화특성을 살펴보기 위한 것이다.

Fig. 2 
Layout of pressure sensing port in micro-jet engine.

마이크로 제트엔진의 배기노즐 출구 주위로 물을 분사하기 위해 물 분사 시스템을 구성하였으며, Fig. 3과 Fig. 4에 각각 물 분사 시스템과 시스템 개략도가 제시되어있다. 물 분사노즐은 총 8개로 엔진 및 배기노즐 중심으로부터 100 mm 위치(노즐 출구직경의 약 3배)에 원주 형태로 배치되어 있으며, 물로 배기가스를 차폐하거나 배기가스 내로 분사할 수 있는 물 분사노즐(NZRVFS1-2.0, 한국미스미 사)을 사용하였다. 물분사노즐의 출구 직경은 2 mm로 부채꼴 분무형상을 나타내며, 분무 각도는 물 분사압력이 1 bar 인 경우 38° 이고 6 bar 인 경우 60°로 나타난다. 물은 물탱크에 저장되며 엔진 운용 시 엔진 회전수가 54,500 rpm(Throttle 10%)에 도달하면, 엔진 제어실에서 On/Off 작동을 통해 펌프(MHI204M, Wilo 사)와 바이패스 밸브를 거친 후 섬프(Sump)를 지나 물 분사노즐로 공급되도록 설계하였다. 섬프는 펌프를 통해 공급되는 물을 1 L 공간에 수용하여 8개의 분사노즐로 균일하게 분배시키며, 섬프 상단의 압력게이지(232.50-61544446, Wika 사)로 분사압력을 확인하였다. 물 분사유량 조절은 바이패스 밸브(GSO-1F, YNV 사)를 사용하였으며, 분사유량 측정은 물 분사노즐에 호스를 연결하여 일정 시간 동안 분사한 물의 질량을 전자저울(EK-6100i, AND 사)을 이용하여 측정하였다. 또한 분사노즐로 공급되는 물의 온도는 K타입 열전대(TJC120-CAXL-062G-2.25, OMEGA 사)와 휴대용 열전대(54ⅡB, FLUKE 사)를 사용하여 측정하였다. 물 분사각도는 분사노즐 후방에 위치한 각도조절장치를 이용하여 15° 단위로 조절이 가능하다. 실험에 이용된 물의 분사각도는 배기플룸과 평행한 0°와 물을 배기플룸 내에 분사하여 서로 충돌시키는 30° 의 분사각도를 이용하였다. 이때 30° 의 물 분사각도는 분사되는 물로부터 엔진의 안전성 및 배기노즐과 물분사장치의 간섭 등을 고려하여 결정하였다. 물 분사각도에 따른 물 분사형태는 Fig. 5에 제시되어있다.

Fig. 3 
Water spray system.

Fig. 4 
Layout of water spray system.

Fig. 5 
Water spray nozzle arrangement (a) water parallel spray (b) 30° inclined spray.

물 분사시 배기플룸으로부터 방사되는 적외선 신호를 측정하기 위해 적외선 열화상 카메라(A655sc, FLIR 사)를 사용하였으며, 측정 파장 범위는 7.5∼14 μm 이고 온도 범위는 100∼650℃이다. 각 파장대별 적외선 신호측정이 매우 중요하나 본 연구에서는 현재 운용 가능한 열화상 카메라를 본 연구에 이용 하였으며, 추후 후속 연구에서 파장별 적외선 신호분석이 가능한 기자재를 도입하여 계속 연구 진행할 예정이다. 실험은 엔진 회전수 54,500 rpm, 배기가스온도 약 506℃에서 수행되며, 물 분사시 배기가스 적외선 신호 분포의 거시적 변화를 확인하도록 장파장 대역의 적외선 열화상 카메라를 이용하였다. 적외선 열화상 카메라는 컴퓨터와 연결되며 실시간 제어 및 분석을 위해 전용 소프트웨어(ResearchIR)를 사용하여 실험을 수행하였다. 적외선 신호 측정 개념도는 Fig. 6에 제시되어있으며, 배기노즐 출구 중심에서 90° 각도로 3 m 떨어진 지점에 적외선 열화상 카메라를 위치하였다. 물은 배기플룸과 평행한 경우(물 분사각도 0°) 및 배기플룸 내로 분사하여 서로 충돌되는 경우(물 분사각도 30°)로 물 분사유량에 따른 노즐 출구에서 3D, 4D, 5D, 6D, 7D, 8D, 9D, 10D 거리에서의 적외선 신호를 측정하였다. 여기서 D는 배기노즐 출구직경으로 63 mm이며, Table 3에 측정 위치의 구체적인 수치가 제시되어있다.

Fig. 6 
Layout of LWIR signal measurement.

배기플룸 주위로 물을 분사한 경우 배기플룸의 온도를 측정하기 위해 K-type 열전대를 사용하였으며, 총 16개의 열전대를 20 mm 간격으로 배치하여 반경 방향으로 총 320 mm 범위(좌우 각각 160 mm)를 20 mm 단위로 측정하였다. 배기플룸의 온도측정은 데이터 수집장치인 NI-cRio 9075를 엔진 제어실의 컴퓨터와 연결하여 기록하였으며, 각 열전대의 온도측정 위치 및 온도 데이터를 분석하여 배기플룸 온도분포를 나타내었다. 배기플룸의 온도측정 개념도는 Fig. 7에 제시되어있으며, 배기노즐 출구 중심에서 길이 방향으로 10D 떨어진 지점에 열전대를 위치하여 물 분사유량에 따른 물 분사 전⋅후의 배기플룸 온도를 측정하였다.

Fig. 7 
Layout of plume temperature measurement.

대기 중의 물 또는 수증기는 적외선 신호의 투과율에 큰 영향을 주므로, 물 분사시 배기플룸의 적외선 신호를 적절하게 파악하기 위해서는 적외선 투과율에 대한 정보가 필요하다. 물 분사시 적외선 투과율을 측정하기 위해 적외선 조사기(IOT/90, Elstein 사)를 사용하였다. 최대온도는 490℃ 이고 파장 범위는 6∼14 μm 이다. 물 투과율 측정 개념도는 Fig. 8에 제시되어있다. 엔진 배기노즐 중심에서 적외선 조사기를 적외선 측정장치와 수평이 되도록 배치하였다. 배기플룸에서 방사되는 적외선이 물을 통과하는 비율인 투과율(Transmission, τ, %)은 Eq. 1로 표시된다. I_a는 물 분사 후 적외선 신호, I_b는 물 분사 전 적외선 신호를 의미하며, 단위는 W/sr-mm² 이다.

Fig. 8 
Layout of LWIR transmission measurement.

투과율 측정은 엔진 운용없이 적외선 조사기를 배기노즐 끝단에서 3D, 5D, 7D, 9D, 10D 지점에서의 물을 배기플룸과 평행하게 분사한 경우 물 분사 전⋅후의 적외선 신호를 측정하여 투과율을 계산하였다.

마이크로 제트엔진 배기노즐 주위로 분사하는 물의 유량 측정 결과는 Fig. 9와 Fig. 10에 제시되어있다. Fig. 9와 Fig. 10은 각각 물 공급압력에 따른 물 분사유량과 물 가스 질량비(Water to gas mass ratio)를 나타내며, 물 가스 질량비는 물 분사유량을 공기 흡입유량으로 나눈 값이다. 공기 흡입유량은 엔진 회전수 54,500 rpm에서 안정화 후 엔진 흡입구 압력 및 배기가스온도를 보정식에 기록하여 계산하였다. 엔진 흡입구에서의 정 압력과 배기가스온도는 각각 709 Pa 과 423℃이며, 공기 흡입유량은 0.2166 kg/s로 측정되었다. 물 분사유량은 물 분사노즐에서 1분간 분사한 물의 질량을 물 공급압력에 따라 측정하였다.

Fig. 9 
Water spray mass flow rate with water supply pressure.

Fig. 10 
Water to gas mass ratio with water supply pressure.

물 가스 질량비에 따른 배기플룸 적외선 이미지는 엔진 배기노즐 출구중심에서 90° 각도 및 3 m 떨어진 지점에 적외선 열화상 카메라를 위치하여 측정하였으며, Fig. 11과 Fig. 12에 결과가 제시되어있다. Fig. 11은 물을 배기플룸과 평행하게 분사한 경우의 적외선 이미지이며, Fig. 12는 물을 배기플룸 내로 분사한 경우의 적외선 이미지이다. 물을 배기플룸과 평행하게 분사한 경우 물 분사유량이 증가함에 따라 배기플룸 중 심의 고온부 길이가 점차 짧아지며, 거리가 멀어질수록 적외선 신호가 감소됨을 확인할 수 있다. 물을 배기플룸 내에 분사하여 서로 충돌될 경우 물 분사유량이 증가함에 따라 배기플룸 중심부에서 적외선 신호가 증가함을 볼 수 있다. 배기노즐 출구거리에 따른 적외선 신호 감소율은 Fig. 13과 Fig. 14에 제시되어있다. 적외선 신호감소율은 물 분사 전⋅후의 적외선 신호 차이를 물 분사 전의 적외선 신호로 나눈 값으로 Eq. 2에 제시되어있다.

Fig. 11 
IR signal with water to gas mass ratio(water parallel spray).

Fig. 12 
IR signal with water to gas mass ratio(30° inclined spray).

Fig. 13 
Radiance reduction rate with nozzle exit distance (water parallel spray).

Fig. 14 
Radiance reduction rate with nozzle exit distance (30° inclined spray).

Fig. 13은 물을 배기플룸과 평행하게 분사한 경우의 적외선 신호 감소율을 나타내었다. 물 가스 질량비 0.699와 0.971의 경우 배기노즐 출구중심에서 3D 떨어진 지점에서 적외선 신호가 각각 최대 0.76%와 1.95% 감소하였으며, 물 분사유량이 증가할수록 적외선 신호는 4D 지점에서 최대 5.68% 감소함을 보였다.

Fig. 14는 물을 배기플룸 내로 분사한 경우의 적외선 신호 감소율을 나타내었다. 배기노즐 출구에서 3D 떨어진 위치에서 적외선 신호의 감소율은 음수로 적외선 신호가 증가함을 나타내며, 배기노즐 출구에서 6D 위치에서 물 가스 질량비 1.593인 경우 적외선 신호가 최대 21.6% 증가함을 보였다. 그러나 물 가스 질량비 1.691인 경우, 즉 물의 분사량이 매우 많은 경우 적외선 신호의 증가율은 둔화됨을 볼 수 있다.

물 분사시 물 가스 질량비에 따른 배기노즐 출구에서의 배기플룸 온도측정 결과는 Fig. 15와 Fig. 16에 제시되어있다. 이때 반경방향 영(0)인 지점은 배기노즐 중심을 나타낸다. 엔진 점화 후 54,500 rpm에 도달하여 안정적으로 운용될 때, 물 분사 전 플룸의 온도분포는 Fig. 15와 Fig. 16에 제시되어있다. 여기서 Plume은 물 분사 전 10D 위치에서의 플룸 온도이며, Water은 물 분사 후 10D 위치에서의 물과 플룸이 혼합된 온도이다. 물을 배기플룸과 평행하게 분사한 경우의 온도분포는 Fig. 15에 제시되어있다. 배기노즐에서 10D 떨어진 위치에서 배기플룸 중심부의 온도는 물 분사 전에 비해 물 가스 질량비가 0.669인 경우 약 40.8℃(약 28.2%) 감소하였으며, 1.171인 경우 약 79.1℃(약 52.4%) 감소하였다. 반경방향 좌우로 40 mm 이상에서는 물 가스 질량비가 증가할수록 물 공급온도와 유사하게 냉각됨을 확인하였다.

Fig. 15 
Exhaust plume temperature distribution with water spray (water parallel spray, 10D).

Fig. 16 
Exhaust plume temperature distribution with water spray(30° inclined spray, 10D).

물을 배기플룸 내로 분사하여 서로 충돌하는 경우의 온도분포는 Fig. 16에 제시되어있다. 배기노즐에서 10D 떨어진 지점에서 배기플룸 중심부의 온도는 물 분사 전에 비해 물 가스 질량비가 0.669인 경우 약 99.3℃(약 68%) 감소하였으며, 1.171인 경우 약 101.8℃(약 68.81%) 감소하였다. 물 가스 질량비가 증가하더라도 배기노즐 출구중심부 온도는 약 46℃로 거의 일정하게 나타남을 확인할 수 있다. 이것은 물을 배기플룸 중심부로 분사할 경우 배기플룸과 완전하게 혼합되지 않은 물이 열전대를 냉각하여 발생한 결과로 판단되며, 가시화 측정결과에서도 배기플룸과 혼합되지 않은 물 입자를 발견할 수 있었다.

배기플룸과 물의 완전한 혼합을 반영한 이론식 Eq. 3[13]을 이용하여 계산한 온도 값이 Fig. 17에 제시되어있다. 물과 배기가스가 혼합될 때 실험에서 측정된 온도와 이론적으로 계산된 온도가 어떤 차이를 보여주는지 확인할 수 있다. 이때 물과 배기플룸은 완전혼합되는 것으로 가정하여 계산하였다. 실험의 경우 물은 약 30℃로 분사되었으며, 물과 배기가스 혼합 시 100℃ 미만이므로 물의 증발에 의한 잠열 효과는 고려하지 않았다. 정성민[13] 등의 경우는 배기가스 유량의 0.05배 정도의 물을 분사하여 잠열을 고려하였으나, 본 연구에서는 배기가스 유량의 0.7배 이상으로 물을 분사하여 70℃ 미만의 혼합가스 온도가 산출되어 잠열의 영향을 배제하는 것이 적절하다고 판단된다.

Fig. 17 
Calculated and experimental exhaust plume temperature with water to gas mass ratio at the nozzle center(30° inclined spray, 10D).

여기서 T_o는 물과 배기플룸의 완전한 혼합 이후 최종온도이며, T_gi와 T_wi는 각각 배기플룸 및 물의 초기온도를 의미한다. m˙g과 m˙w는 각각 배기플룸 및 물의 질량유량으로 단위는 kg/s, C_pg와 C_pw는 각각 배기플룸과 물의 비열로 단위는 kJ/kg⋅K 이다.

물을 배기플룸 내로 분사한 경우 반경방향 영 지점에서의 잠열을 고려하지 않은 온도 계산값과 측정온도의 편차는 물 가스 질량비가 0.669인 경우 약 14.4℃, 1.593인 경우 약 0.4℃을 보인다. 이는 실험조건에서 물과 배기플룸이 완전히 혼합되지 않고 분사된 물의 일부분이 액적상태로 존재하기 때문으로 판단된다.

배기노즐 출구중심에서 10D 떨어진 위치에서의 배기플룸의 온도에 대한 적외선 신호 크기는 Fig. 18과 Fig. 19에 제시되어있으며, 각각 물을 배기플룸과 평행하게 분사한 경우와 물을 배기플룸 내로 분사한 경우를 나타낸 결과이다. 물 가스 질량비가 증가할수록 물을 평행하게 분사한 경우 배기플룸 온도는 약 71∼104℃ 에 분포하고 있어, 플룸과 평행하게 물을 분사하더라도 노즐 출구에서 멀리 떨어진 10D 위치에서는 물과 어느 정도 혼합이 진행됨을 알 수 있다. 그리고 적외선 신호는 물 분사 전에 비해 다소 큰 값을 가진다. 물을 배기플룸 내로 분사한 경우 배기플룸의 온도는 크게 감소하여 약 46℃ 근처에서 일정하게 유지되며, 적외선 신호는 물 가스 질량비에 따라 크게 증가함을 알 수 있다. 이는 물과 배기플룸의 혼합으로 인해 생성된 물 가스 혼합기체 내 고온의 H₂O에서 방출하는 적외선 신호가 배기가스 온도저감에 의한 적외선 신호 감소 효과보다 더 크게 작용하는 것으로 판단된다. 이것은 최재원[14]의 단파장 또는 중파장에서 H₂O 분자들의 영향으로 적외선 신호가 증가하는 결과와 유사하나, 추후 파장대별 적외선 신호의 크기를 분석할 수 있는 측정장비를 이용하여 추가적인 연구 및 분석이 필요하다.

Fig. 18 
IR radiance with exhaust plume temperature (water spray parallel, 10D).

Fig. 19 
IR radiance with exhaust plume temperature (30° inclined spray, 10D).

배기플룸에 평행하게 물을 분사할 경우 적외선이 감소하는 특성을 이해하기 위하여, 물을 배기플룸과 평행하게 분사할 때 물 분사량에 따른 적외선 투과율을 측정하였으며 투과율 측정결과는 Fig. 20에 제시되어있다. 배기노즐 출구로부터 거리가 멀어질수록 적외선의 투과율이 감소함을 확인할 수 있으며, 또한 물 가스 질량비가 증가할수록 적외선 투과율이 감소함을 볼 수 있다. 배기노즐 출구로부터 3D 떨어진 위치에서의 물 가스 질량비에 따른 적외선의 투과율은 물 가스 질량비가 0.669인 경우 투과율은 87.3%이며, 물 가스 질량비가 1.691인 경우 투과율은 82.2%로 투과율이 감소함을 볼 수 있다. 배기노즐 출구로부터 10D 떨어진 위치에서 물 가스 질량비에 따른 적외선의 투과율은 다음과 같다. 물 가스 질량비가 0.669인 경우 적외선의 투과율은 79.3%이며, 물 가스 질량비가 1.691인 경우 48.1%로 적외선의 투과율이 대폭 감소하는 것을 확인할 수 있다. 투과율과 적외선 신호 간의 상관관계는 Fig. 21에서 확인할 수 있다. 투과율이 감소함에 따라 적외선 신호가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 즉 플룸 주위의 분사된 물 입자에 의하여 적외선 방사 신호는 일정 부분 흡수되어 투과율이 감소하게 되며, 결국 차폐율의 증가로 적외선 측정장치에서 측정되는 적외선 신호는 감소하게 된다.

Fig. 20 
Transmission with nozzle exit distance.

Fig. 21 
Radiance with LWIR transmission.