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노즐
노즐(nozzle)은 액체 또는 기체를 고속으로 자유공간에 분출시키기 위해 유로 끝에 장착하는 가는 관을 말한다.
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목차
개요[편집]
노즐은 높은 압력의 액체를 분출시킬 때 분출 단면적을 작게 만들어서 높은 압력을 속도에너지로 바꾸는 것을 이용한 것이다. 일반 가정에 있는 분무기, 가압식 석유 출구 등에 사용되며, 자동차의 기화기 등에도 사용된다. 또한 수차, 증기터빈 등에서는 물 또는 증기를 노즐로부터 분출 시켜 날개차를 고속으로 회전시킨 후 속도에너지를 기계적인 에너지로 전환한다. 끝이 가느다란 노즐을 수축 노즐이라고 하고, 도중에 한 번 가늘어지고 그 끝이 넓어진 것을 확대 노즐 또는 드라발노즐(de Laval nozzle)이라고 한다. 유로 면적을 넓히면 초음속의 분류를 얻을 수 있다.[1] 노즐은 단면적이 흐름 방향으로 작아지도록 끝으로 갈수록 가늘어지며, 유체의 높은 압력을 속도로 바꾸는 작용을 한다. 이러한 압력을 생성해 내부의 유체가 원하는 방향으로 강하게 분사될 수 있도록 도와준다. 소방 노즐, 내연기관의 연료 분사 노즐, 제트 엔진이나 로켓의 배기 노즐 등이 있다.[2]
로켓[편집]
엔진노즐[편집]
로켓을 쏘아 올리는 힘, 즉 추력은 로켓 엔진 연소실에서 발생하는 가스를 높은 속도로 올리고 분출 시켜 그 가스의 힘으로 작용 반작용의 법칙에 따라 로켓을 앞으로 나아가게 한다. 이 추력을 가장 효율적으로 생성하는 장치가 바로 노즐이다. 연소실에서 만들어진 가스는 매우 불규칙한 상태로, 그냥 분출된다면 로켓은 일정한 방향으로 날아가지 못한다. 노즐은 이렇게 불규칙한 상태의 가스를 엔진 반대 방향으로 질서정연하게 빠져나가도록 만들어 준다. 일반적인 노즐은 가스가 방출되는 출구 쪽으로 갈수록 단면적이 줄어들면서 유체의 압력은 줄어들고 속도는 증가하는 형태이다. 유량이 일정할 경우 단면적이 줄어들면 이에 비례해 속도가 증가하게 되는 원리이다. 자동차의 가스 분사기, 증기터빈의 증기 분출기 등의 노즐은 대부분 이러한 방식으로 제작된다. 그러나 로켓의 노즐은 출구 쪽 단면적이 넓어지는 일종의 깔때기 모양을 하고 있다. 음속 이하에서는 유체가 통과하는 단면적을 좁히면 속도가 커지고 단면적을 넓히면 속도가 줄어든다. 그러나 유체의 속도가 음속에 도달하면 가스의 압축성이 뚜렷이 나타나 단면적을 좁혀도 속도가 가속되지 않는 현상이 발생한다. 이때 이 음속의 가스가 통과하는 통로의 단면적을 갑자기 넓히면 가스가 급팽창함에 따라 그 속도가 음속 이상으로 더욱 높아지는 현상이 발생한다. 이것이 로켓엔진 노즐의 핵심 원리이다. 이러한 노즐을 드라발 노즐이라고 한다. 이 노즐을 사용하면 연소실 내에서 생긴 음속의 가스 흐름은 중간 부분의 수축 노즐의 앞부분에서 음속에 도달하고, 다음에 확산 노즐에서 팽창하여 속도를 얻어 초음속의 흐름이 된다. 이 팽창과 가속은 가스가 지닌 압력이 주위의 압력과 같아질 때까지 계속되어 노즐 출구의 내외 압력이 균형을 이룬다. 로켓에서 사용하고 있는 노즐의 종류에는 원추형 노즐과 종 모양의 노즐, 에어로스파이크형 노즐 등이 있다. 원추형 노즐은 주로 작은 로켓의 엔진에만 쓰이며 일반적으로 알고 있는 엔진의 노즐은 종형 노즐이다. 하지만 이 원추형 또는 종형 노즐은 치명적인 단점이 있다. 고도가 높아져서 대기가 옅어지면 대기의 압력도 그만큼 줄어들어서 연소가 노즐 바깥에서 확산하고 효율이 낮아진다. 따라서 이를 잡아주기 위해서는 노즐의 형상을 바꿔야 하는 문제가 발생한다. 이러한 단점을 극복하기 위해 로켓엔진의 배열을 다단식으로 하고 저단부와 고단부의 노즐의 크기와 모양은 작동하는 고도의 압력에 맞추어 설계하고 있다. 또한 노즐의 출구 면적을 가변하도록 하는 노즐을 개발하고 있으나 구조가 복잡해지고 중량이 무거워지는 문제점이 있기 때문에 많이 사용되지 않고 있다. 이에 반해 에어로스파이크형 노즐은 기술이 완성되지는 않았지만, 원추형 또는 종형 노즐의 단점인 고도에 따른 가스 분리 현상이 없어, 저고도와 고고도에서 모두 효율적으로 사용할 수 있다. 이 엔진은 연소 가스를 가두는 케이스가 없이 한 방향으로 가스를 팽창시키고 가속한다. 좌우 대칭으로 배치된 여러 개의 연소실에서 가스가 배출되면 고압의 가스 흐름은 벽면을 따라 층류로 형성하며 팽창하고 가속되며, 축 방향으로 가스가 얻은 운동량은 스파이크에 반작용으로 전해져 추력이 발생한다.[3][4]
냉각[편집]
로켓엔진의 연소기는 높은 온도의 연소 가스를 발생시키므로 연소실과 노즐은 열적으로 보호되어야 한다. 노즐 확장부를 통하여 배출되는 가스는 온도가 높기 때문에 확장부가 고열에 의하여 녹아내리거나 큰 변형이 발생하는 등 손상이 올 수 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 연소기 챔버의 실린더부나 노즐 목에 사용되는 재생냉각방식을 노즐확장부에도 적용한다. 또한 터보 펌프에 사용된 가스를 노즐 확장부를 냉각시키는 데 사용하기도 하고, 고열에 견딜 수 있는 재료를 사용하여 복사 형태로 열을 외부로 빠져나가도록 하는 방법도 쓰인다.[3]
- 가스냉각방식 : 아폴로 우주선이 사용된 F-1 엔진의 연소기 챔버에서 노즐 팽창비가 10:1까지는 재생 냉각방식을, 10:1부터 16:1까지 노즐 확장부는 터빈의 배기가스를 이용한 냉각방식을 적용한다. F-1 엔진을 보면 터빈 후단에 있는 열교환기를 거쳐서 노즐 확장부 입구 쪽에서 터빈의 배기가스가 통과할 수 있도록 설계되어 있다. 이러한 배기가스를 이용한 냉각방식을 가스 냉각이라고 하며, 이 냉각방식은 노즐 확장부를 효율적으로 냉각시킬 수 있으며 노즐의 열손상과 후연소 문제도 효과적으로 줄여준다.
- 흡열냉각방식 : 흡열냉각방식에는 주로 복합재료가 사용되며 내열부를 점진적으로 태우는 방법으로 재료를 삭마시켜 열을 배출한다. 여기서 삭마냉각법은 보통 재료 자신이 서서히 타들어 가면서 열을 흡수하는 냉각법을 말한다. 이 방법은 가스냉각방식이나 재생냉각방식보다 구조가 간단하며 제작비용이 저렴한 장점이 있다.[3]
자동차[편집]
분사노즐[편집]
분사노즐은 디젤엔진의 연료가 기화기의 벤투리 또는 연료 분사 장치의 경우 연소실 속으로 방출될 때 연료가 통과하는 구멍을 말한다. 실린더 헤드 연소실에 장착되어 엔진이 압축 시 연료를 분사하는 역할을 한다. 분사 펌프에서 고압의 연료가 연료 파이프를 통하여 노즐에 도착하면 고압의 연료는 노즐 팁을 밀어 올려 압력 스프링의 장력을 이기면서 연료가 분사된다. 노즐의 분사 압력은 압력 스프링의 장력에 의해 결정되며, 노즐 팁을 교환 시 조정할 수 있도록 수정 스크루가 마련되어 있다. 노즐은 고압으로 압축된 연소실에 부착되어 공기가 새어 나가지 않고, 분사할 때 알맞게 확산하는 구조로 되어 있어야 한다. 펌프로부터 압송되어 온 연료가 니들 밸브(needle valve)를 밀어, 열려 있는 동안만 분사된다. 분사노즐은 노즐보디(nozzle body)와 노즐니들(nozzle needle)로 구성되어 있다. 분사노즐의 재료로는 고급 특수강이 사용되며 정밀 가공한 뒤 랩핑하여 생산한다. 노즐니들은 노즐 홀더에 내장된 1개 또는 2개의 스프링에 의해 니들시트(needle seat)에 밀착되어 있다. 노즐니들 하부의 경사면에 작용하는 고압 연료의 압력에 의한 힘이 니들 상단에 설치된 압력 스프링의 장력보다 커지면, 노즐 니들은 위쪽으로 밀려 올라가면서, 자신의 시트로부터 분리된다. 그러면 연료는 노즐로부터 연소실에 분사된다. 노즐에는 단공 노즐, 피스톤 노즐, 스로틀 노즐 등이 있고, 스로틀 노즐이 가장 널리 쓰인다.[5][6]
개방형[편집]
개방형 노즐은 끝이 항상 열려 있는 형식의 노즐이다. 노즐 스프링, 니들 밸브 등 운동 부분이 전혀 없기 때문에 니들에 의한 고장이 없고 분사 파이프 내에 공기가 머물지 않는다. 이에 따라 개방형 노즐에는 분공을 개폐시키는 니들 밸브가 없어 항상 분공이 열려 있다. 또한 고장이 적고 구조가 간단하며 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 연료의 무화가 불량하고 후적이 발생한다는 단점이 있다.[7][8]
폐지형[편집]
폐지형 노즐은 분사 펌프와 노즐 사이에 니들 밸브를 두고 필요할 때만 밸브를 열어 연료가 분사되게 한 것이다. 개폐 방식에는 기계적으로 하는 것과 유압에 의해 자동으로 하는 것이 있는데 대부분 후자의 것이 많이 사용된다. 폐지형 노즐에는 홀, 핀틀, 스로틀이 있다.[9]
핀틀[편집]
핀틀형 노즐은 부실식 연소실에 사용되는 경우가 많으며 니들 밸브의 끝이 분구의 앞까지 돌출하고 있어 밸브가 열리면 분무는 4도 정도의 정각을 가지는 원뿔 모양으로 분사한다. 분공의 지름이 비교적 크고, 구멍이 작동 중 니들 밸브의 앞 끝에 의해 소제 되기 때문에 막히는 일이 적다. 더불어 분사 압력이 낮아도 분무의 분포가 적고 구조가 비교적 간단하고 고장도 적다.[10] 핀틀 노즐은 예연소실식 또는 와류실식 기관에 사용된다. 노즐의 개변압력은 대부분 80~125bar 정도로 홀 노즐에 비해 낮다. 노즐니들의 하단은 원통형 또는 역 원추형으로서 노즐보디의 분공에 끼워진다. 또한 분사핀틀의 형상과 크기에 따라 분무속의 형상이 달라지며 이는 분공에 카본이 퇴적되는 것을 방지한다.[6]
홀[편집]
홀 노즐은 직접 분사기관에서 연료를 아주 미세하게 널리 분산시킬 목적으로 사용한다. 노즐의 개변압력은 대부분 200~300bar 범위로서 핀틀노즐에 비해 높다. 그러나 개변압력과 분사압력은 다르다. 분사압력은 기관 부하와 회전속도에 따라 변화한다. 분사 시스템에 따라 다르지만, 최대분사압력은 전부하 최고출력 시에 약 2,200bar까지도 사용된다. 홀 노즐의 분사노즐은 노즐보디 내부에 노즐니들의 하단 원추면과 밀착, 기밀을 유지하는 니들시트, 그리고 노즐보디와 노즐니들의 선단이 만드는 하부 공간의 여부에 따라 블라인드-홀 노즐과 새크리스 노즐로 구분한다. 또한 일반적으로 분공의 길이가 짧으면 매연이 감소하는 것으로 보고되고 있는데 이에 따라 분공의 길이를 짧게 하는 경향이 있다. 또한 분공의 수에 따라 단공노즐과 다공노즐로 구분할 수 있다. 주로 다공 노즐이 사용되지만 단공 노즐도 가끔 사용된다. 연소실의 기하학적 형상에 따라 분공이 중앙 또는 측면에 가공된 단공 노즐이 사용될 수 있다. 다공 노즐일 경우에는 분공을 대칭 또는 비대칭으로 설치할 수 있다. 다공 노즐에서는 일반적으로 2~8개까지의 분공이 대칭적으로 위치하며, 대칭되는 분공간의 분공각은 약 160도 정도에 이른다. 분공의 직경은 약 승용차 기준 0.15mm에서 상용차의 4.0mm 범위가 대부분이다. 분공의 길이는 분무속의 형상과 관통도를 결정한다. 그리고 분사노즐은 대부분 분공의 방향이 연소실의 특정 위치를 향하도록 실린더 헤드에 고정된다.[6]
스로틀링 핀틀[편집]
스로틀링 핀틀 노즐은 핀틀노즐이 변형된 것으로, 노즐니들의 하단과 비슷한 형상을 나타낸다. 이는 분공부와 니들 밸브의 핀 부분이 길고 또 핀 부분의 앞 끝이 나팔 모양으로 테이퍼 가공되어 있다. 따라서 분공부에 만들어지는 링 모양의 좁은 간극이 오랫동안 지속하여 분사 개시 때의 분사량이 적어지게 된다. 노즐의 분사공은 개변초기에는 연료 압력에 의해 노즐니들이 상승하기 시작하는데 아주 가는 링 형상의 좁은 단면적만 열리게 되어 연료 분사량이 작다. 연료 압력이 더욱 상승하여 노즐니들이 더 올라가면, 분사 유효단면적은 점점 증가한다. 노즐니들의 상향행정 종료 무렵에 분사유효단면적이 가장 크게 되어 주 분사가 이루어진다. 또한 스로틀링 핀틀노즐은 개변초기에 분사되는 연료량을 가능한 한 적게 하여 급격한 압력상승을 방지한다. 즉, 연소실압력이 천천히 상승하도록 하여 기관의 작동상태가 정숙하고 매끄럽게 되는 것을 목표로 한다. 그러나 분공의 유효단면적과 노즐니들의 행정이 아주 작을 경우, 노즐니들은 분사펌프에 의해 개변방향으로 급격히 가속되어 스로틀링 행정으로부터 빨리 벗어나는 결과를 가져온다. 따라서 이 경우에는 시간 종속 분사량이 급격히 증가하여, 결과적으로 연소소음이 증가하게 된다. 또한 분사 말기에 분공의 단면적이 아주 작을 경우에도 비슷한 부정적인 영향이 나타나게 된다. 이와 함께 노즐니들이 닫힐 때 배제된 체적은 좁은 개구단면적을 통해 느리게 유동하므로 분사 말기에 부정적인 영향을 나타내게 된다. 따라서 개구단면적의 특성을 가능한 한 정확하게 분사펌프의 분사율과 연소과정의 요구에 조화시키는 것이 중요하다.[6][11]
플랫 핀틀[편집]
플랫 핀틀노즐은 스로틀링 핀틀노즐의 결점인 카본 퇴적을 감소시키기 위해서 분공과 노즐핀틀 사이의 틈을 거의 0에 가깝게 하고, 핀틀의 일부분을 평면으로 절단한 것이다. 틈 자체가 적기 때문에 카본이 거의 퇴적되지 않으며, 평면 가공된 에지는 작동 중 핀틀이 회전하면 퇴적된 카본을 제거하는 효과를 나타낸다. 따라서 기관의 운전 소음이 감소한다.[6]
각주[편집]
- ↑ 〈노즐〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈노즐〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 3.0 3.1 3.2 과학기술정보통신부, 〈우주로켓 노즐의 구조 및 역할〉, 《네이버 블로그》, 2019-08-20
- ↑ 한국항공우주연구원, 〈로켓 노즐은 왜 크기와 모양이 다를까?〉, 《네이버 블로그》, 2020-01-21
- ↑ 〈분사 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 〈분사 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈개방형 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ cocorimo, 〈디젤 기관의 연료 장치 - 연료 분사 파이프, 분사 노즐 편〉, 《네이버 블로그》, 2013-05-22
- ↑ 〈폐지형 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈핀틀형 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈스로틀형 노즐〉, 《네이버 지식백과》
참고자료[편집]
- 〈노즐〉, 《네이버 지식백과》
- 〈노즐〉, 《네이버 지식백과》
- 과학기술정보통신부, 〈우주로켓 노즐의 구조 및 역할〉, 《네이버 블로그》, 2019-08-20
- 한국항공우주연구원, 〈로켓 노즐은 왜 크기와 모양이 다를까?〉, 《네이버 블로그》, 2020-01-21
- 〈분사 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- 〈분사 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- 〈개방형 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- cocorimo, 〈디젤 기관의 연료 장치 - 연료 분사 파이프, 분사 노즐 편〉, 《네이버 블로그》, 2013-05-22
- 〈폐지형 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- 〈핀틀형 노즐〉, 《네이버 지식백과》
- 〈스로틀형 노즐〉, 《네이버 지식백과》
같이 보기[편집]
