The combustion characteristics of a staged combustion cycle engine with an oxidizer-rich preburner were experimentally studied at different momentum ratios of multi-element injectors. Propellants were simultaneously supplied as a liquid–liquid–liquid system, and an injector was designed in which a swirl coaxial jet is sprayed. The injector burned the propellants in the inner chamber which had a temperature greater than 2000 K. To cool the combustion gas, a liquid oxidizer was supplied to the cooling channel outside the injector. To prevent the turbine blades from melting, the temperature of the combustion gas was maintained below 700 K. To confirm the combustion characteristics at different momentum ratios of the high-temperature combustion gas inside the injector and the low-temperature liquid oxidizer outside the injector, three types of injectors were designed and manufactured with different momentum ratios: MR 3.0, MR 3.3, and MR 3.7. In this study, the results of the combustion test for each type were compared for 30 s. For ORPB-A, a combustion pressure of 18.5 MPaA, fuel mass flow rate of 0.26 kg/s, oxidizer mass flow rate of 15.3 kg/s, and turbine inlet temperature of 686 K were obtained in the combustion stability period of 29.0–29.5 s. The combustion efficiency was 98% for MR 3.0 (ORPB-A), which was superior to that for other momentum ratios. In addition, during the combustion test for MR 3.0, the fluctuations in the characteristic velocity, combustion pressure, and propellant mass flow rate were low, indicating that combustion was stable. The three types of combustion instability were all less than 0.8%, thus confirming that the combustion stability was excellent.
다단연소사이클 엔진의 산화제 과잉 예연소기에 사용하는 다중 분사기를 다양한 모멘텀 비로 연소 특성을 실험적인 방법으로 연구하였다. 액체 연료-액체 산소-액체 산소가 동시에 공급하는 동축 선회 및 젯 형태의 분사기를 설계하였다. 분사기 내부에서 연소가 발생되며 2000 K 이상의 고온 연소 가스가 생성된다. 이 고온의 연소 가스를 냉각하기 위해서 분사기 외부의 냉각 채널로 액체 산화제가 공급하여 터보펌프 터빈이 열부하를 받지 않은 온도인 700 K 이하로 낮추도록 하였다. 분사기 내부의 고온 연소 가스와 분사기 외부의 저온 액체 산화제의 모멘텀 비에 의한 연소 특성을 확인하기 위해, 모멘텀 비를 MR 3.0, MR 3.3과 MR 3.7로 다르게 하여 3 종의 분사기를 제작하였다. 본 연구에서는 각 타입 별로 연소 시험은 30초 동안 수행한 결과를 비교하였으며, ORPB-A의 경우 연소 안정 구간인 29.0 ~ 29.5 sec에서 연소압력 18.5 MPaA, 연료 유량 0.26 kg/s, 산화제 유량 15.3 kg/s, 터빈입구온도 686 K 을 획득하였다. 연소 효율은 MR 3.0 (ORPB-A)에서 98%로 다른 모멘텀 비보다 우수하였고, 연소 시험 중 연소압, 추진제 유량 등의 섭동이 낮아 안정된 연소 시험이 수행되었다. 연소 불안정은 3종 모두 0.8% 이하로 측정되어 연소 안정성은 우수한 것으로 확인되었다.
