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문제 정의
- 본 연구는 액체 연료를 사용하는 항공기용 100kW급 소형 가스터빈엔진의 연소안정성을 확보하기 위해 다양한 작동조건에서의 연료량 변화에 따른 분무 특성을 측정하는 것이다. 분무 입자의 크기 및 속도는 PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)를 이용하여 즉정하였고 분무 가시화를 통해 전반적인 분무형상을 파악하였다.
제안 방법
- 5 kgf/cnS에서 32 ㎏/㎠까지 변화시켜가며 수행하였다. PDPA 실험은 엔진운용조건을 20, 000 ft 무부하 및 통합부하, 지상에서 무부하 및 통합부하로 나누고 각 조건에 따른 연료 유량이 공급되는 분무압력에서 실험 하였다. 실험에서 유체로 물을 사용하였으므로 두 유체간의 밀도 등을 고려하여 물분사량을 구하였고 각 조건에서의 실험 조건 및 분사압력을 Table 1에 나타내었다.
- 4에 제시되어있으며 노즐 끝단으로부터 20, 35, 50, 70, 100 mm 떨어진 지점에서 측정하였고 총 270 point에서 실험을 수행하였다. 각 point에서의 최대 Sampling 개수는 30, 000개, 최대 Sampling 시간은 20 초로 하여 수행하였다.
- 물 공급 압력을 변화해 가며 유량실험을 수행하였으며 분무 가시화는 공급압력을 0.5 kgf/cnS에서 32 ㎏/㎠까지 변화시켜가며 수행하였다. PDPA 실험은 엔진운용조건을 20, 000 ft 무부하 및 통합부하, 지상에서 무부하 및 통합부하로 나누고 각 조건에 따른 연료 유량이 공급되는 분무압력에서 실험 하였다.
- 실험장치는 모의 연료인 물을 공급하는 물 공급부와 PDPA 측정부, DATA 처리부 등 세 부분으로 나뉘어져 있다. 물 공급부는 두 종류의 시스템을 사용하였는데 물공급압력이 6.5 ㎏/㎠이하에서는 가압식 50 L 물탱크와 5 마력 압축기를 이용하여 연료노즐에 공급하였고, 공급압력이 6.5 ㎏/㎠이상에서는 물 저장 탱크에서 정화필터를 통과한 물을 연료노즐로 공급하는 20 마력 diaphgram 펌프를 이용하였다. 이때 공급압력은 압력센서(Sensys)를 이용해서 신호를 받아 컴퓨터 프로그램 (Labview)을 이용한 처리를 통해 측정하였다.
- 분무 입자의 크기 및 속도는 PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)를 이용하여 즉정하였고 분무 가시화를 통해 전반적인 분무형상을 파악하였다.
- 분무실험을 수행하기 위한 유체로 물을 사용하였으며 모든 실험은 상온, 대기압에서 이루어졌다. 물 공급 압력을 변화해 가며 유량실험을 수행하였으며 분무 가시화는 공급압력을 0.
- 이때 액적을 통과하게 된 레이저는 산란되어 수광부에 입력되고 데이터 처리부인 신호처리기와 컴퓨터 프로그램인 Sizeware를 통해 액적의 크기 및 속도를 측정하게 된다. 신호처리기 (DANTEC, 58N10)는 버스트(Burst) 검출방식을 통해 이루어지며 분무액적의 크기와 속도는 도플러 효과에 의한 신호의 상대적 위상차와 주파수 크기를 이용해 계산된다.
- 연료노즐의 분무 가시화를 위하여 ND-YAG Laser를 광원으로 하였고 Focus Lens를 이용한 Sheet beam을 형성하였다. 이때 노즐출구 중심을 지나는 레이저에 의해 분무단면을 관찰할 수 있고 CCD카메라를 통해 이미지를 획득하였다.
- 무부하조건은 APU 엔진이 아무런 부하도 받지 않은 상태 즉 idle 조건이며, 통합부하조건이란 APU 엔진의 출력이 발전기 작동을 하면서 추기 공기를 뽑아내는 두 가지 기능을 동시에 수행하는 경우를 말한다. 이때 PDPA의 측정 위치는 Fig. 4에 제시되어있으며 노즐 끝단으로부터 20, 35, 50, 70, 100 mm 떨어진 지점에서 측정하였고 총 270 point에서 실험을 수행하였다. 각 point에서의 최대 Sampling 개수는 30, 000개, 최대 Sampling 시간은 20 초로 하여 수행하였다.
- 5 ㎏/㎠이상에서는 물 저장 탱크에서 정화필터를 통과한 물을 연료노즐로 공급하는 20 마력 diaphgram 펌프를 이용하였다. 이때 공급압력은 압력센서(Sensys)를 이용해서 신호를 받아 컴퓨터 프로그램 (Labview)을 이용한 처리를 통해 측정하였다. PDPA 측정시스템은 레이저 발진부와 광학계로 구성되어 있다.
- beam을 형성하였다. 이때 노즐출구 중심을 지나는 레이저에 의해 분무단면을 관찰할 수 있고 CCD카메라를 통해 이미지를 획득하였다. CCD카메라의 셔터스피드는 1/10 초, F수는 5로 설정하였으며 canon EF 70~200 mm 렌즈를 사용하였다.
- 입자의 크기와 속도를 측정하기 위하여 PDPA 를 이용하였으며 실험장치는 Fig. 2와 같이 구성하였다. 실험장치는 모의 연료인 물을 공급하는 물 공급부와 PDPA 측정부, DATA 처리부 등 세 부분으로 나뉘어져 있다.
대상 데이터
- PDPA 측정시스템은 레이저 발진부와 광학계로 구성되어 있다. 레이저 발진부는 수냉식 Ar-ion 레이저(6W, DANTEC)를 사용하였다. 광학부는 다시 송광부와 수광부로 구성되어져 있는데, 송광부는 발진 부에서 생성된 레이저 빔이 광섬유, 송광부를 거쳐 연료노즐에서 분무된 액적을 통과하게 된다.
- 2와 같이 구성하였다. 실험장치는 모의 연료인 물을 공급하는 물 공급부와 PDPA 측정부, DATA 처리부 등 세 부분으로 나뉘어져 있다. 물 공급부는 두 종류의 시스템을 사용하였는데 물공급압력이 6.
- 1에 나타나 있다. 특징으로는 압력 스월식 연료노즐로 연료 노즐의 오리피스 직경은 0.38 mm이며, 2개의 접선형 유입구를 가지는 와류실과 필터로 구성되어 있다.
성능/효과
- 1) 가시화를 통하여 압력이 증가함에 따라서 분무 각 또한 증가하며 최대 분무각은 52°로 나타났다.
- 2) 분무입자의 크기는 분사기의 공급압력이 높을수록 작아지며, 입자의 크기는 노즐 출구 속도에 직접적인 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
- 15에 나타내었다. 20, 000 feet 무부하 조건에서의 공급압력 1.5 ㎏/㎠에서는 속도분포가 4~9 m/s 정도로 나타났고 지상에서의 통합부하 조건인 공급압력 32 ㎏/㎠에서는 노즐출구에서 거리에 따라서 15-24 m/s의 속도분포를 나타냄을 알 수 있었다.
- 3) 20, 000 ft 무부하 조건에서 SMD 는 최대 110pm 정도로 나타났고, 분무각은 20°로 매우 좁아 이 조건에서 분무특성을 개선하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 4) 분사기의 분무특성은 Re 수가 4000 이하인 비대칭 형태의 파동이 분열되는 영역과 Re 수가 7600-9300 인 노즐 출구에서 미립화가 진행되는 두 가지 분무형태를 나타내고 있음을 알 수 있었다.
- 결과를 살펴보면 20, 000 feet 무부하 조건인 1.5 ㎏/㎠에서는 최대 데이터 획득개수가 5,000개 이하임을 확인할 수 있다. 이는 미립 화가 거의 진행되지 않아 액적으로의 발달이 일어나지 않고 액주 형태로 분사되어 PDPA 프로세서에서 측정할 수 있는 액적의 개수가 적었기 때문에 나타난 결과라 할 수 있다.
- 11에 나타내었다. 결과를 살펴보면 20, 000 feet 무부하 조건인 1.5 ㎏/㎠에서의 SMD는 최대 100 ㎛정도로 나타났으며 노즐 중심부에서 SMD가 크게 나타나고 있다. 이는 가시화에서도 나타났지만 분사압력이 너무 작아 분무가 잘 발달되지 않아 미립화가 충분히 일어나지 않았기 때문이라고 생각된다.
- 5에 나타나있다. 결과를 살펴보면 실험 조건을 만족하는 연료 분사압력은 20, 000 feet 무부하 조건에서는 1.5 kgf/cm2, SL 무부하 조건에서는 6.2 kgf/cm2, 20, 000 feet 통합부하 조건에서는 11.5 kgf/cm2, SL 통합부하 조건에서는 32 ㎏/㎠로 나타났다.
- 7에 나타내었다. 결과에서 압력이 증가할수록 분무각은 계속 증가하다가 25 ㎏/㎠ 이상에이르러 증가폭이 둔화됨을 확인할 수 있고 이때의 분무 각은 52°로 나타났다
- 10에 나타내었다. 노즐 출구에서 멀어질수록 주 분무 영역에서의 SMD 가 커지는 경향을 나타내며 최대 SMD는 노즐 출구에서 100 mm 떨어진 지점에서 85 ㎛로 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
- 지상 및 20, 000 ft 통합부흐卜, 지상에서 무부하 조건은 3 영역에 포함되어있으며 노즐 출구 가까운 곳에서부터 미세한 액적으로 미립화되는 것으로 나타났다. 따라서 본분 사기는 두 가지 형태의 분무특성이 나타나는 것으로 보이며 Re 수가 낮은 20, 000 ft 무부하 조건의 분무특성이 엔진의 연소불안정을 유발할 가능성이 있다고 판단된다.
- 이는 가시화에서도 나타났지만 분사압력이 너무 작아 분무가 잘 발달되지 않아 미립화가 충분히 일어나지 않았기 때문이라고 생각된다. 반면에 나머지 조건 즉, 지상에서의 무부하, 20, 000 feet 통합부하, 무부하 조건인 압력 6.2 kgf/cm2, 11.5 kgf/cm2, 32 ㎏/㎠에서는 압력이 증가함에 따라 SMD가 감소하고 있음을 확인할 수 있고 SMD 분포 또한 중심부에서는 작아지는 형태를 나타내고 있다. 특히 최대압력인 32 ㎏/㎠ 에서는 SMD가 45 pm이하로 작아져 미립화가 잘 되고 있음을 확인할 수 있다.
- 결과를 Ohnesorge 도표에 대입해 보면 크게 비대칭 형태의 파동이 분열되는 2 영역과 노즐출구에서 미립화가 진행되는 3영역 조건으로 나타나는데 20, 000 ft 무부하 조건은 2 영역 내에 있어 사인곡선형 파동이나 꼬이는 형태의 비대칭 파동이 나타나게 되며 크고 작은 액적들이 공존하게 된다. 지상 및 20, 000 ft 통합부흐卜, 지상에서 무부하 조건은 3 영역에 포함되어있으며 노즐 출구 가까운 곳에서부터 미세한 액적으로 미립화되는 것으로 나타났다. 따라서 본분 사기는 두 가지 형태의 분무특성이 나타나는 것으로 보이며 Re 수가 낮은 20, 000 ft 무부하 조건의 분무특성이 엔진의 연소불안정을 유발할 가능성이 있다고 판단된다.
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