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[국내논문] 모형 가스터빈 연소기에서 화염구조와 연소불안정 특성에 대한 실험적 연구
An Experimental Study on Flame Structure and Combustion Instability Characteristics in Model Gas Turbine Combustor 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.4 = no.65, 2011년, pp.26 - 34  

박성순 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) ,  김민기 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) ,  윤지수 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) ,  윤영빈 (서울대학교 항공우주신기술연구소(IAAT))

초록
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스월러를 가진 천연가스 연료분사기가 장착된 희박 예혼합 연소기에서 화염구조의 일부분인 재순환 영역의 형성이 연소불안정에 미치는 영향에 대하여 실험적으로 연구를 진행하였다. PIV 계측기법으로 연소장에서의 화염의 안정화 그리고 불안정한 영역에서 유동장을 확인해본 결과 스월러에 의한 재순환 영역은 화염의 안정화 및 난류의 강도뿐만 아니라 재순환영역 형성의 크기에 따른 화염 재점화에도 영향을 미쳐 연소불안정 발생의 원인이 되는 열방출 섭동과 매우 밀접한 관계가 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The present work addresses structural characteristics of natural gas flames in a lean premixed swirl-stabilized combustor with an attention focused on the effect of the formation of recirculation zones on the combustion instability. It is known that the recirculation zone plays an important role in ...

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문제 정의

  • 그 중 화염의 안정화에 큰 역할을 하는 것으로 알려진[4∼6] 재순환 영역의 형성과 연소 불안정의 관계를 밝히는 것에 중점을 두고 연구를 진행 하였다.
  • 지난 연구에서는 연소불안정 현상을 관찰하고 그 불안정의 원인과 모드를 분석하는 방법에 대한 연구를 진행하였다[3]. 본 연구에서는 지난 연구를 바탕으로 화염의 구조적 특성이 연소 불안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 그 중 화염의 안정화에 큰 역할을 하는 것으로 알려진[4∼6] 재순환 영역의 형성과 연소 불안정의 관계를 밝히는 것에 중점을 두고 연구를 진행 하였다.
  • 본 연구에서는 유동의 구조적인 특성을 파악하기 위한 방법으로 평면의 순간적인 속도장을 얻을 수 있는 PIV계측 기법을 사용하여 연소장 및 비연소장에서의 유동의 구조적 특성을 관찰하였다.
  • 연소불안정 현상은 동적인 현상의 일종으로 앞서와 같이 평균장 이미지를 통해서만 그 특징을 살펴보는 것은 어렵다. 그리하여 본 절에서는 순간장 이미지들을 이용하여 연소 불안정이 일어났을 때 재순환 영역의 특징을 살펴보았다.
  • 본 연구에서는 PIV 계측 기법을 이용하여 연소불안정 현상과 재순환 영역의 형성간의 관계에 대한 연구를 진행하였다. 그 중 화염의 안정화 메커니즘에 지대한 영향을 미치는 재순환 영역의 형성에 중점을 두었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
강한 스월이 존재하는 경우의 속도장은 주로 어떤 기법으로 측정하는가? 강한 스월이 존재하는 경우의 속도장은 주로 Laser Doppler Velocimetry(LDV)기법을 이용하여 측정한다. 하지만 LDV 기법의 경우는 한지점에 대한 계측방법으로 평면의 순간적인 속도장을 측정 하는데 어려움이 있기 때문에 본 연구에서는 PIV 계측 기법을 사용하였다.
대표적인 배기배출물인 NOx는 가스터빈의 1800∼2000 K 이하의 화염온도에서 어떤 특징을 가지는가? 대기오염의 주범으로 알려져 있는 대표적인 배기배출물인 NOx의 경우 실제 구동하고 있는 conventional low NOx gas turbine 에서는 가스터빈마다 특성이 약간 다르지만 대략 1800∼2000 K 이하의 화염온도에서는 그 생성량이 무시할 수 있을 정도로 작은 것으로 알려져 있는데[1, 2] 희박 예혼합 화염을 이용할 경우 연소온도를 현저하게 낮출 수 있어 thermal NOx의 발생을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 보다 적은 연료를 사용함으로써 더욱 높은 연소효율을 달성할 수 있다.
PIV 계측 기법으로 속도장을 측정할 시 유효한 입자들의 수를 늘리기 위해서는 무엇을 하는게 중요한가? 하지만 스월의 영향으로 인해 접선방향의 속도성분이 발생하게 되며, 이는 PIV 기법으로 측정하고자 하는 평면을 벗어나는 성분이므로(out-of-plane motion) 유효한 입자들의 숫자를 줄이는 효과를 야기하게 된다. 이를 극복하고 최대한 유효한 입자들의 수를 늘리기 위해서는 레이저 펄스간의 시간간격, particle seeding density 등을 적절히 조절하는 것이 중요하다[7].
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참고문헌 (13)

  1. Timothy C. Lieuwen, "Investigation of combustion instability mechanisms in premixed gas turbines," Georgia Institute of Technology, Ph.D thesis, 1999, pp.1-52 

  2. K. K. Venkataraman, D. A. Satavicca, "Mechanism of Combustion Instability in a Lean Premixed Dump Combustor," Journal of Propulsion and Power, Vol. 15, No. 6, 1999, pp.909-918 

  3. 김민기, 이장수, 박성순, 이종근, 윤영빈, "모형 가스터빈 연소기에서의 연소 불안정 모드분석에 관한 실험적 연구," 한국연소학회지, Vol. 15, No. 1, 2010, pp.12-21 

  4. P. Weigand, W. Meier, X.R. Duan, W. Stricker and M. Aigner, "Investigations of swirl flames in a gas turbine model combustor I. flow field, structures, temperature, and species distributions," Combustion and flame Vol. 144, Issue 1-2, 2006, pp.205-224 

  5. Paul O. Hedman, Robert L. Murray, Thomas H. Fletcher, "Obsevation of Flame Behavior in a Laboratory-scale Premixed Natural Gas/Air turbine combustor from LDA Velocity Measurements," ASME Turbo Expo, Paper no. GT2002-30053, 2002, pp.301-311 

  6. P. Weigand, W. Meier, X. R. Duan, R. Giezendanner-Thoben and U. Meier, "Laser Diagnostic Study of the Mechanism of a Periodic Combustion Instability in a Gas Turbine Model Combustor," Flow, Turbulence and combustion, Vol. 75, No. 1-4, 2005, pp.275-292 

  7. Jun Ji and Jay P. Gorea, "Flow Structure in Lena Premixed Swirling Combustion," Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 29, Issue 1, 2002, pp.861-867 

  8. Ying Huang, Vigor Yang, "Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion," Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 35, 2009, pp.293-364 

  9. David g. Lilley, "Swirl flows in combustion," AIAA Journal, 1977 

  10. Edward M. Greitzer, Choon Sooi Tan, Martin B. Graf, "Internal Flow : Concepts and Applications," Cambridge University Press, 2004 

  11. Murray R. L, "Laser Doppler Anemometry measurements in a Turbulent, Premixed, Natural Gas/Air combustor," Brigham Young University, 1998 

  12. Per Petersson, Jimmy Olofsson, Christian Brackman, Hans Seyfried, Johan Zetterberg, Mattias Richter, Marcus Alden, Mark A Linne, Robert K Cheng, Andreas Nauert, Dirk Geyer and Andreas Dreizler, "Simultaeous PIV/OH-PLIF, Rayleigh Thermometry/OH-PLIF and Stereo PIV Measurements in a Low-Swirl Flame," Applied Optics, Vol. 46, Issue 19, 2007, pp.3928-3936 

  13. Mohy Mansour and Yung-Cheng Chen, "Stability Characteristics and Flame Structure of Low Swirl Burner," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 32, Issue 7, 2008, pp.1390-1395 

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