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당량비 및 섭동 조건 변화가 화염 전달 함수에 미치는 영향
Effects of Changes in Equivalence Ratio and Modulation Condition on Flame Transfer Function 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.4 = no.65, 2011년, pp.35 - 40  

김대식 (강릉원주대학교 기계자동차공학부)

초록
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희박 예혼합 가스터빈에서 발생되는 연소 불안정 현상의 메커니즘을 규명하기 위하여 입구 속도 변동에 대한 열발생 변동을 정량화한 화염 전달 함수가 실험적으로 규현되었다. 이를 위하여 실제 가스터빈과 유사한 형태를 갖는 모형 연소기가 제작되었으며, 열발생율의 측정을 위한 가시화 연소기가 장착되었다. 또한 흡기 속도의 변조를 위하여 가변 속도 모터 및 유량 제어 장치가 설계되었고, 이러한 장치들을 통하여 입구 속도 변동이 열발생율의 진폭에 미치는 영향 및 화염 구조의 변화를 실험적으로 계측하였다. 실험 결과 화염 전달 함수는 당량비와 같은 운전 조건과 더불어 속도 섭동 조건에 대하여도 크게 의존하며, 화염의 길이와 섭동파 파장의 비율을 의미하는 Strouhal 수에 의하여 일반화될 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

An experimental study of the flame response in a turbulent premixed combustor has been conducted in order to investigate mechanisms for combustion instabilities in a lean premixed gas turbine combustor. A lab-scale combustor and mixing section system were fabricated to measure the flame transfer fun...

주제어

#연소 불안정   #희박 예혼합 연소기   #화염 전달 함수   #속도 섭동  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 가스터빈 예혼합 연소기에서 발생하는 연소 불안정 현상을 이해하고자, 연소기 입구 속도 섭동에 따른 화염의 동특성을 정량적으로 분석하기 위한 화염 전달 함수가 실험적으로 구하여졌다. 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
  • 본 연구에서는 상용 예혼합 가스터빈 연소기와 유사한 선회류(swirl flow)를 갖는 난류 연소기를 Lab-scale로 제작하여, 입구 속도 섭동에 대한 화염 전달 함수의 기본적인 측정 내용이 고찰되었다.
  • 본 연구에서는 연소 불안정 현상의 기본 메커니즘을 규명하기 위한 접근법 중의 하나로서, 실제 가스터빈 연소기에 존재하는 예혼합기의 섭동을 임의적으로 모사하여 이에 대한 화염의 반응을 규명하는 화염 전달 함수(flame transfer function)을 실험적으로 구현하였다. 최근 전세계의 다양한 연구 그룹에서는 이러한 화염 전달 함수의 측정 또는 계산을 통하여 얻어진 주어진 속도 및 당량비의 섭동에 대한 화염의 반응을 이득값과 위상차로 정량화하여 연소 불안정 현상의 원인을 규명하고 제어 방법을 찾는 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다[3-6].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가스터빈 예혼합 연소기에서 발생하는 연소 불안정 현상을 이해하고자, 연소기 입구 속도 섭동에 따른 화염의 동특성을 정량적으로 분석하기 위한 화염 전달 함수 실험 결과는 어떤 결론을 갖는가? 1) 동일한 운전 조건에서 속도 섭동 주파수가 증가할 경우(섭동 파장이 감소할 경우), 주어진 속도의 진폭에 대하여 열발생율의 진폭이 감소하여 화염 전달 함수의 이득값이 감소한다. 2) 섭동 주파수가 일정하다면, 연료-공기 당량비가 증가하게 될 경우, 화염의 길이가 감소하게 되고, 주어진 속도 섭동 조건에 대하여 열 발생율의 진폭이 증가하여 화염 전달 함수의 이득값이 증가한다. 3) 이러한 관계로부터 화염의 동특성은 화염의 길이와 섭동 파장의 비율인 Strouhal 수에 의하여 정의될 수 있다.
연소 불안정(combustion instability) 현상이 발생하는 이유는? 희박 예혼합 연소기의 운전 영역인 희박 한계 근처에서는 작은 외부 유동 섭동에 대하여도 화염이 매우 민감하게 반응하게 되어 열발생율의 변동으로 이어지고, 이는 다시 연소기 고유의 압력파와의 상호 작용에 의하여 연소 불안정(combustion instability) 현상이 발생하게 된다. 이러한 연소 불안정 현상은 시스템의 압력 변동및 진동의 증가를 초래하고 결국 연소기 또는 일부 부품에 치명적인 손상을 일으킨다[1-3].
화염 전달 함수의 구현을 위한 유동 섭동 장치는 어떻게 구성되는가? 또한 화염 전달 함수의 구현을 위하여 유동 섭동 장치는 속도 조절이 가능한 AC 모터와 더불어 회전판(rotating plate), 고정 플레이트(static plate)와 중간의 예혼합실로 구성된다. 회전판은 축을 통하여 가변 속도 모터와 연결되고, 이 장치를 통하여 400 Hz까지의 섭동 주파수(modulation frequency)를 얻을 수 있다.
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참고문헌 (9)

  1. 오정석, 윤영빈, "가스터빈에서의 연소불안정 현상," 한국추진공학회지 제12권, 제4호, 2008, pp.63-77 

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  2. Ducruix, S., Schuller, T., Durox, D., and Candel, S., "Combustion dynamics and instabilities: elementary coupling and driving mechanisms," Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No. 5, 2003, pp.722-734 

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  3. Lieuwen, T., "Modeling premixed combustion - acoustic wave interactions: a review," Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No. 5, 2003, pp.765-781 

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  4. Santosh, H., and Sujith, R. I., "Kinematic coupling effects on heat-release transfer function of a premixed flame," Journal of Propulsion and Power, Vol. 21, No. 4, 2005, pp.591-599 

    상세보기 crossref

  5. Birbaud, A. L., Durox, D., Ducruix, S., and Candel, S., "Dynamics of confined premixed flames submitted to upstream acoustic modulations," Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 31, 2007, pp.1257-1265 

    상세보기 crossref

  6. Kim, D., Lee, J., Santavicca, A., Kim, K., and Srinivasan, S., "Effect of flame structure on the flame transfer function in a premixed gas turbine combustor," Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, Vol. 132, 2010 

  7. Dasch, C. J., "One-dimensional tomography: a comparison of Abel, onion-peeling, and filtered backprojection methods," Applied Optics, Vol. 31, No. 8, 1992, pp.1146-1152 

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  8. Balachandran, R., Ayoola, B.O., Kaminski, C.F., Dowling, A.P., and Mastorakos, E., "Experimental investigation of the nonlinear response of turbulent premixed flames to imposed inlet velocity oscillations," Combustion and Flame, Vol. 143, 2005, pp.37-55 

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  9. 김대식, "연소 불안정 현상의 소개와 가스터빈 연소기에서의 화염 전달 함수 측정," 대한기계학회 춘계학술대회논문집, 2011, pp.457-460 

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