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희박 예혼합 가스터빈 연소기에서의 화염 전달 함수 소개
Introduction to Flame Transfer Function in Lean Premixed Gas Turbine Combustor 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.9 = no.312, 2011년, pp.975 - 979  

김대식 (강릉원주대학교 기계자동차공학부)

초록
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희박 예혼합 가스터빈 연소기는 강화되는 NOx 배출가스 규제를 만족시키기 위한 가장 현실적인 방법으로 인식되고 있다. 그러나 이러한 희박 예혼합 연소기에서는 열발생파와 시스템 내부의 압력파 사이의 상호 피드백 관계에 의한 연소 불안정 현상으로 인하여 그 적용이 제한되거나, 이를 회피하기 위한 기술의 적용으로 인하여 설계 비용의 상승이 불가피하다. 본 논문에서는 연소 불안정 현상이 발생하는 기본 메커니즘을 소개하고, 연소 불안정 원인 규명의 일환으로 최근 활발히 연구되고 있는 화염전달 함수 측정이 실험적으로 규명되었고, 주요 측정 결과가 소개되었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Lean premixed gas turbine combustors were successful in meeting current NOx emission regulations. However, these combustors have been found to be susceptible to combustion instability. In this study, general mechanisms for combustion dynamics and instabilities in lean premixed gas turbine combustors...

주제어

#가스터빈   #희박 예혼합 연소기   #연소 불안정   #화염 전달 함수  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 희박 예혼합 가스터빈 연소기의 설계 및 운전시 가장 큰 문제점으로 대두되고 있는 연소 불안정 현상에 대하여 기술하였다. 또한 이러한 연소 불안정 현상의 메커니즘을 규명하기 위한 노력의 일환으로 현재 활발하게 이루어지고 있는 화염 전달 함수 측정에 대한 기본 개념 및 핵심 측정 결과를 소개하였다.
  • 본 연구에서는 실제 예혼합 가스터빈에서의 연소기와 유사한 선회류(Swirl flow)를 갖는 난류 연소기에서 입구 속도 변동에 대한 화염의 동적 반응이 실험적으로 규명된다. 또한, 다양한 조건에서 화염의 구조가 계측되어 화염의 형상과 동적 반응 특성간의 상호 관계에 대한 정량적, 정성적인 데이터를 제공하고자 한다.
  • 본 논문에서는 희박 예혼합 가스터빈 연소기의 설계 및 운전시 가장 큰 문제점으로 대두되고 있는 연소 불안정 현상에 대하여 기술하였다. 또한 이러한 연소 불안정 현상의 메커니즘을 규명하기 위한 노력의 일환으로 현재 활발하게 이루어지고 있는 화염 전달 함수 측정에 대한 기본 개념 및 핵심 측정 결과를 소개하였다.
  • 본 연구에서는 실제 예혼합 가스터빈에서의 연소기와 유사한 선회류(Swirl flow)를 갖는 난류 연소기에서 입구 속도 변동에 대한 화염의 동적 반응이 실험적으로 규명된다. 또한, 다양한 조건에서 화염의 구조가 계측되어 화염의 형상과 동적 반응 특성간의 상호 관계에 대한 정량적, 정성적인 데이터를 제공하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연료를 주연소 영역에 직접 분사하는 방식인 기존의 연소기는 어떠한 문제점을 가지고 있는가? 가스터빈 연소기 개발에 관한 최근 연구 동향은 산업 및 항공 분야에서 강화되는 배출 가스 규제로 인하여, 연료 소비율을 줄이면서 NOx 배출물의 저감을 동시에 이루기 위한 희박 예혼합 연소기 개발에 관한 연구로 집중되고 있다. 기존의 연소기는 연료를 주연소 영역에 직접 분사하는 방식이기 때문에 국부적으로 이론 공연비 영역의 농후한 운전 조건에서 연소 온도의 상승에 따른 높은 NOx 생성이 불가피하다. 그러나 희박 예혼합 연소의 개념은 연료와 공기를 완전히 혼합하여 얻은 균일한 혼합기를 주연소 영역에 공급하고, 당량비를 희박 가연 한계에 가깝게 유지하는 것이다.
내연기관과 같은 다른 연소 시스템과 비교할 때, 가스터빈은 어떠한 장점이 있는가? 가스터빈은 내연기관과 같은 다른 연소 시스템과 비교할 때, 높은 비출력과, 고효율, 또한 저공해 측면에서의 장점으로 인하여, 항공 분야뿐만 아니라 산업 분야에 걸쳐서 폭넓게 사용되고 있다. 또한 최근에는 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) 시스템과 같은 열병합 발전에 대한 관심과 연구가 늘어나면서 그 수요는 더욱 증가할 것으로 기대된다.
희박 예혼합 연소기는 어떠한 장점으로 인해 항공기 및 산업용 가스터빈의 배출 가스 규제에 대응하기 위한 획기적인 기술로서 인식될 수 있게 되었는가? 그러나 희박 예혼합 연소의 개념은 연료와 공기를 완전히 혼합하여 얻은 균일한 혼합기를 주연소 영역에 공급하고, 당량비를 희박 가연 한계에 가깝게 유지하는 것이다. 이에 따라 저온의 균일한 연소 온도를 유지할 수 있어서 상당한 NOx의 발생을 줄일 수 있다. 이러한 연소 특징들로부터 희박 예혼합 연소기는 항공기 및 산업용 가스터빈의 배출 가스 규제에 대응하기 위한 획기적인 기술로서 인식되고 있다.
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참고문헌 (6)

  1. Liewen, T. and Yang, V., 2005, "Combustion Instabilities in Gas Turbine Engines," AIAA, Washington. 

  2. Preetham, T., 2007, "Modeling the Response of Premixed Flames to Flow Disturbances," Ph.D. thesis, Georgia Inst. of Tech. 

  3. Lieuwen, T., 2003, "Modeling Premixed Combustion- Acoustic Wave Interactions: A Review," Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No. 5, pp. 765-781. 

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  4. Santosh, H. and Sujith, R. I., 2005, "Kinematic Coupling Effects on Heat-Release Transfer Function of a Premixed Flame," Journal of Propulsion and Power, Vol. 21, No. 4, pp. 591-599. 

    상세보기 crossref

  5. Birbaud, A. L., Durox, D., Ducruix, S. and Candel, S., 2007, "Dynamics of Confined Premixed Flames Submitted to Upstream Acoustic Modulations," Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 31, pp. 1257-1265. 

    상세보기 crossref

  6. Kim, D., Lee, J., Quay, B., Santavicca, D., Kim, K. and Srinivasan, S., 2010, "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. 

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