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예혼합실을 갖는 연소-노즐 시스템의 음향장 해석
Acoustic Field Analysis of a Combustor-nozzle System with a Premixing Chamber 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.21 no.5, 2017년, pp.46 - 53  

윤명곤 (School of Mechanical and Automotive Engineering, Gangneung-Wonju National University) ,  김진아 (School of Mechanical and Automotive Engineering, Gangneung-Wonju National University) ,  김대식 (School of Mechanical and Automotive Engineering, Gangneung-Wonju National University)

초록
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본 논문은 "예혼합실+노즐+연소실"의 3단으로 구성된 예혼합 가스터빈 연소기의 열음향모델을 제시한다. 음향장의 동적특성은 화염섭동을 입력으로 화염면에서의 속도를 출력으로 하는 음향전달함수로 표현되었다. 음향전달함수의 극점들을 분석함으로서 음향장의 공진주파수는 각 단 사이의 면적비, 그리고 음향파가 각 단을 왕복 운동하는 3개 주파수들의 조합으로 주어짐을 보였다. 극점을 나타내는 함수의 형태를 분석하여 3단 연소기의 여러 파라미터가 변함에 따라서 공진주파수가 어떻게 변하는가에 대하여 해석적으로 분석하였고 문헌의 실험결과와 일치함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper deals with an acoustic model for a lean premixed gas turbine combustor composed of three stages: premixing chamber, nozzle and flame tube. Our model is given as an acoustic transfer function whose input is a heat release rate perturbation and output is a velocity perturbation at a flame l...

주제어

#희박 예혼합 연소   #연소불안정   #음향전달함수   #선형 열음향모델  

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

문제 정의

  • 특히, Schuller 등[7]의 연구에서는 이러한 예혼합실에서의 음향 경계 조건이 실제 시스템 전체의 열음향 문제에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이전 연구(“노즐+연소기”의 2단 구조)에서 개발된 연소기의 음향 모델을 보다 복잡한 형태의 3단 덕트 연소기에 적용하기 위하여 확장하였다. 또한 연소기의 음향 모델을 나타내는 음향전달함수(Acoustic Transfer Function, ATF)의 분석으로부터 음향장의 공진주파수(resonance frequency)를 구하고, 이를 실험 결과와 비교 및 분석한다.

가설 설정

  • 희박 예혼합 연소에서는 당량비(equivalence ratio)가 희박 가연 한계의 운전조건에서 이루어지기 때문에 화염은 미세한 음향장의 압력/속도 섭동에도 쉽게 반응하여 열발생율의 섭동을 야기한다. 열발생율의 섭동은 반대로 연소기 내부 음향장의 압력/속도 교란을 만들어 낸다. 이러한 두 가지 메커니즘이 서로 상승효과를 일으키는 경우에 연소실 내부의 압력 진동의 크기가 점차 커지게 된다[1-5].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
희박 예혼합 연소를 많은 연소 시스템에서 사용하는 이유는 무엇인가? 현재 많은 연소 시스템에서는 시스템의 열효율 저하를 최소화하면서 연소온도를 낮추어 질소산화물의 배출량을 감소시키기 위하여 희박 예혼합 연소를 채택하고 있다. 희박 예혼합 연소 시스템은 공기와 연료를 연소실 이전 공간에서 완전히 혼합하여 얻은 균일한 혼합기를 연소실에 공급한다.
희박 예혼합 연소에서 열발생율의 섭동을 야기하는 이유는 무엇인가? 하지만 희박 예혼합 가스터빈 연소기에서는 연소불안정(combustion instability)의 발생 가능성이 있다. 희박 예혼합 연소에서는 당량비(equivalence ratio)가 희박 가연 한계의 운전조건에서 이루어지기 때문에 화염은 미세한 음향장의 압력/속도 섭동에도 쉽게 반응하여 열발생율의 섭동을 야기한다. 열발생율의 섭동은 반대로 연소기 내부 음향장의 압력/속도 교란을 만들어 낸다.
희박 예혼합 연소 시스템이 질소산화물의 배출양을 감소하는 효과를 얻는 이유는 무엇인가? 희박 예혼합 연소 시스템은 공기와 연료를 연소실 이전 공간에서 완전히 혼합하여 얻은 균일한 혼합기를 연소실에 공급한다. 이때 당량비(equivalence ratio)를 희박 가연 한계(lean blow out)로 유지하기 위해 연소에 사용되는 연료의 양이 감소하므로 연소 온도가 낮아져 질소산화물의 배출양이 감소하는 효과를 얻게 된다.
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참고문헌 (8)

  1. Kim, K.T. and Santavicca, D., "Linear Stability Analysis of Acoustically Driven Pressure Oscillations in a Lean Premixed Gas Turbine Combustor," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 23, No. 12, pp. 3436-3447, 2009. 

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  2. Kim, D.S. and Kim, K.T., "Thermoacoustic Analysis Model for Combustion Instability Prediction - Part 1 : Linear Instability Analysis," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 16, No. 6, pp. 32-40, 2012. 

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  3. Kim, J.A. and Kim, D.S., "Combustion Instability Prediction Using 1D Thermoacoustic Model in a Gas Turbine Combustor," Journal of ILASS-Korea, Vol. 20, No. 4, pp. 241-246, 2015. 

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  4. Kim, J.A., Yoon, M.G. and Kim, D.S., "Combustion Stability Analysis Using Feedback Transfer Function," Journal of the Korean Society of Combustion, Vo. 21, No. 3, pp. 24-31, 2016. 

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  5. Lieuwen, T.C. and Yang, V., Combustion Instabilities in Gas Turbine Engines, AIAA, Reston, V.A., U.S.A., 2005. 

  6. Palies, P., Durox, D., Schuller, T. and Candel, S., "Nonlinear Combustion Instability Analysis Based on the Flame Describing Function Applied to Turbulent Premixed Swirling Flames," Combustion and Flame, Vol. 158, No. 10, pp. 1980-1991, 2011. 

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  7. Schuller, T., Durox, D., Palies, P. and Candel, S., "Acoustic Decoupling of Longitudinal Modes in Generic Combustion Systems," Combustion and Flame, Vol. 159, No. 5, pp. 1921-1931, 2012. 

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  8. Silva, C.F., Nicoud, F., Schuller, T., Durox, D. and Candel, S., "Combining a Helmholtz Solver with the Flame Describing Function to Assess Combustion Instability in a Premixed Swirled Combustor," Combustion and Flame, Vol. 160, No. 9, pp. 1743-1754, 2013. 

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