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[국내논문] 항공용 가스터빈엔진 연소기 내부 반경 방향 스월러의 스월수 계산
Swirl Number of Radial Swirler Design for Combustor in Aero Gas Turbine Engine 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.12, 2019년, pp.848 - 855  

최명환 (Graduate School, Korea Aerospace University) ,  신동수 (Graduate School, Korea Aerospace University) ,  윤영빈 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) ,  구자예 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
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최근 배기가스규제로 인하여 친환경 가스터빈연소기가 주목받고 있다. 이때 연소기 내부의 스월러는 화염안정성 및 역화에 매우 중요한 설계 인자가 된다. 기존 연구자들이 제시한 축 방향 스월러와 반경 방향 스월러의 설계방법에 대하여 고찰하고 다양한 가스터빈용 반경 방향 스월러 중 기하학적 설계변수를 고려한 스월수 계산과 유동손실을 고려한 스월수 계산의 적합성을 검토하였다. 전산유체역학을 통해 스월유동의 스월수를 계산하고 설계방법에 따라 각각 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Eco-friendly gas turbine combustors are getting attention due to emission regulations. Swirler is important design factor for flame stability and flashback inside the combustor. Design methods of the axial swirler and the radial swirler were discussed and the suitability of the swirl number calculat...

주제어

#스월수   #축 방향 스월러   #반경 방향 스월러   #가스터빈엔진  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 가스터빈엔진에 흔히 사용되는 기본적인 축 방향 및 반경방향 스월러의 스월수 및 설계방법을 소개하였으며 특히 반경 방향 스월러의 경우 기하학적 형상을 고려한 스월수 계산식과 유동손실을 고려한 계산식을 비교하여 각각의 식이 얼마나 커다란 차이를 보이는지 알아보았다. 각각 계산식을 고려하여 스월수를 도출하였을 때 어떠한 식이 더 적합한지 알아보기 위해 전산유체해석을 진행하였다.

가설 설정

  • 해석에 쓰인 난류 모델은 스월 유동에 적합한 RSM(Reynolds Stress Model)을 적용하였으며 상온 상압조건에서 해석하였다. 유동은 정상상태를 가정하였으며 solver는 pressure based 조건으로 하였고 공기는 이상기체를 가정하였다. 해석의 정확도는 2차 upwind 방법을 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스월러의 두 가지 형태는 무엇인가? 특정 형상에 유동을 통과시키는 경우 크게 두 가지의 스월러 형태가 존재한다. 축 방향 스월러(Axial Swirler)와 반경 방향 스월러(Radial Swirler)이다. 축방향 스월러의 경우 스월 유동을 만들기 위하여 가장 기본적으로 채택되어 왔으며 축방향 스월러가 만들어내는 유동 또한 많은 부분에서 해석되어 이론 및 경험적으로 정리되어있다.
같은 크기의 유량에서 접선 속도 성분의 크기가 클수록 축 방향 유동의 속도 성분이 줄어드는 것은 무엇을 의미하는가? 같은 크기의 유량에서 접선 속도 성분의 크기가 더 큰 유동일수록 축 방향 유동의 속도 성분은 줄어들게 된다. 이는 역압력 구배를 초래하며 유동이 순환되는 재순환 영역을 형성함을 의미한다. Beer와 Chigier는 스월 유동의 강도를 무차원화하여 나타내었으며 식 (1)과 같이 표현된다.
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참고문헌 (16)

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  2. Lefebvre A. H., "Lean premixed/prevaporized combustion," NASA CP-2016, 1977. 

  3. Al-kabie, H. S., Radial swirlers for low emissions gas turbine combustion, PhD Thesis, University of Leeds, 1989. 

  4. Chigier, N. A., and Beer, J. M., "Combustion Aerodynamics," 2nd ed., Krieger Publishing Company, U.S.A., 1983. 

  5. ICAO (International Civil Aviation Organization), "Annual Report of the Council 2012," World Wide Web location, https://www. icao.int/publications/Documents/10001_en.pdf, 2013. 

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  7. Gupta, A. K., Lilley, D. G., and Syred, N,. "Swirl flows," Kent, England, Abacus Press, 1984. 

  8. Candel, S., Durox, D., Schuller, T., Bourgouin, J. F., and Moeck, J. P., "Dynamics of swirling flames," Annual review of fluid mechanics, Vol. 46, 2014, pp. 147-173. 

    상세보기

  9. Galley, D., Ducruix, S., Lacas, F., and Veynante, D., "Mixing and stabilization study of a partially premixed swirling flame using laser induced fluorescence," Combustion and Flame, Vol. 158, No. 1, 2011, pp. 155-171. 

    상세보기 crossref

  10. Alkabie, H. S., Andrews, G. E., and Ahmad, N. T., "Lean low NOx primary zones using radial swirlers," ASME 1988 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, June 1988, pp. V003T06A027. 

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  12. Choi, M. H., Shin, D., Song, W., Son, M., and Koo, J., "Effects of Swirl Flow on Spray Characteristics of Jets In Crossflow Injector," Proceeding of the 2016 Korean Society for Precision Engineering Fall Conference, Nov. 2016, pp. 261-262. 

  13. Escue, A., and Cui, J., "Comparison of turbulence models in simulating swirling pipe flows," Applied Mathematical Modelling, Vol. 34, No. 10, 2010, pp. 2840-2849. 

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  14. Albouze, G., Poinsot, T., and Gicquel, L., "Chemical kinetics modeling and LES combustion model effects on a perfectly premixed burner," Comptes Rendus Mecanique, Vol. 337, No. 6-7, 2009, pp. 318-328. 

  15. Wang, S., Yang, V., Hsiao, G., Hsieh, S. Y., and Mongia, H. C., "Large-eddy simulations of gas-turbine swirl injector flow dynamics," Journal of Fluid Mechanics, 2007, Vol. 583, pp. 99-122. 

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  16. Alkabie, H. S., and Andrews, G. E., "Reduced NOx emissions using low radial swirler vane angles," ASME 1991 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, June 1991, pp. V003T06A032. 

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