[논문]희박연료 직접분사(Lean Direct Injection) 가스터빈 연소기의 이상유동 분석

이교빈; 김종찬; 성홍계

doi:10.5139/jksas.2019.47.3.204

희박연료 직접분사(Lean Direct Injection) 가스터빈 연소기의 이상유동 분석
The Analysis of Two-phase Flow in a Lean Direct Injection Gas-turbine Combustor 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.3, 2019년, pp.204 - 211

이교빈 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) , 김종찬 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) , 성홍계 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
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희박연료 직접분사(Lean Direct injection(LDI)) 가스터빈 연소기에 대한 이상유동 특성을 해석하였다. LDI 연소기에 적용된 환형분사기(hollow-cone spray injector)의 분열을 모사하기 위해 분열모델(Linearized Instability Sheet Atomization(LISA), Aerodynamically Progressed Taylor Analysis Breakup(APTAB)을 적용하였다. 침투깊이와 평균입도(Sauter Mean Diameter(SMD))를 통해 분열모델을 검증하였으며, LDI 연소기에 적용하여 이상유동특성을 분석하였다. 스월인젝터로 인해 Precessing Vortex Core(PVC)가 발생하였으며, 액적들이 PVC를 따라 미립화되는 것을 확인하였다. SMD 결과를 통해 PVC가 회전하는 영역의 외곽으로 즉, 빠른 속도 영역에 액적들이 분포하며, 스톡스수(Stokes number)는 1보다 작다.

Abstract ▼ AI-Helper

The analysis on two-phase flow in a Lean Direct Injection(LDI) combustor has been investigated. Linearized Instability Sheet Atomization(LISA) and Aerodynamically Progressed Taylor Analogy Breakup(APTAB) breakup models are applied to simulate the droplet breakup process in hollow-cone spray. Breakup model is validated by comparing penetration length and Sauter Mean Diameter(SMD) of the experiment and simulation. In the LDI combustor, Precessing Vortex Core(PVC) is developed by swirling flow and most droplets are atomized along the PVC. It has been confirmed that all droplets have Stokes number less than 1.0.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 LDI연소기의 동적 및 연소특성을 파악하기 전 hollow-cone spray를 모사하기 위해 LISA-APTAB[8] 모델을 in-house 코드에 적용하여 검증하였으며 이를 LDI연소기에 적용시켜 연소기내에서 발생하는 분무 및 유동특성을 분석하였다.
질소산화물을 줄이기 위한 방법은 대표적으로 두 가지가 있다. 첫번째로 가스터빈 연소기의 연소온도를 낮추는 것이고 두 번째로 연소영역에서의 국부적으로 고온을 갖는 영역을 없애주는 것이다. RQL과 LPP는 질소산화물을 줄이는데 효과적이지만 현재 시스템을 개선하여 변경하게 되면 연소기 설계와 해석을 다시 해야되는 단점이 있다.

제안 방법

2개의 케이스를 이용하여 환형분사를 모사하여 코드를 검증하였으며 각 케이스별 경계조건은 Table 1에 정리되어있다[3,4]. 인젝터의 홀직경, 분무각도 및 분산각도는 이스 1, 2 모두 동일하며 분무되는 압력은 케이스 1과 2는 4.
LDI 연소기에서의 액적 거동 및 유동특성을 분석하였다. 스월인젝터에서 역압력구배에 의해 발생하는 중심재순환영역과 인젝터에 부착된 축소-확대노즐에서 후향계단과 같은 효과로 인해 재순환영역이 발생하는 것을 확인하였다.
검은색 점은 실험결과를 나타내며 빨간색 선은 수치해석 결과를 나타낸다. 시간에 따른 침투깊이와 인젝터로부터 39mm 떨어진 지점에서의 SMD를 비교하였다. 비교결과 침투깊이는 유사한 경향을 보인다.
희박연료 직접분사(LDI) 연소기에 사용되는 환형분사기(hollow-cone spray injector)에서 분무되는 액적 거동과 LDI 연소기에서의 이상유동특성에 대해서 분석하였다.

대상 데이터

4와 같다[16]. 격자는 10개 중 1개만을 나타냈으며 총 셀 개수는 약 900만개를 이용하였다. 챔버의 크기는 가로, 세로 각각 50.
또한 인젝터와 챔버가 축소-확대노즐로 연결되어있다. 연소기와 연료인젝터의 작동조건은 Table 2에 요약되어 있으며 연료는 케로신(Kerosene)을 이용하였다.
01294kg/s로 Case 1보다 높다. 작동유체는 Solvent가 사용되었다.
격자는 10개 중 1개만을 나타냈으며 총 셀 개수는 약 900만개를 이용하였다. 챔버의 크기는 가로, 세로 각각 50.8mm, 길이 304.8mm이다. 60°의 각도를 가진 6개의 공기 스월러와 단일 환형분사 연료 스프레이로 구성되어 있으며 이는 Fig.

이론/모형

Hollow-cone spray에서 분무되는 액적을 모사하기 위해 LISA, APTAB 분열모델을 적용하였으며 검증하였다. 2가지의 검증 케이스를 이용하여 침투깊이와 SMD를 비교하였으며 실험과 유사한 경향을 보였다.
액체연료의 거동을 모사하기 위하여 Euler-Lagrangian method를 적용하였다. LDI에 적용된 환형분사기를 모사하기 위해 1차 분열모델로 LISA 모델[3-5]을 적용하였으며 2차 분열모델로 연소기의 작동조건에 맞는 APTAB 모델[7]을 적용하였다. 증발모델로는 Abramzon과 Sirignano 모델[15]을 이용하였으며 자세한 내용은 참고문헌을 참고하길 바라며 여기서는 LISA모델에 대해 간단히 설명하였다.
공간차분에 FVM기법을 이용하였으며 플럭스는 A dvection Upstream Splitting Method Pressure Weighted (ASUMPW+), reconstruction은 5차 Monotonic Upstream-Centered Scheme for Conservation Laws (MUSCL)을 적용하였다. 시간진전에는 3차 Total Variation diminishing(TVD) Runge-Kutta 방법을 이용하였다
난류 모사를 위한 전단응력 SGS모델은 dynamic Smargorinsky 모델[13,14]을 이용하였으며, 에너지항은 난류 Prandtl 수와 sgs 운동에너지에 대한 식으로 모델링되었으며 점성일과 화학종의 전달에 대한 항은 그 크기의 작음으로 인하여 무시하였다.
난류 유동의 지배방정식은 Favre-averaged 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 이용하였으며 가스상의 연료 모사를 위해 혼합분율을 이용한 전달방정식을 추가적으로 적용하였다[9-12].
공간차분에 FVM기법을 이용하였으며 플럭스는 A dvection Upstream Splitting Method Pressure Weighted (ASUMPW+), reconstruction은 5차 Monotonic Upstream-Centered Scheme for Conservation Laws (MUSCL)을 적용하였다. 시간진전에는 3차 Total Variation diminishing(TVD) Runge-Kutta 방법을 이용하였다
1.2 액체상
액체연료의 거동을 모사하기 위하여 Euler-Lagrangian method를 적용하였다. LDI에 적용된 환형분사기를 모사하기 위해 1차 분열모델로 LISA 모델[3-5]을 적용하였으며 2차 분열모델로 연소기의 작동조건에 맞는 APTAB 모델[7]을 적용하였다.
LDI에 적용된 환형분사기를 모사하기 위해 1차 분열모델로 LISA 모델[3-5]을 적용하였으며 2차 분열모델로 연소기의 작동조건에 맞는 APTAB 모델[7]을 적용하였다. 증발모델로는 Abramzon과 Sirignano 모델[15]을 이용하였으며 자세한 내용은 참고문헌을 참고하길 바라며 여기서는 LISA모델에 대해 간단히 설명하였다.

성능/효과

이를 통해 연료 액적들이 유동을 따라가는 것을 한 번 확인하였다. SMD 결과를 통해 대부분의 액적들이 높은 속도영역에 분포하는 것을 확인하였다. 이러한 분포가 나타난 이유는 액적에 힘이 속도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 작용하고 액적의 자유도 또한 낮아 유동 영향을 많기 때문이다.
x-z평면의 결과를 통해 LDI에 적용되는 hollow-cone 인젝터의 분무각도인 45°로 분무되는 것을 알 수 있으며 분무된 액적이 PVC를 따라서 분열 및 발달하는 것을 알 수 있다.
결과를 통해 환형분사의 물리적인 분열과정을 확인할 수 있다. 가장 큰 액적의 크기를 갖는 액막형성 과정, 공력불안정에 의해 형성된 액막이 ligament로 분열되는 과정 그리고 분열된 ligament들이 모액적으로 미립화되는 1차 분열과 매우 작은 액적으로 분열되는 2차 분열을 확인할 수 있다. 또한 Case 1과 2의 액적 분열 및 발달의 차이는 크지 않는 것으로 보인다.
실험에 적용된 조건에서 분무된 액적들은 모두 유동을 따라서 특히 스월인젝터에서 발생하는 PVC를 따라 미립화되었다. 또한 Stokes number를 이용하여 액적의 자유도를 판단하였으며 분무된 액적들은 모두 Stokes number가 1보다 작은 것으로 나타났다. 이를 통해 연료 액적들이 유동을 따라가는 것을 한 번 확인하였다.
LDI 연소기에서의 액적 거동 및 유동특성을 분석하였다. 스월인젝터에서 역압력구배에 의해 발생하는 중심재순환영역과 인젝터에 부착된 축소-확대노즐에서 후향계단과 같은 효과로 인해 재순환영역이 발생하는 것을 확인하였다. 실험에 적용된 조건에서 분무된 액적들은 모두 유동을 따라서 특히 스월인젝터에서 발생하는 PVC를 따라 미립화되었다.
실험과 수치해석 모두 인젝터의 확대노즐 출구에서부터 5mm, 15mm 떨어진 위치에서의 비연소결과이다. 실험결과와 수치해석결과가 5mm의 일부분을 제외하고 대부분영역에서 일치하는 것을 알 수 있다. 실험과 수치해석 결과가 가장 크게 차이나는 지점인 반경방향 10mm 부근은 실험에서 스월러 내부의 공기가 적절히 혼합되지 않아 비대칭적인 결과가 나왔다고 참고문헌에서 언급하였으며 다른 선행논문 또한 언급하였다[17].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈 설계에 필수적인 요소 중 하나는 무엇인가	환경과 인간의 건강에 대한 오염물질의 악영향 때문에 항공기에서의 오염물질은 항상 사회적 관심이다. 지난 수십 년 동안 항공기의 오염물질을 제한하는 규제가 계속해서 엄격해지고 있으며 이러한 이유로 현대 가스터빈의 오염물질 저감기술은 가스터빈 설계에 있어 필수적인 요소 중 하나이다. 사회적 문제와 규제에 발 맞춰 오염물질을 저감시키기 위해 여러 기술들이 제안되었으며 대표적으로 Rich burn/ Quick quench/Lean burn(RQL), Lean Premixed Prevaporization(LPP), Lean Direct Injection(LDI)가 있다.
	가스터빈의 오염 물질 저감 기술들은 무엇이 있는가	지난 수십 년 동안 항공기의 오염물질을 제한하는 규제가 계속해서 엄격해지고 있으며 이러한 이유로 현대 가스터빈의 오염물질 저감기술은 가스터빈 설계에 있어 필수적인 요소 중 하나이다. 사회적 문제와 규제에 발 맞춰 오염물질을 저감시키기 위해 여러 기술들이 제안되었으며 대표적으로 Rich burn/ Quick quench/Lean burn(RQL), Lean Premixed Prevaporization(LPP), Lean Direct Injection(LDI)가 있다.
	질소산화물을 줄이기 위한 대표적인 방법 두 가지는 무엇인가	질소산화물을 줄이기 위한 방법은 대표적으로 두 가지가 있다. 첫번째로 가스터빈 연소기의 연소온도를 낮추는 것이고 두 번째로 연소영역에서의 국부적으로 고온을 갖는 영역을 없애주는 것이다. RQL과 LPP는 질소산화물을 줄이는데 효과적이지만 현재 시스템을 개선하여 변경하게 되면 연소기 설계와 해석을 다시 해야되는 단점이 있다.

참고문헌 (18)

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원문보기 상세보기
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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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