[논문]H class급 가스터빈의 단일 노즐 성능에 대한 CONVERGE CFD 기반 수치 해석적 연구

김종현; 박정수

doi:10.5407/jksv.2019.17.2.067

[국내논문] H class급 가스터빈의 단일 노즐 성능에 대한 CONVERGE CFD 기반 수치 해석적 연구
Numerical study on single nozzle performances for H class gas turbine based on CONVERGE CFD 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.17 no.2, 2019년, pp.67 - 72

김종현 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University) , 박정수 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigate the non-reacting and reacting performance of single nozzle for post H class gas turbine by using commercial CFD tool, CONVERGE, based on adaptive mesh refinement. By varying swirl number and mixing length of base nozzle design. Through the numerical analysis, basic phenomena can be well described with respect to fuel concentration for non-reacting flow, temperature distribution, velocity vector and combustion outlet temperature distribution for reacting flow. However, there are rooms for improvements in model accuracy by comparing test results. Comparison between numerical analysis are planning for further study.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Single nozzle layout
표 Table 1. Boundary conditions and specifications for base single nozzle
그림 Fig. 2. Fuel concentration for non-reacting flow in each case
그림 Fig. 3. Temperature distribution at reaction zone w/ reacting flow for each case
표 Table 2. Parameters used for parametric study
그림 Fig. 4. Liner internal speed vector field for each case
그림 Fig. 5. Temperature contour at combustor outlet for each case
그림 Fig. 6. Averaged COT for each case
그림 Fig. 7. Pressure at combustor outlet for case 2

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구는 Mesh free기반의 CONVERGE^TM 프로그램을 이용하여 H class 이상급 대상 단일 노즐의 비반응 및 반응 유동 해석을 수행한 결과에 대한 것이다. 해석을 위해 간략한 설계 수식을 활용하여, H class 가스터빈용 연료 노즐의 초도 컨셉 결정을 통해, 단일 연료 노즐 해석을 수행하였다.
CONVERGE는 자동 격자 세분 화 기술(Adaptive mesh refinement)을 지향하며, 본래 용도는 내연기관과 같은 이동식 격자의 해석을 원활하기 위해 개발된 프로그램이다. 최근 가스터빈 연소기 연구 개발 활성화와 함께, 연소 해석 프로그램을 활용도가 증가하고 있으며, 본 연구에서는 CONVERGE CFD의 가스터빈 연소 해석 활용 가능성을 도출함과 동시에, H class 가스터빈 연소기의 단일 노즐 기초 성능을 파악하고자 하였다. CONVERGE CFD의 지배 방정식 및 해석 조건 등은 아래 절에 나타내었다.
본 연구에서는 상대적으로 저선회 영역에서의 연소기 연료 노즐에 대한 비반응 유동과 반응 유동 해석 결과에 대해 고찰해보았다. 대상의 가스터빈은 H class로 선정하여 수행하였고, 해석 프로그램은 자동 격자 세분화 기법 기반의 CONVERGE CFD를 활용하여, 빠른 해석 시간 확보를 지향하였다.

가설 설정

연료 분사방식은 주입되는 공기와 수직으로 분사되는 Jet in Cross 방식을 채택하였다. Nozzle끝단에 Heat source를 가정하였으며, 연료-공기 혼합물이 Liner내부영역에서 연소반응이 일어나도록 구성하였다.

제안 방법

프로그램을 이용하여 H class 이상급 대상 단일 노즐의 비반응 및 반응 유동 해석을 수행한 결과에 대한 것이다. 해석을 위해 간략한 설계 수식을 활용하여, H class 가스터빈용 연료 노즐의 초도 컨셉 결정을 통해, 단일 연료 노즐 해석을 수행하였다. 변수로는 Swirler angle, Mixing length를 선정하였고, 총 세개의 Case에 대해 해석을 진행하였다.
해석을 위해 간략한 설계 수식을 활용하여, H class 가스터빈용 연료 노즐의 초도 컨셉 결정을 통해, 단일 연료 노즐 해석을 수행하였다. 변수로는 Swirler angle, Mixing length를 선정하였고, 총 세개의 Case에 대해 해석을 진행하였다. 이를 바탕으로 비반응 유동 및 반응 유동에 대한 기초 해석 결과를 분석하였다.
변수로는 Swirler angle, Mixing length를 선정하였고, 총 세개의 Case에 대해 해석을 진행하였다. 이를 바탕으로 비반응 유동 및 반응 유동에 대한 기초 해석 결과를 분석하였다.
Subgrid 격자의 scalar값을 추정하고 CONVERGE 사용자가 지정한 subgrid의 scalar 임계값을 초과할 때 세분화를 추가하는 방식을 사용한다.
Arrhenius equation을 기반으로 한 CFD 연소해 석 모델로 각 time-step에 따른 Cell에서의 질량분율을 계산한다
본 연구에 사용된 Base 노즐 형상 및 제원을 Table 1에 표시되어있다. Base 노즐은 Combustor loading factor(or heat loading factor)와 Combustion loading parameter(CLP)에 근거하여, 단순 계산을 통해 컨셉을 도출하였다.
Table 2는 해석 수행을 위해 선정된 변수들을 나타낸다. 간단한 변수 변화를 통해 연료의 혼합 도 및 연소 성능에 미치는 영향을 파악하였다. 또한, 단일 노즐 연소부 출구에서의 연소 출구 온도 (Combustor outlet temperature, COT)를 분석하였으며, 이는 향후, 터빈 입구 온도 (Turbine inlet temperature, TIT)와 밀접한 연관이 있다.
간단한 변수 변화를 통해 연료의 혼합 도 및 연소 성능에 미치는 영향을 파악하였다. 또한, 단일 노즐 연소부 출구에서의 연소 출구 온도 (Combustor outlet temperature, COT)를 분석하였으며, 이는 향후, 터빈 입구 온도 (Turbine inlet temperature, TIT)와 밀접한 연관이 있다. 또 한, 터빈 블레이드의 내구성에 영향을 미치는 Pattern factor에 영향을 미친다.
본 연구에서는 상대적으로 저선회 영역에서의 연소기 연료 노즐에 대한 비반응 유동과 반응 유동 해석 결과에 대해 고찰해보았다. 대상의 가스터빈은 H class로 선정하여 수행하였고, 해석 프로그램은 자동 격자 세분화 기법 기반의 CONVERGE CFD를 활용하여, 빠른 해석 시간 확보를 지향하였다.

이론/모형

본 연구에 사용된 CFD 상용 프로그램은 CONVERGE이다. CONVERGE는 자동 격자 세분 화 기술(Adaptive mesh refinement)을 지향하며, 본래 용도는 내연기관과 같은 이동식 격자의 해석을 원활하기 위해 개발된 프로그램이다.
유체해석은 일반적인 고체해석과는 달리 정해 져 있는 형태가 없으므로 흔히 사용하는 고정 좌표계에서 불가능하다. 따라서 뉴턴의 F=ma를 점성을 가진 유체 해석 방식을 재정리한 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다.
난류 유동 조건에 대한 평균 유동 특성을 시뮬레이션 하기 위하여 k-epsilon난류 모델을 사용하였다. k-epsilon난류모델의 기본 가정은 난류 점도가 isotropic일 때 사용한다.
GRI-3.0 mechanism^[5]은 메탄 기반 연료의 연소에 적합하며 53종의 화학종과 함께 325개의 기본 반응을 포함하고 있으며 NO_x의 형성 및 재연을 화학적으로 모델링 하기 위하여 GRI-3.0 mechanism을 사용하였다.
Nozzle casing 내부에 Nozzle과 Swirler로 구성하였다. 연료 분사방식은 주입되는 공기와 수직으로 분사되는 Jet in Cross 방식을 채택하였다. Nozzle끝단에 Heat source를 가정하였으며, 연료-공기 혼합물이 Liner내부영역에서 연소반응이 일어나도록 구성하였다.

성능/효과

5는 연소부 출구의 온도 분포를 이미지화 한 것이다. 각 Case별 파라미터 조건에 따라 연소부 출구의 온도분포가 달라지는 것을 확인할 수 있으며 비반응 유동해석결과 혼합도가 가장 좋은 Case 2의 온도 분포가 균일한 것을 볼 수 있었다. 또한 화염의 형상이 치우쳐 있는 Case 1, 3는 온도분포가 비교적 균일하지 않는 것을 볼 수 있다.
3%의 압력 강하를 나 타낸다. 통상, 연료 노즐 입구부터 연소기 출구 까지의 압력강하를 5% 이내로 고려해야 함을 감안하면, 높은 압력 강하를 나타내었다. 이는 상대적으로 강선회(High swirl) 구현 및 Aspect ratio 그리고 cylindrical factor등이 고려되어야 함을 시사하는 결과이다.
해석 결과, 선회 현상과 혼합 현상에 따른 비 반응 및 반응 유동의 물리적 현상 경향성이 대 체적으로 합리적인 범위에서 도출될 수 있었다. 하지만, 아직 다양한 변수를 고려한 해석이 진행된 상태가 아니기 때문에 보다 심도 있는 결과 도출이 필요하다.

후속연구

Case 2는 상대적으로 높은 혼합도로 인해 Case 1에 비해 낮은 COT를 보였다. 이는 연소기 반응 영역의 Aspect ratio를 포함 한 형상 변수 최적화, Mixing length, Swirler angle, 위치 등을 포함한 Swirler 최적화 및 Fuel injection trajectory, Fuel staging을 연료 분사 전략 최적화, 당량비 최적화 등에 대한 고려를 하지 않은 기본 해석 결과에 해당되며, 향후 해당 변수들에 대한 심도 있는 고찰을 통해 H class 및 post H class에 해당하는 TIT 구현이 가능하도록 결과를 제시할 계획이다.
향후, Swirler, Confined ratio, Aspect ratio를 포함한 연소기 형상 관련 인자 및 연료 분사 전략 최적화를 통해, 활용 가능한 연료 노즐의 개념 설계 결과를 도출할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CONVERGE란?	본 연구에 사용된 CFD 상용 프로그램은 CONVERGE이다. CONVERGE는 자동 격자 세분 화 기술(Adaptive mesh refinement)을 지향하며, 본래 용도는 내연기관과 같은 이동식 격자의 해석을 원활하기 위해 개발된 프로그램이다. 최근 가스터빈 연소기 연구 개발 활성화와 함께, 연소 해석 프로그램을 활용도가 증가하고 있으며, 본 연구에서는 CONVERGE CFD의 가스터빈 연소 해석 활용 가능성을 도출함과 동시에, H class 가스터빈 연소기의 단일 노즐 기초 성능을 파악하고자 하였다.
	독자 노 즐 확보는 어떤 역할을 할 것 인가?	현재, H class 이상급 달성을 위한 독자 노즐 확보를 위해 기존의 강선회가 아닌 저선회 노즐을 통한 부상 화염 달성 혹은 신연소 기술을 기반으로 성능과 환경을 동시에 만족하려는 노력이 진행되고 있다. 이를 통한 독자 노 즐 확보는 결국, 가스터빈 기술 내재화의 견인차 역할을 할 것으로 판단된다.
	Mesh free CFD로의 패러다임 전환은 CFD 해석의 무엇을 해결하기 위함인가?	연소 해석의 관점에서, 연소기 Sizing부터 Multi can 조건에서의 연소 불안정성 해결까지, 공력 설계, 1D 해석, CFD 해석 등 다양한 수치적 접근이 통합적으로 활용되어 왔으며, 특히, 연소기 성능에 지배적인 영향을 미치는 연소 해석을 위해 다양한 CFD 해석 기법 즉, RANS, uRANS, LES, DNS 등의 해석 기법들이 적용되어 왔다. [3] 하지만 CFD 해석의 특성상, 격자 의존도가 격자 생성에 소요되는 시간이 상당하다. 최근, 이러한 문제를 해결하기 위해, Mesh free CFD로의 패러다임으로 전환되고 있으며, Mesh free 기반의 해석 정확도에 대한 연구 결과들이 다양하게 소개되고 있다.

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증