[논문]발전용 희박예혼합 가스터빈 연소기 내부유동 특성 해석

정재화; 서석빈; 안달홍; 김종진

문제 정의

여기서는 앞에서 생성한 계산격자와 경계조건을 사용하여 연료 노즐 및 연소기 내부의 유동특성올 전산해석한 결과를 설명하고자 한다.

가설 설정

2 번 연료(2ry gas)공급라인과 3번 연료(3ry gas)공급라인에 연결되는 두 종류가 있으므로 Table 1 의 연료조건을 사용하여 두 경우를 각각 따로 계산하였다., 압력과 온도 계산조건으로 연료노즐내부와 연소기의 평균압력은 1.5 MPa, 노즐 입구의 온도는 383℃로 가정하여 계산에 필요한 물성치들을 설정하였다.

제안 방법

해석하였다. 1개의 FBR 노즐에는 스월 vane, 연료 분사 spoke, faring vane 이 축대칭으로 각각 10개씩 배치되어 있으므로 사이클 경계조건(cyclic boundary condition)올 적용하여 노즐을 원주 방향으로 10등분 하여 그 10분의 1을 계산영역으로 선정하였다. Fig.
본 연구에서는 GE7FA 가스터빈 연소기의 5개연료분사 노즐을 포함한 연소기 형상의 계산격자를 섕성하여 내부 유동과 연료 노즐의 가스연료혼합과정을 해석하였다. 본 유동해석 결과로부터대형 발전용 회박 예혼합연소기에.
연결된 연료의 일부도 공기와 함께 예혼합되어 노즐하부에서 유입된다. 스월 vane의 상부에 있는 연료분사 spoke에서는 총 4개의 관통 구멍을 통하여 메탄연료가 분사되는 것으로 계산 경계조건을 설정하였다. 연료분사 spoke에서 분사되는 연료양은.
연료노즐은 Geneal Electee사에서 최근에 개발하여 서인천 복합화력발전소에 적용한 FBR (flash back resistance) 노즐에 대하여 유동 및연료분사과정올 해석하였다. 1개의 FBR 노즐에는 스월 vane, 연료 분사 spoke, faring vane 이 축대칭으로 각각 10개씩 배치되어 있으므로 사이클 경계조건(cyclic boundary condition)올 적용하여 노즐을 원주 방향으로 10등분 하여 그 10분의 1을 계산영역으로 선정하였다.
연료와 공기의 혼합과정을 계산하기 위하여 연료는 순수한 亩탄으로 가정하여 CH%, 02, M의 3 가지 화학종을 고려하여 노즐내부에서 농도분포변화를 예측하였다.
연소기 해석에는 5개의 노즐 팁 부분과 연소기라이너, T/P(transition piece)를 포함하여 유동특성을 3차원으로 해석하였다. Fig.
연소기 내부유동을 해석하기 위해서는 노즐입구 부분에서의속도 경계조건(축방향 속도 및 스월 속도)을 설정하여야 한다. 이를 위해서 연료노즐의 전산해석 결과로부터 구한 평균 회전수를 사용하여 5개노즐에 대한 스월의 경계조건으로 사용하였다.
본 유동해석 결과로부터대형 발전용 회박 예혼합연소기에.채택하고 있는 1개의 연소기 캔에 여러 개의 스월 노즐이 장착되어 있는 연소기 내부에서의 3차원 유동특성올 파악하였고, 연료 노즐의 스월 생성과정 및 연료혼합 특성을 예측할 수 있었다.
희박 예 혼합 연소방식을 채택하고 있는 발전용 GE7FA 가스터빈에서 5개 연료 분사 노즐을 포함한 연소기 전체를 계산영역으로 설정하여 내부의속도분포 및 노즐에서의 가스연료 혼합과정을 3 차원으로 해석하였다. '본 전산해석을 통하여 얻은 결론들을 항목별로 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

4mm, T/P와 연결 부위는 내경 356 mm 로 설정하였다. Fig. 4에서 계산격자수는 총 84, 150개(45 X 34 X 55)가 사용되었다. 연소기 내부유동을 해석하기 위해서는 노즐입구 부분에서의속도 경계조건(축방향 속도 및 스월 속도)을 설정하여야 한다.
1은 실제 전산해석에 사용한 FBR 노즐의 계산영역을 보여주는 그림이다. 계산 영역은' 총길이4mm, 외경 127mm이며, 노즐 팁의 직경은 57mm이다. 스월 vanee 노즐 하부에 위치해 있고 강한 스월을 생성시키기 위하여 삼차원 곡면형상으로 되어 있다.
4는 연소기의계산격자를 보여주는 그림이며, 5개의 노즐팁 위치, 라이너, T/P의 위치가 각각 표시되어 있다. 계산영역은 노즐캡 assembly 상면에서 T/P 끝까지 전체 길이를 1, 340mm로 설정하였고, 연소기에서 라이너는 길이 850 mm, 노즐 캡 부위의 내경을 406.4mm, T/P와 연결 부위는 내경 356 mm 로 설정하였다. Fig.
본 연구는 서인천 복합화력 발전소에 설치되어있는 희박 예 혼합 연소방식의 GE7FA기종(1) 가스터빈 연소기를 대상으로 하였다. 서인천 복합화력 발전소는 시설용량 1, 800 MW로 1997년 7 월 준공하여 현재 경인 지역 첨두부하를 담당하고 있다.

이론/모형

.가■능한 RSM(Reynolds Stress Model)이 적용되었고, 전체적인 방정식의해법으로는 SIMPLEC 알고리듬이 적용되었다. 계산에 필요한 격자는 GEOMESH code<7)« 사용하여 생성하였다.
본 연소기 내부 유동 해석에는 연속방정식, 운동량 보존식, 에너지 보존 식을 포함한 3차원 압축성 Navier-Stokes 방정식을 유한체적법으로 해석하는 FLUENT code⑹를 사용하였다. 해석에사용한 지배방정식은 다음과 같이 tensor 형태의편미분 방정식으로 표현된다.

성능/효과

1. FBR 노즐의 전산해석 결과에서 스월 vane 과 연료 spoke 상부에 설치된 fairing vane을 통과하면서 강한 스월이 생성되는 것을 확인하였으며, 이때 노즐 팁 부위에서 생성된 스월 강도는무차원 스월수로 약 0.78이었다.
2. 연소에 중요한 영향을 미치는 노즐내부에서의 공기와 연료 혼합과정올 세부적으로 파악할수 있었으며, fairing vane 상부에서부터 강한스월의 영향을 받아서 연료가 빠른 속도로 혼합되어 FBR 노즐 팁 상부에서는 연료와 공기가 거의 균일하게 혼합되는 것이 예측되었다.
3.연소기 입구의 5개 노즐을 통과하여 연소기의 라이너에 도입된 혼합기의 속도는 매우 불균일하고, 재순환 영역이 존재하는 복잡한 형태의유동분포를 보였으며, 라이너 내부를 통과하면서점차로 스월 유동에 의한 원심력의 영향으로 연소기의 벽 근처에서 속도의 절대 값이 커지는 경향을 보였다.
4.연소기 내부의 스월 유동은 노즐팁 근처에서는 연소기외 측에는 시계회전 방향으로, .내측에는 반시계회전방향으로 형성되었으나, 유동이연소기 내부를 통과하면서 내측에 형성된 스월속도 성분은 점차 약해지면서 사라지고 T/P에서는 연소실 외측에 형성된 시계회전방향의 스월유동만이 유지되는 것을 발견할 수 있었다.
연소기 내부의 스월 유동은 노즐팁 근처에서는 연소기외 측에는 시계회전 방향으로, .내측에는 반시계회전방향으로 형성되었으나, 유동이연소기 내부를 통과하면서 내측에 형성된 스월속도 성분은 점차 약해지면서 사라지고 T/P에서는 연소실 외측에 형성된 시계회전방향의 스월유동만이 유지되는 것을 발견할 수 있었다.
12는 라이너와 T/P가 연결되는 단면에서의 속도벡터를 보여주며 내부의 반시계 회전방향의 작은 스월 유동은 소멸되고, 외측의 시계 회전 방향의 스월 유동만이 유지되고 있음을 볼 수 있다. 따라서 연소기 내부에서 스월속도분포는 노즐 팁 근처에서부터 T/P에 이르기까지 복잡한 양상을 보이면서 변화하는 것을 알수 있었다.
노즐 내부의 연료 spoke 주변에서는 원주방향으로속도 변화가 크고, 노즐팁(그림의 좌측편)으로 갈수록 스월 유동의 원심력 효과에 의해서 빠른 속도영역이 노즐 중심에서 바깥쪽으로 치우친다. 속도분포는 fairing vane 상부와 노즐 팁 상부 중간에서부터 그 형태가 변하지 않고 거의 일정하게 유지되는 것을 알 수 있었다.

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