Effect of the Unmixedness of Fuel and Air on the Pressure Fluctuations in a Model Gas Turbine Combustor

연료와 공기의 혼합정도가 모델 가스터빈 연소기내의 압력변동에 미치는 영향

홍정구

^†

Effect of the Unmixedness of Fuel and Air on the Pressure Fluctuations in a Model Gas Turbine Combustor

Jung Goo Hong and Hyun Dong Shin

Key Words :

Abstract

Combustion instability is a serious obstacle for the lean premixed combustion of gas turbines, and can even cause fatal damage to the combustor and the entire system. Thus, improved understanding of the mechanisms of combustion instability is necessary for designing and operating gas turbine combustors. In this study, in order to understand the instability phenomena, an experimental study was conducted in a rearward- step dump combustor with LPG and air. The fluctuations of pressure and heat release were measured by piezoelectric pressure sensor and High speed Intensified Charge Coupled Device (ICCD) camera respectively.

Various types of combustion modes occurred in accordance with the equivalence ratio and the fuel supplying conditions. The unmixedness of the fuel and air can be controlled by changing the mixing distance (L fuel ). It is found that the unmixedness of the fuel and air affects the characteristics of flame behavior and pressure fluctuations in a lean premixed flame.

기호설명 P’ : 압력 변동 (kPa)

L fuel : 연료와 공기의 혼합길이

1. 서 론

난류희박 예혼합 화염을 이용한 가스터빈 연소기에서 발생되는 연소 불안정성에 관해 많은 연구자들에 의해 다양한 방법으로 연구되어 왔다.

하지만 , 많은 연구결과에도 불구하고 연료와 공기의 혼합정도에 대한 연구결과는 그 중요성에

비해 쉽게 찾기 어려웠다 ^(1-4) . 실제 사용되고 있는 발전용 가스터빈 연소기에서는 연료와 공기의 혼합방식이 미리 혼합된 예혼합 형태를 사용하기 보다는 연소실로 들어가기 바로 직전에 연료를 공기 유동에 분사하여 혼합하는 방식을 사용하는 경우가 대부분이다. Lieuwen 과 Zinn ^{(5, 6)} 은 연료와 공기의 혼합이 일어나는 부분의 혼합길이와

연소기 입구의 음향학적 경계조건이 연소

불안정성에 영향을 미친다는 시간지연모델 (Time Lag Model)을 이론적으로 정립하였다. 하지만, 연료 분사조건과 연소기 입구의 음향학적 경계조건을 바꿔야 하는 실험장치의 여러 가지 제약 때문에 이에 부합하는 실험적 결과를 명확하게 보이지 못했다는 한계를 가지고 있다.

Seo ⁽⁷⁾ 는 연료와 공기가 혼합되는 방법과 과정 그리고 , 혼합된 정도를 고려하여 그 차이를 살펴본 바 있다. 이렇게 가스터빈 연소기에서

† 한국과학기술원 대학원 기계공학과 E-mail : [email protected]

TEL : (042)869-3057 FAX : (042)869-8820 * 한국과학기술원 기계공학과

2 연료와 공기의 혼합정도가 압력변동에 영향을 줄 수 있다고 보고되고 있지만, 그 정량적인 관계를 도출하지는 못하였다.

이에 본 연구는 덤프형태의 모델 가스터빈 연소기를 사용하고, 연소실 바로 직전에서 공기 유동쪽으로 연료를 분사하는 부분 예혼합(partially premixed) 방법으로 실험장치를 구현하였다. 또한, 하류의 압력변동에 영향을 받지 않는 초우크 연료유동 (choked fuel flow) 조건과 압력변동에 영향을 받는 언초우크 연료유동 (unchoked fuel flow) 조건으로 구별하여 실험함으로써 열발생률 변동을 초래하는 당량비 변동 가운데 연료와 공기의 혼합정도 (unmixedness)에 의한 당량비 변동이 연소 불안정성에 어떤 영향을 미치는지를 밝히고자 한다.

2. 실험장치 및 방법

Fig. 1 은 Hong ^(8-10) 의 연구에 사용된 덤프형태의 모델 연소기와 실험장치를 보여주고 있다. 열- 음향 불안정성을 재현성있게 발생시킬 수 있는 실험실 스케일의 연소기를 제작하였고, 그 형상은 후방확대 덤프연소기로 덤프면(dump plane)을 기준으로 아래의 버너 부분과 위쪽으로 석영관 (내경: 80 mm, 높이: 700 mm, aspect ratio: 8.75)에 의해 가시화된 연소실 부분으로 나눌 수 있다 ^(8-10) .

Swirler

L=700mm

Air Air

Fuel Fuel

L _fuel 22mm

20mm 3mm

7mm

D=80mm

P(8) P(5) P(4) P(3) P(2) P(1) Pressure

sensor

Fuel Air

MFC Mixing chamber Combustion chamber, L/D=8.75

Signal conditioner

HICCD A/D converter

PC r

x

Fig. 1 Schematic of the experimental apparatus. Ref. (8-10)

Mass Flow Controller (MFC)에 의해 공기, 연료가 각각 조절되어 버너로 공급되고, 연료는 연료 분사구 (fuel injection holes)에서 분사되며, 공기와 혼합되는 혼합거리 (L fuel )를 거친 후, 스월러 (swirler)를 통해 연소실내로 투입된다. 여기서 사용된 스월각도 (swirl angle)는 45°이다.

덤프면에서 상용프로판 (LPG)/공기의 혼합기체의 당량비를 줄여가면서 화염의 형태를 디지털 카메라와 고속카메라 (HICCD)로 촬영하고, 그 때의 음압 (acoustic pressure) 신호를 측정하였다.

연소실 내의 동압력 변동 (dynamic pressure fluctuation)은 압력 센서 (piezoelectric pressure sensor, PCB Model 106B)를 통해 P(5) 지점에서 측정하였다 ^(8-10) .

ND-YAG laser

Dye laser (566nm)

Frequency Doubler

532nm(500mJ/pulse) Beam dump

ICCD camera (512*512) Image processing

& control

Cylindrical lens (f=50mm)

Convex lens (f=500mm) Interference

filter

Timing generator

OH LIF: 283.01nm Acetone LIF: 283nm

Pressure signal

Fig. 2 Schematic of OH LIF / acetone LIF measurements (Acetone seeding in fuel side for acetone LIF)

화염대 가시화와 연소실 입구의 연료 농도 분포를 알아보기 위해 OH Laser Induced Fluorescence (LIF)와 아세톤 (acetone) LIF 를 수행하였다 . Fig. 2 에서 보듯이, LIF 여기(excitation) 레이저 펄스 (laser pulse)는 532nm 의 second harmonic Nd-Yag 레이저를 사용하고, 다이 레이저 (dye laser)와 주파수 증배기 (frequency doubler)에 의해 OH 의 Q 1 6 라인 (A ² ∑ ⁺ ÅX ² ∏ ⁺ , λ=

283.01nm)으로 입사 레이저의 파장을 조정하였다.

이렇게 조정된 레이저는 실리더리컬 렌즈

(cylindrical lens, f=50mm)와 볼록 렌즈 (convex lens, f=500mm)를 사용하여 시험부에 레이저 라인 (laser line)을 만들었다. 그리고 여기된 LIF 신호는 UG- 11 과 WG-305 필터를 거쳐 300~350nm 범위의 신호를 얻는다. 간섭된 신호는 512×512 ICCD

카메라를 이용하여 취득되게 된다 . 연소실

3 입구에서의 연료 농도 분포에 대한 정보를 얻기 위해 아세톤 레이저 형광신호를 이용하였다.

아세톤은 물리적 특성 (diffusion coefficients)이 프로판과 비슷하여 프로판의 대부분이 LPG 연료를 사용하는 본 실험에서 연료의 거동을 알아 볼 수 있는 유용한 입자이다. 아세톤 LIF 신호는 280~290nm 파장대의 레이저 빔에 의해 최대의 형광신호가 생성되기 때문에 Nd-YAG laser, 다이

레이저 그리고 , 주파수 증배기를 이용하여

283nm 의 레이저 광을 생성하였다. 이렇게 생성된

레이저 광은 볼록렌즈를 거쳐 실험부인

덤프면에서 2~45 mm 위쪽에 위치하도록 하였다.

형광신호 획득을 위해 ICCD 카메라 렌즈에 중심파장이 450.14 nm 이고, 10% band width 가 12.21 nm 인 밴드패스필터 (band pass filter)를 장착하였고, 레이저 펄스광에 동기하여 영상을 획득하였다 .

3. 실험결과 및 고찰

3.1 화염의 형태

당량비(Ø)를 1 에서부터 0.42 까지 변화시키며 화염의 진동모습이나 부착지점과 같은 화염 전체적인 특징의 변화를 관찰하여, 서로 다른 특성을 보여주는 대표적인 4 가지 모드(mode)를 관찰할 수 있었다 ^(8-10) .

Low High

0.00 0.05 0.10

-6 -3 0 3 6

0 100 200 300 400 500

0 1 2

Pressure fluctuation, P' [kPa]

Time [s]

Frequency (Hz)

Amplit ude 200Hz (a)

(b)

(c)

5ms

Fig. 3 Flame behavior of mode 1 in the case of unchoked fuel flow condition (Ø=0.64, L fuel =285mm): (a) Pressure signal and FFT, (b) HICCD images, (c) OH LIF images

Fig. 3 은 언초우크 조건에서 당량비 0.64, L fuel 이 285mm 일 때 모드 1 의 압력 변동 특성과 OH LIF images 및 고속 카메라를 통해 얻은 연속사진이다.

그림 3(a)에서 보는 바와 같이 200Hz 연소실내의 압력 변동을 보이고 있고, 한 주기에 해당되는 5ms 동안 화염은 그림 3(b)에서 보는 바와 같이 연소실의 덤프면으로부터 80mm 이내 존재함을 알 수 있다. 모드 1 에서 OH LIF 이미지를 보면 알 수 있듯이 반응지역이 덤프면 근처에 집중되어 있고 주기적인 화염 소염 (extinction)과 재부착 (reattachment)의 과정이 반복적으로 일어남을 알 수 있다.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

-9 -6 -3 0 3 6

0 100 200 300 400 500

0.0 0.3 0.6 0.9

Pressure fluctuation, P' [kPa]

Time [sec]

Frequency (Hz)

Amplitude

[I]

[II]

(a)

5msec 50msec

Low High

[I]

(b) [II]

For 5msec

For 50msec

Low High

Fig. 4 Flame behavior of mode 2 in the case of unchoked fuel flow condition (Ø=0.55, L fuel =285mm): (a) pressure signal and FFT, (b) HICCD images and OH LIF images in noisy (I) and silent (II) period, respectively

Fig. 4 는 당량비 0.55 로 감소시킬 때 (모드 2) 압력 변동 특성과 OH LIF 이미지 및 고속 카메라를 통해 얻은 연속사진을 보여준다.

Fig. 4(a)에서 보는 바와 같이 연소실내의 압력

변동은 크게 (I) period 와 (II) period 로 구분할 수

있는데 (I)의 noisy period 에서는 최대 peak to peak

pressure fluctuation 이 약 10kPa 정도로 Fig. 3(a)의

모드 1 에서의 압력 변동값과 비슷한 수준이다.

4 (II)의 silent period 에서는 압력 변동값이 매우 작은 값으로 감소한다. noisy period 와 silent period 가 약 10Hz 의 주기가 반복적으로 발생한다.

Fig. 4(b)에서 볼 수 있듯이 noisy period 의 5ms 동안 화염의 거동은 모드 1 과 유사하게 연소실의 덤프면으로부터 80mm 이내에서 화염의 소염과 재부착이 일어나고, silent period 의 50ms 동안 화염의 거동은 연소실의 덤프면으로부터 200mm 이상 하류까지 화염이 넓게 존재한다 ^(8-10) .

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Mode 3 Mode 4

0 0.1 0.2

Pressure fl u ct u at io n, P' [kP a]

Time [s]

(a) Mode 3 (Ø = 0.50)

(b) Mode 4

(Ø = 0.44) (c) Pressure signal of modes 3 and 4 in time

Fig. 5 Flame shapes and pressure fluctuations signal of modes 3 and 4 in the case of unchoked fuel flow condition (L fuel = 285 mm)

Fig. 5 는 당량비를 각각 0.50, 0.44 하여 모드 3 과 모드 4 의 압력 변동 특성과 노출시간 (1sec)을 길게 하고 찍은 사진이다. 시간에 따라 압력 변동 의 크기는 Fig. 5 (c)에서와 같이 매우 작고, 화염의 형태는 Fig. 5 (a), (b)와 같이 주기적인 변동 없이 일정하게 유지됨을 관찰할 수 있다. 모드 4 의 경 우 대부분의 화염이 덤프면으로부터 250mm 이상 떨어진 곳에 존재하는 lift off 화염이다 ^(8-10) .

3.2 연료와 공기의 혼합정도의 영향

Fig. 6 (a), (b), (c)는 L fuel 을 변화시켜 연료와 공기 의 혼합정도를 알아본 결과이다. 레이저 라인(laser line)을 덤프면으로부터 위쪽방향으로 x=2mm, 15mm, 30mm, 45mm 에 위치시키고, 그 때의 아세 톤 강도 (acetone intensity)를 보여주는 이미지를 얻 을 수 있다. (c)에서 볼 수 있듯이 혼합실 (mixing chamber)를 사용한 완전 예혼합 조건일 경우, 연소 실의 반경방향과 길이방향 모두 균일한 아세톤 강

도가 나타났고, 혼합거리와 시간이 가장 짧은 (a) L fuel 이 94mm 인 경우, laser line 이 덤프면으로부터 위쪽방향으로 2mm 일 때 미연 혼합기가 나오는 연소실 입구 위치(r/D = ±0.15)에서 아세톤 강도 가 가장 높게 나타났고, 덤프면으로부터 위쪽방향 으로 멀어질수록 그 강도가 약해짐을 관찰할 수 있다 . Fig. 6 (d)는 레이저 라인이 덤프면으로부터 위쪽방향으로 2mm 위치에 있을 때 L fuel 을 변화시 켜감에 따라 최대 아세톤 강도를 알아본 것이다.

L fuel 이 연소실에서 가장 가까운 94mm 에서 완전 예혼합 조건까지 증가시킴에 따라 최대 아세톤 강 도는 감소하게 되고, L fuel 이 285mm 이상일 경우 완전 예혼합 조건과 차이가 거의 없음을 확인할 수 있다 ^(8-10) .

0 1000

Index of intensity

x = 2 mm 45 mm 30 mm 15 mm

-0.50 r/D

-0.25 0 0.25 0.50 (a) L

= 94 mm

x = 2 mm 45 mm 30 mm 15 mm

-0.50 r/D

-0.25 0 0.25 0.50 (b) L

= 285 mm

r/D x = 2 mm

45 mm 30 mm 15 mm

-0.50 -0.25 0 0.25 0.50 (c) Fully premixed with a mixing chamber

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0.86

0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00

Max imum inte nsit y of aceto ne [AUx 10

]

L

[mm]

fully premixed

(d) Maximum intensity of acetone at x = 2 mm

Fig. 6 Radial distributions of acetone LIF signal according to axial positions and the maximum intensity at x=2mm according to L fuel .

Fig. 7 (a)는 당량비를 0.64 로 고정한 후, 초우크 조건일 때 L fuel 을 변화시켜감에 따라 압력 변동의 크기와 최대 압력일 때 고속 카메라로 촬영한 화 염 이미지를 나타내고 있다.

Fig. 7 (b)는 최대 압력일 때 화염의 OH* 자발광

(chemiluminescence)를 나타내고 있다. 그림에서 알

수 있듯이 L fuel 이 작을수록 혼합 거리 즉 혼합 시

간이 충분하지 못하여 확산 화염에 가까운 모습을

보이며 열발생의 세기 또한 작아지는 모습을 볼

수 있다. 반대로 L fuel 이 충분하여 예혼합 화염에

가까이 갈수록 열발생이 증가하고 압력 변동의 세

기 또한 증가한다.

5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

12 φ

P eak to pe ak p res s u re fluc tuatio n [kPa]

L

[mm]

fully premixed

unmixedness

φ

Direct photography of a non-premixed flame (L

= 0 mm)

(I)

p’

(a) Pressure fluctuations

0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90

0 50 100 150 200 250 300 fully premixed L

[mm]

N orm aliz ed OH * C hem ilum ine sc enc e [AUx10

]

p’

(b) Normalized OH* chemiluminescence

Fig. 7 Pressure fluctuations and normalized OH*

chemiluminescence in the choked fuel flow condition / the fully premixed condition (Ø = 0.64)

Fig. 8 은 언초우크 조건일 때 L fuel 에 따른 압력 변동 및 OH* chemiluminescence 의 세기를 보여준 다. 비록 연소실 내로 투입하는 당량비는 동일한 조건이지만 , L fuel 에 따라 연료와 공기의 혼합정도 가 불균일하기 때문에 고속 카메라로 촬영한 화염 이미지에서 보듯이 화염의 자발광도 상대적인 차 이를 보이고 있다. 또한 L fuel 에 따른 압력 변동의 크기에도 상대적인 차이를 계측할 수 있는데, 이 는 연료와 공기의 공간적인 혼합정도 영향에 기인 한다고 볼 수 있다. 초우크 조건과 비교할 때 L fuel

의 변화에 대해서는 조금 둔감하지만 압력 변동의 세기는 조금 더 큼을 알 수 있다.

50 100 150 200 250 300 350 400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

12 φ =0.64

Pea k to p eak pre ssure fluctua tion [kPa]

L

[mm]

unmixedness

φ p’

(a) Pressure fluctuations

50 100 150 200 250 300 350 400

0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90

Normali z ed OH* Chem ilum ines cence [AU x 10

]

L

[mm]

p’

(b) Normalized OH* chemiluminescence

Fig. 8 Pressure fluctuations and normalized OH*

chemiluminescence in the unchoked fuel flow condition (Ø = 0.64)

4. 결 론

본 연구는 열발생률 변동을 초래하는 원인 가운데 연료와 공기의 혼합정도 (unmixedness)가 연소 불안정성에 어떤 영향을 미치는지를

밝히고자 실험실 스케일의 모델 연소기를

제작하여 상용프로판/공기의 난류희박 예혼합 연소를 통해 연소진동 모드를 구현하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

혼합실을 사용한 완전 예혼합 조건일 경우 부분

예혼합 조건에 비해 연소실내의 공간적인 연료

분포가 균일한 상태가 존재하기 때문에 순간적인

열발생이 일어나게 되고 화염의 자발광의 강도도

6 상대적으로 크고, 압력 변동의 크기도 높게 나타난다. 반면 부분 예혼합 조건에서 L fuel 이 작을수록 연소실 입구에서부터 공간적인 연료 분포가 불균일한 상태가 존재하게 되고 화염의 소염이나 재부착 또한 성층화된 연료 분포에 따라 제한적으로 진행되기 때문에 화염의 자발광의 강도도 상대적으로 작아지고, 압력 변동의 크기도 감소됨을 볼 수 있다. 따라서 공간적인 혼합정도에 의해 압력 변동의 크기를 제어할 수 있음을 알 수 있다.

후 기

본 연구는 연소기술연구센터 (CERC)와 미쓰비시 중공업 (Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.)의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다 .

참고문헌

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