Fuel Spray Characteristics of the APU Gas Turbine Combustor under high speed air flow conditions

한국추진공학회 2009년도 춘계학술대회 논문집 pp.285~288 2009 KSPE Spring Conference

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* 전북대학교 항공우주공학과 ** 한국항공우주연구원

*** 전북대학교 항공우주공학과

연락저자, E-mail: [email protected]

APU 가스터빈 연소기내의 고속공기유동에 따른 연료 분무특성 연구

김보라미* ․ 최채홍** ․ 이동호** ․ 최성만***

Fuel Spray Characteristics of the APU Gas Turbine Combustor under high speed air flow conditions

Borami Kim* ․ Cheahong Choi** ․ Dongho Rhee** ․ Seongman Choi***

ABSTRACT

In order to understand spray characteristics with inflowing air from the compressor in the APU gas turbine combustor, we performed spray visualization test by using ND-Yag Laser sheet beam. The sector combustor which size is 1/6 of the real combustor was manufactured. Turbo blower is used as an air supplying device to simulate gas turbine air flow condition. In the case of 75 m/s combustor inlet air flow condition, spray angle way increased and dispersed widely than without airflow condition.

초 록

APU 가스터빈 연소기 내에서 공기 유동이 있는 경우의 연료 분무 특성을 알기 위하여 ND-Yag 레 이저를 이용한 분무가시화 연구를 수행하였다. 분무형상 가시화를 하기 위하여 실물 연소기 1/6 크기 의 분할 연소기를 제작하였으며, 연소기 부의 공기유속 조건을 모사하기 위하여 터보 블로워를 이용한 풍동장치를 제작하였다. 75 m/s 공기 유속 조건에서 분무가시화 결과 공기가 없는 경우에 비해 분무 각이 증가되었고 분무 입자도 넓게 분포됨을 알 수 있었다.

Key Words: APU Gas Turbine Combustor, Spray visualization(분무가시화), ND-Yag Laser

1. 서 론

가스터빈엔진 중 100 kW 급 소형 엔진은 주

로 보조동력장치로써 항공기의 시동 및 전기발 생, 추기 공기(Bleed Air)발생 등 항공기의 생존 에 중요한 역할을 담당 하고 있을 뿐만 아니라 분산 발전/비상 전원용으로도 적용 가능하므로 그 중요성이 점차 증대되고 있는 실정이다.[1]

이렇게 다양한 분야에서 적용이 가능한 100 kW 급 가스터빈 엔진은 지금까지는 주로 지상용 주 동력장치로써 개발되어져 왔다. 이러한 지상용

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그런데 소형가스터빈의 경우 적은 연료노즐 사 용으로 인하여 연소안정성이 취약하며, 이것은 엔진이 극한 작동 상황에서 실화가 발생하여 작 동중단이 일어날 수 있는 가능성이 있다. 이러 한 APU 엔진의 작동중단은 헬기의 운용에 심각 한 위협이 될 수 있으므로 이를 사전에 검증하 여 연소기의 실화를 능동적으로 회피하거나 또 는 시스템을 개선하여 그 가능성을 억제하여야 한다.

2. 실험장치

2.1 연료노즐

실험에 사용된 연료노즐은 스월러가 부착된 형태로 전형적인 심플렉스 압력 분무식 노즐이 다. 분할 연소기 내에서의 연료노즐은 쉬라우드 공기를 이용하여 미립화 특성을 향상시키게 된 다. 쉬라우드 공기는 라이너 외부에서 작은 홈을 통하여 쉬라우드 캡 내부로 유입되고 스월러를 통하여 선회성분을 포함하게 된다. 이후 유동이 연료 노즐 주위를 선회하며 연료노즐 출구의 연 료 분무와 만나게 된다. 이러한 쉬라우드 공기는 분무각을 크게 하고 미립화 특성을 향상시키는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

2.2 분할 연소기

본 연구에서는 연료 노즐 1개에 해당하는 영 역인 1/6 크기의 분할연소기를 이용하여 실험에 활용하였다. Fig. 1에 제작된 분할연소기를 나타 내었다. 연소기는 내부유동을 용이하게 하기 위 하여 측면에 가시화 창을 설치하였으며, 분사된 액적들이 가시화 창에 흡착할 경우를 대비하여 이를 제거하기 위한 에어 커튼을 설치하였다.

Fig. 1 Sector Combustor

2.3 연료의 종류

본 연구에서도 물을 이용하여 분무시험을 수 행하였다. 우선 물과 항공유와의 물성치 차이에 의한 분무 특성 차이를 확인해 보기 위하여 분 무시험을 수행하였으며 작동유체의 물성치를 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Performance specification of the working fluids

물 Kerosene (JP-8)

Calibration Fluid Type 2 밀도

(kg/m³) 999

(at 15℃)

(at 15℃)

(at 15℃)

(kg/m․s) 0.894×10^-3

(at 25℃)

(at 25℃)

(at 25℃)

(N/m) 7.134×10^-2

(at 26℃)

(at 26℃)

(at 26℃)

본 시험에서는 Calibration Fluid Type 2를 이 용하여 분무시험을 수행하였으며 실험에 사용된 Calibration Fluid Type 2는 항공기 연료시스템 의 구성품 시험시 사용하는 유체로써 항공유와 유사한 물성치를 갖지만 안전성을 향상시킨 유 체이다.

3. 시험리그

Figure 2에 전체적인 시험리그를 나타내었다.

시험리그는 블로워, 유량조절부, 센서부, 연소기, 그리고 추기공기 공급을 모사할 Bleed Air부로 구성된다.[2] 연소기의 작동조건을 모사하기 위

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Fig. 2 Test rig of sector combustor

연료노즐의 분무 형상 및 분무각 등을 알아보 기 위해 가시화 시험 장치를 구성하였으며, ND-Yag Laser Sheet Beam을 광원으로 이용하 였다.

4. 실험 결과 및 고찰

4.1 연료 물성치에 따른 분무시험 결과

물과 Calibration Fluid Type 2의 가시화 실험 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 물의 경우 분사압 이 0.5∼1 bar에서 양파 형태의 분무 형상이 나 타나고 분사압이 증가 할수록 튤립 형태로 발달 하여 4 bar 에서부터는 완전히 발달된 분무형태 를 보인다. 하지만 Calibration Fluid Type 2의 경우 0.5 bar 에서만 양파 형태의 분무형상이 나 타나고 이후 튤립 형태로 발달하게 된다.

Calibration Fluid Type 2가 물에 비해 미립화 발달 속도가 더 빨리 진행되지만 4 bar 이상부 터는 충분히 발달되어 유사한 분무 형태를 보임 을 알 수 있다.

Fig. 3 Photographs of spray

Fig. 4 SMD comparison at Y = 70 mm

Figure 4는 노즐 출구에서 70 mm 떨어진 지 점에서의 물과 Calibration Fluid Type 2의 SMD 비교 결과를 나타내었다. SMD는 노즐 중심부에 서 최대 25 μm 정도로 물이 크게 나타나며, 노 즐 중심부에서 멀어질수록 점차 비슷한 값을 갖 게 되지만 노즐로부터 거리가 33 mm 이상부터 는 Calibration Fluid Type 2의 SMD가 크게 나 타나게 된다. 따라서 전체적인 분포 형태는 유사 하지만 위치에 따라 다소 상이한 SMD를 나타내 게 된다.

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Figure 5는 APU 가스터빈 연소기 내에서 스 월러를 부착한 연료노즐의 고속공기 유동에 따 른 연료 분무 특성을 가시화한 결과를 나타낸 것이다. 이때의 압력은 1 bar 에서 6.2 bar 까지 측정하였다.

Fig. 5 Spray characteristics by Air

압력 1 bar 의 고속공기유동이 없는 노즐에서 는 약 20〫 의 분무각으로 분무입자들이 분포되어 있는 것을 볼 수 있다. 압력이 증가됨에 따라 6.2 bar 에서는 약 65〫 의 분무각을 가지고 있음을 알 수 있다. 그러나 고속공기유동이 있는 노즐에서는

압력이 1 bar 인 경우 분무각이 약 105〫 로 공기 유동이 없는 경우와 많은 차이를 보이고 있다. 또 한 분무압이 점차 증가함에 따라 분무각이 커지 며, 6.2 bar 에서는 최대 120〫 의 분무각을 가짐을 알 수 있었고, 많은 양의 분무 액적이 균일하게 분포됨을 확인할 수 있었다. 엔진의 극한 작동조 건인 20,000 ft (분사압력 1.5 bar)와 지상 무부하 조건(분사압력 6.2 bar)에서 공기유동이 있는 경 우 분무각은 105〫 ~ 120〫 로 상당히 양호함을 알 수 있었다.

5. 결 론

1. 물과 Calibration Fluid Type 2의 분무 형태 와 분무각이 유사하고 대체적으로 유사한 SMD 분포가 보인다.

2. 연소기 내부에서의 연료분무특성 가시화 결 과 고속공기 유동이 있는 경우 분무각이 크 게 나타나고 분무 액적들의 분포가 균일하게 나타남을 확인하였고, 이것은 미립화 특성을 향상시키는데 도움이 될 것으로 판단된다.

후 기

동 연구는 지식경제부 한국형헬기 민군겸용구 성품개발사업(KARI주관) 위탁연구결과 중 일부 임.

참 고 문 헌

1. 이동훈, 이강엽, 전승배, 양수석, 고영성, 최 성만, “지상용 가스터빈 주동력장치(PPU) 연 소기의 개발과 시험평가,” 한국항공우주공학 회지, 제33권, 제8호, 2005, pp.111-112 2. 최채홍, APU 가스터빈 연소기 심플렉스 연

료노즐의 분무특성 연구, 전북대학교 항공공 학 석사학위 논문, 2009.