모형 가스터빈 연소기에서 화염구조와 연소불안정 특성에 대한 실험적 연구
박성순* ․ 김민기** ․ 윤지수** ․ 윤영빈***
An Experimental Study on Flame Structure and Combustion Instability Characteristics in Model Gas
Turbine Combustor
Sungsoon Park* ․ Min-Ki Kim* ․ Jisu Yoon* ․ Youngbin Yoon**
ABSTRACT
The present work addresses structural characteristics of natural gas flames in a lean premixed swirl-stabilized combustor with an attention focused on the effect of the formation of recirculation zones on the combustion instability. It is known that the recirculation zone plays an important role in stabilizing a turbulent, premixed natural gas flames by providing a source of heat or radicals to the incoming premixed fuel and air. To improve our understanding of the role of recirculation zones, the flame structure was investigated for various mixture velocities, equivalence ratios and swirl numbers. The optically accessible combustor allowed for the application of laser diagnostics, and Particle Image Velocimetry(PIV) measurements was used to characterize the flame structure under both cold flow conditions and hot flow conditions. Dynamic pressures were also measured to investigate characteristics of combustion at the same time. The results indicates that the formation of recirculation zone is strongly related to the occurrence of thermo-acoustic instabilities.
초 록
스월러를 가진 천연가스 연료분사기가 장착된 희박 예혼합 연소기에서 화염구조의 일부분인 재순환 영역의 형성이 연소불안정에 미치는 영향에 대하여 실험적으로 연구를 진행하였다. PIV 계측기법으로 연소장에서의 화염의 안정화 그리고 불안정한 영역에서 유동장을 확인해본 결과 스월러에 의한 재순환 영역은 화염의 안정화 및 난류의 강도뿐만 아니라 재순환영혁 형성의 크기에 따른 화염 재점화에도 영 향을 미쳐 연소불안정 발생의 원인이 되는 열방출 섭동과 매우 밀접한 관계가 있음을 확인하였다.
Key Words: Swirl-Stabilized Flame(스월 안정화 화염), CRZ(Central Recirculation Zone ; 중앙 재순 환영역), Combustion Instability(연소불안정), PIV(Particle Image Velocimetry)
한국추진공학회 2011년도 춘계학술대회 논문집 pp.445~452 2011 KSPE Spring Conference
* 정회원, 서울대학교 기계항공공학부 대학원 (現 삼 성테크윈 파워시스템사업부)
** 정회원, 서울대학교 기계항공공학부 대학원
*** 정회원, 서울대학교 기계항공공학부, 항공우주신기술 연구소(IAAT), 교신저자, E-mail: [email protected]
1. 서 론
기존의 가스터빈은 이론 공연비 근처에서 확 산화염의 형태로 연료를 연소하는 방식을 이용 하였다. 하지만 이러한 방식의 가스터빈은 연소 가 안정적으로 이루어진다는 장점을 가지고 있 지만 배기배출물이 다량으로 발생하며 연료의 소모가 많다는 문제점을 야기해 왔다. 최근 에너 지 자원의 고갈과 환경오염 문제가 대두되면서 기존의 가스터빈에 비해 오염 물질의 발생이 적 으며 효율적인 연소가 가능한 가스터빈 개발을 위한 노력이 이루어 졌으며, 그 결과 현재는 희 박 예혼합 화염의 형태를 이용하는 가스터빈이 널리 이용되고 있다.
대기오염의 주범으로 알려져 있는 대표적인 배기배출물인 NOx의 경우 1800∼2000K 이하의 온도에서는 그 생성량이 무시할 수 있을 정도로 작은 것으로 알려져 있는데[1] 희박 예혼합 화염 을 이용할 경우 연소온도를 현저하게 낮출 수 있어 thermal NOx의 발생을 크게 줄일 수 있다 는 장점이 있다. 또한 보다 적은 연료를 사용함 으로써 더욱 높은 연소효율을 달성 할 수 있다.
하지만 희박구간에서 연소를 하게 되면서 연소 기의 성능과 수명을 저해시키는 연소불안정 현 상이 발생하게 되었다.
지난 연구에서는 연소불안정 현상을 관찰하고 그 불안정의 원인과 모드를 분석하는 방법에 대 한 연구를 진행하였다[2]. 본 연구에서는 지난 연구를 바탕으로 화염의 구조적 특성이 연소 불 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 그 중 화염 의 안정화에 큰 역할을 하는 것으로 알려진[3∼
5] 재순환 영역의 형성과 연소 불안정의 관계를 밝히는 것에 중점을 두고 연구를 진행 하였다.
2. 실험방법
2.1 모형 가스터빈 연소기
본 연구에서는 희박 예혼합, 스월 안정화 화염 을 이용하는 실제 가스터빈을 모사한 모형 가스 터빈 연소기를 사용하였다. 개략적인 구조는 Fig.1과 동일하며 크게 공기를 가열하는 에어히 터, 연료를 분사하고 혼합기에 스월효과를 가하 는 스월인젝터, 가시화가 가능한 쿼츠연소기, 그 리고 연소실의 길이를 조절할 수 있는 플러그 노즐로 구성이 된다.
에어히터는 공기를 400℃까지 가열하며, 스월 인젝터의 후단에서 분사된 연료와 함께 스월 베 인을 지나 연소실로 공급된다. 덤프면에서 하류 200mm 지점까지는 레이저 계측기법을 이용할 수 있도록 가시화가 가능한 쿼츠로 연소실이 구 성되어 있다. 연소실은 후단은 플러그 노즐이 막 고 있으며 이는 스텝모터에 연결되어 있어 연소 실의 길이를 830mm부터 1120mm까지 1mm단위 로 변경시킬 수 있다.
연소기에는 동특성을 관찰하기 위한 동압 센 서가 11개, 정압센서가 5개, K-type 열전대가 6 개가 설치되어 있으며 Labview 프로그램을 이용 하여 실시간으로 데이터를 전송받아 처리 및 저 장 작업을 수행하고 있다.
2.2 Particle Image Velocimetry
본 연구에서는 유동의 구조적인 특성을 파악하 기 위한 방법으로 평면의 순간적인 속도장을 얻 을 수 있는 PIV계측 기법을 사용하여 연소장 및 비연소장에서의 유동의 구조적 특성을 관찰 하 였다.
Fig. 1 Schematic of Model Gas Turbine Combustor
PIV는 Continuum Surelite PIV Ⅱ (Nd:YAG,double pulse) 레이저와 Princeton ES2020 CCD 카메라를 이용하여 구성하였으며
seeding particle은 입자의 평균 지름이 1μm인 산화지르코늄(ZrO)을 사용하였다.
강한 스월이 존재하는 경우의 속도장은 주로 Laser Doppler Velocimetry(LDV)기법을 이용하 여 측정한다. 하지만 LDV 기법의 경우는 평면의 순간적인 속도장을 측정 하는데 어려움이 있기 때문에 본 연구에서는 PIV 계측 기법을 사용하 였다. 하지만 스월의 영향으로 인해 접선방향의 속도성분이 발생하게 되며, 이는 PIV 기법으로 측정하고자 하는 평면을 벗어나는 성분이므로 (out-of-plane motion) 유효한 입자들의 숫자를 줄이는 효과를 야기하게 된다. 이러한 요인이 스 월이 있는 유동에서 PIV기법을 사용하는데 가장 큰 어려운 점이다. 이를 극복하고 최대한 유효한 입자들의 수를 늘리기 위해서는 레이저 펄스간 의 시간간격, particle seeding density등을 적절 히 조절하는 것이 중요하다.[6]
Fig. 2 PIV measurement in a model gas turbine combustor
2.3 스월 인젝터
연료의 분사와 혼합 성능은 연소기의 효율과 배기배출물의 발생정도를 결정하는데 있어 매우 중요한 요소이며 이는 인젝터에 의해 결정된다 고 할 수 있다. 최근에 개발 생산되는 대부분의 가스터빈은 연료의 분사와 혼합성능 향상을 위 해 스월 인젝터를 채택하고 있는 추세이다.[24]
이러한 스월 인젝터는 화염의 안정화 메커니즘 에서 지대한 영향을 미치는 CRZ (Central
Recirculation Zone) 을 형성시키는 역할을 한다.
CRZ는 연소된 고온의 가스를 연소기의 중앙부 와 노즐 쪽으로 이동시킴으로써 노즐에서 나오 는 연소전의 혼합기에 연소를 위한 열원으로써 작용을 하게 되는데 이러한 재점화 과정을 통해 화염의 안정화에 기여를 한다. 또한 노즐에서 나 오는 혼합기와 반대 방향으로 움직임으로 써 두 유동 사이에 전단층을 만들어 난류의 강도를 증 가시키고 이로 인한 혼합의 성능 향상을 가져올 수 있기 때문에 CRZ는 화염의 안정화에 크게 기여한다고 할 수 있다.
본 장치에 사용된 스월인젝터는 axial type의 인젝터로서 스월 베인의 각도는 각각 30°와 45°
의 두 가지를 사용하였고 스월 베인의 개수는 각각 10개와 8개로 구성되어 있다. 스월 효과의 정도는 접선방향의 모멘텀과 축방향 모멘텀의 비로 나타나는 S(Swirl Number)로 나타낼 수 있 다. 이는 다음과 같은 식으로 대략적으로 구할 수 있다.[7]
tan
≪
위 식에 의하면 S는 각각 약 0.42, 0.72에 해당 하게 된다.
3. 실험결과 및 토의
3.1 재순환 영역(CRZ)의 형성
위에서 언급한 봐와 같이 재순환 영역은 화염 의 안정화에 큰 역할을 하며 이는 스월 유동에 의해 발생된다. 재순환 영역을 형성하는데 있어서 가장 중요한 역할을 하는 것은 연소기 내의 압력 구배 및 압력장의 분포이다. 스월 베인을 지나면 서 유동에 접선방향의 속도 성분이 발생하게 되 고 이로 인해 연소실의 바깥쪽으로 향하는 원심 력이 발생하게 된다. 그리하여 이러한 원심력과 평형을 이루기 위한 반지름 방향의 압력구배가 형성 된다. 이렇게 반지름 방향을 따라 원심력과 압력구배가 평형을 이루고 있는 것을 Simple
Radial Equilibrium flow라 하며 이때 발생하는 압력구배는 반지름 방향의 모멘텀 방정식을 풀 어서 구할 수 있다.[8] 먼저 simple radial equilibrium flow 에서는 다음과 같은 가정이 성 립한다. 정상상태, 축대칭, ur=0, 축방향 및 접선 방향 속도는 모두 반지름의 함수이다. 이러한 가 정 하에서는 축방향, 접선방향의 모멘텀 방정식 이 자명한 해(trivial solutions)가 되므로 반지름 방향의 모멘텀 방정식이 스월이 있는 유동의 압 력 구배를 나타내는 지배 방정식이라 할 수 있 다.
∇
∇
reduced to
①
식①은 바로 원심력과 압력구배가 서로 평형 을 이루게 된 다는 것을 보여준다. 이 식을 간단 히 적분을 해보면 연소실의 중심축에 가까울수 록, 즉 반지름이 작아질수록 정체압력이 낮아진 다는 것을 알 수가 있다. 접선방향의 속도 성분 은 축 방향으로 이동해감에 따라 감쇠하게 되므 로 축 방향으로 충분한 거리가 지난 연소실의 뒷부분에서는 반지름 방향의 압력구배는 사라지 게 되고 이는 즉 압력의 평형이 이루어짐을 말 한다. 그러므로 반지름이 큰 연소실의 벽면 근처 에서는 축 방향으로 점점 압력이 감소하는 음의 압력구배가 형성되며, 연소실의 중앙부에서는 압 력이 점점 증가하는 양의 압력구배가 형성된다.
이러한 압력의 분포로 인해 외곽의 유동이 연소 실의 중심을 향해 말려들어 오게 되며, 이로 인 해 깔때기 모양의 재순환 영역이 연소실의 중심 축을 따라 형성되게 되는 것이다.
Fig. 3, 4는 실제 연소장에서 PIV 계측기법을 이용하여 얻은 것으로 600쌍의 순간장을 측정한 뒤 평균을 낸 것으로 실제 연소 조건에서 재순 환 영역이 형성되었음을 보여주고 있다. 재순환
영역의 형성 정도를 비교하기 위해서 많은 연구 자들이 재순환 영역의 높이나 넓이 등을 사용했 으며 이러한 재순환 영역의 크기는 축방향 속도 와 반지름 방향 속도가 0이 되는 점들을 연결한 윤곽선으로 정의 할 수 있다.[9]
Fig. 3 Averaged PIV Images under stable conditions
Fig. 4 Averaged PIV Images under unstable conditions
Fig. 3은 안정한 연소조건하에서 형성된 재순 환 영역의 특징을 보여주고 있으며, Fig. 4는 연 소불안정에 일어난 조건에서의 재순환 영역을 보여주고 있으며, 연소불안정이 일어났을 경우 재순환 영역의 크기가 현저하게 커지는것을 관 찰 할 수 있었다. 이를 통해 연소불안정의 발생 이 재순환 영역의 형성에 영향을 미친다는 것을 확인 할 수 있다.
3.2 연소불안정과 재순환 영역의 관계
본 연구에서는 재순환 영역의 형성과 연소불 안정과의 관계를 알아보기 위하여 PIV 계측기법 을 이용하였다. 연소불안정 현상은 동적인 현상 의 일종으로 앞서와 같이 평균장 이미지를 통해 서만 그 특징을 살펴보는 것은 어렵다. 그리하여 본 절에서는 순간장 이미지들을 이용하여 연소 불안정이 일어났을 때 재순환 영역의 특징을 살 펴보았다.
Fig. 5 Instantaneous PIV images under stable comditions
Fig. 6 Instantaneous PIV images under unstable comditions
Fig. 6은 연소불안정이 일어났을 때 임의의 시 간에서 얻은 PIV이미지들을 통해 4개의 주기를 구성한 것이다. 각 이미지들의 위상은 정확하지 는 않지만 각 주기들은 재순환영역이 주기적으 로 진동하고 있음을 보여준다. 반면 안정한 연소 조건하에서의 순간장 이미지들로 구성된 Fig. 5 의 경우에서는 재순환 영역의 크기가 변하지 않 고 거의 일정하게 나타나는 것을 관찰 할 수 있 다.
앞서 언급한 봐와 같이 재순환 영역은 고온의 연소가스를 연소가 일어나는 연소실의 중앙부와 점화가 일어나는 노즐근처로 이동시킴으로써 연 소의 안정성에 기여하는 역할을 수행하게 된다.
이때 가장 중요한 것은 재순환 되어 공급되는 고온의 연소가스의 질량유량이라 할 수 있다. 이 때의 질량유량은 재순환 영역의 넓이와 음의 방 향 속도 성분의 크기를 통해 구할 수 있다. 그러 므로 재순환영역의 크기가 지속적으로 변한다는 것은 연소의 안정화에 필수적인 재순환 되는 고 온 가스의 질량유량이 변한다는 것을 의미한다.
이러한 질량유량의 변화는 반응율과 열방출율의 섭동을 야기하게 되고, 이는 결국 연소불안정으 로 이어지게 되는 것이다.
실제로 안정한 연소가 일어나는 경우와 달리 불안정한 연소가 일어나는 조건하에서는 재순환 영역의 크기가 지속적으로 변하는 것이 관찰되 었다. 또한 Fig. 6에서 붉은 상자로 표시되어있 는 마지막 열에서의 재순환 영역의 크기들을 살 펴보면, 그 형성이 매우 미약하여 연소의 안정화 에 기여하지 못하며, 순간적인 소화가 일어 날 수 있음을 알 수 있다. 재순환영역의 섭동이 연 소불안정의 발생에 영향을 미친다는 것을 보인 다.
재순환 영역이 주기적으로 진동을 하는지, 주 기적으로 진동을 한다면 그때의 주파수가 무엇 을 의미하는 지를 확인하기 위하여 High speed ICCD 카메라를 이용하여 OH 자발광을 측정하 여 보았다. 이 때 카메라의 frame speed는 2048Hz로 하였다. Fig. 7,8은 그 결과를 위상별 로 정리하여 나타낸 것으로 연소불안정 조건하 에서화염이 주기적으로 진동하고 있다는 것을
보여주고 있다. 반면에 안정한 조건에서는 화염 의 형태와 크기가 일정함을 관찰 할 수 있었다.
불안정한 경우의 진동 주파수는 약 293Hz로 1-D wave equation을 통하여 계산되었으며 (close ended boundary), 이는 동압센서로 측정 한 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)변환을 하여 얻어낸 연소불안정 주파수인 300Hz와 거의 동일한 수치이다. 이는 연소불안정과 재순환영역 의 섭동이 직접적인 관계가 있음을 뒷받침 하는 명확한 근거라 할 수 있다.
Fig. 7 OH* Chemilluminescence images under the unstable condition
Fig. 8 OH* Chemilluminescence images under the stable condition
연소불안정의 발생과 재순환 영역의 섭동은 필수적인 관계로 Fig. 9에 나타나는 있는 절차에 의해 설명 할 수 있다. 연소불안정이 발생하면 연소실내에는 큰 압력의 섭동이 발생하게 된다.
앞서 언급한 바와 같이 재순환 영역의 형성에 있어서 가장 중요한 요인은 연소실 내의 압력구 배의 형성이다. 하지만 연소불안정이 발생한 경 우에는 연소실내의 압력섭동으로 인해 재순환 영역의 형성에 필요한 압력구배가 원활하게 형 성이 되지 않게 된다. 그러므로 재순환 영역은 불안정에 의한 압력섭동에 영향을 받아 진동을
하게 되는 것이다. 재순환 영역의 진동은 안정한 연소에 필요한 고온의 재순환 가스의 질량섭동 을 야기하게 된다. 이 때 발생된 질량 섭동은 열 방출율 섭동으로 이어지게 되며, 이는 결국 연소 불안정을 지속, 발전시키는 요인으로 작용하게 된다.
그러므로 재순환영역의 섭동은 연소불안정을 일으키고 발전시키는 데 큰 역할을 하고 있으며, 연소불안정이 발생할 경우 필연적으로 동반되는 현상이라 할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 PIV 계측 기법을 이용하여 연 소불안정 현상과 재순환 영역의 형성간의 관계 에 대한 연구를 진행하였다. 그 중 화염의 안정 화 메커니즘에 지대한 영향을 미치는 재순환 영 역의 형성에 중점을 두었다.
화염안정화 메커니즘에 대해서는 그간 많은 연구가 진행 되었지만 개방된 형태의 연소기에 서의 결과가 대부분을 차지하고 있다. 본 연구는 제한된 연소기에서 PIV 기법을 이용하여 스월 안정화 화염의 구조적 특성을 관찰하고 이를 themo-acoustic 불안정과 관련하여 연구를 진행 하였다는 점에서 의미가 있다고 할 수 있다.
Fig. 9 The relation between the combustion instability and recirculation zones
연소불안정이 발생한 경우 화염은 주기적으로 진동하였고 이와 동반하여 재순환 영역의 섭동
이 관찰되었다. 이때의 재순환 영역의 섭동 주파 수는 연소불안정 주파수와 동일하였다. 이를 통 해서 연소불안정 하에서 재순환 영역의 섭동이 발생하며, 이러한 재순환 영역의 섭동은 재순환 영역내의 질량유량의 섭동, 열방출율의 섭동을 일으켜 결국 연소불안정을 발생, 강화하는 역할 을 하게 됨을 알 수 있었다.
후 기
본 연구는 교육과학기술부의 중견연구자지원 사업(2010-0015100)과 서울대학교 항공우주신기 술연구소(IAAT)의 지원으로 수행 되었으며, 이 에 감사드립니다.
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