연구실 탐방 (Combustion Dynamics and Diagnostics Lab. , 지도교수: 김규태)

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2016년에 설립되어 김규태 교수님이 지도하고 계신 연소 불안정 및 레이저 진단 연구실을 소개합니다. ‘연소 불안정’이란 고 진폭의 음향 압력 섭동을 수반하는 연소 현상으로써, 심각할 경우 엔진 성능 저하와 손상을 야기합니다. 이러한 연소 불안정 현상을 예측하고 이해하기 위하여, 본 연구실에서는 가스 연료를 사용하는 발전용 가스터빈과 액체 연료를 사용하는 항공용 가스터빈 연소기에서 발생하는 연소 불안정 현상에 대하여 연구합니다.

 

가스터빈이란?

 

크게 압축기와 연소기, 터빈으로 구성되는 가스터빈은 연소기에서 생성된 고온・고압의 가스로 터빈을 돌려 동력을 만들어 내는 기구입니다. 가스터빈은 왕복운동이 없기 때문에 기계적 진동이 적으며 고속 운동이 가능합니다. 또한 추력 대 무게의 비가 왕복기관에 비하여 높아 항공기의 동력기관으로 적합하며 선박 및 산업용으로도 응용되고 있습니다.

최근 환경의 중요성이 대두됨에 따라 미세먼지, 질소산화물(NOx)등의 규제가 강화되었고, 이에 따라 가스터빈에서 기존의 확산화염(diffusion flame) 방식 대신 희박 예혼합화염(lean-premixed flame) 방식을 채택하기 시작했습니다. 하지만, 희박연소에서는 희박가연한계(lean blowout)근처에서 화염이 불안정해지는 문제가 있습니다.

 

Fig. 1. 9HA.01 Gas Turbine, Retrieved from https://www.gepower.com/gas/gas-turbines/9ha, GE power, 2018.

 

연소 불안정이란?

 

희박 예혼합 연소에서는 혼합기의 작은 유동 섭동에도 화염이 민감하게 반응하게 됩니다. 이러한 화염의 순간적인 불안정은 열 방출율 섭동을 만들고, 연소기 내부의 음향 압력 섭동을 일으키게 됩니다. 발생한 음향 압력 섭동은 또 다시 상류의 연료 공기 혼합기 유동의 속도와 당량비의 섭동을 더욱 커지게 하며, 더 큰 열 방출 섭동을 생성합니다. 이러한 열음향학적 피드백 과정을 통하여 연소기 내 섭동을 한계 진폭까지 증폭시키는 현상을 ‘연소 불안정’이라고 합니다. 이러한 연소불안정 현상은 심할 경우 엔진 성능 저하와 Fig. 2에 보여진 것과 같은 구조적 손상을 야기할 수 있습니다. 때문에, 희박 예혼합 가스터빈 연소기 개발에 있어 연소 불안정 현상의 근본적 메커니즘에 대한 이해는 필수적입니다.

 

Fig. 2. New bunner assembly and burner assembly damaged by combustion instability. Adapted from “Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion” by Y. Huang and V. Yang, 2009, Progress in Energy and Combustion Science, 35(4), p. 295.

 

발전용 가스터빈에서의 연소 불안정

 

일반적으로 발전용 가스터빈은 연소불안정을 제어하고 방지하기 위하여, 5개 이상의 다중노즐 시스템을 채택합니다. 본 연구실에서는 다중노즐 시스템에서 발생하는 화염 간 상호작용을 모사하기 위하여 두 개의 노즐을 갖는 연소기를 설계・운영하고 있습니다. 이를 바탕으로 각 노즐의 당량비, 스월 수, 스월 방향, 스월러의 위치 등 다양한 변수를 바꾸어가며 화염 간 상호작용이 연소불안정 현상에 미치는 영향과 그 근본적인 메커니즘을 연구하고 있습니다.

 

Fig. 3. Flame-flame interaction of multi-nozzle lean premixed combustor.

 

Fig. 4. Effect of fuel split condition on normalized pressure amplitude.

 

항공용 가스터빈에서의 연소 불안정

 

액체 연료를 사용하는 항공용 가스터빈 연소기에서는 낮은 온도와 압력의 Idle 조건에서 저주파 연소 불안정이 발생합니다. 이 저주파 연소 불안정은 연료 노즐의 중앙에 위치한 파일롯 모드의 확산화염 반응에서 발생하고 연료의 유량과 연료 노즐의 형상 변수에 지배를 받습니다. 본 연구에서는 저주파 연소 불안정 특성을 정량적으로 계측하여 연료 노즐의 주요 설계 변수와 저주파 연소 불안정 발생의 연관성에 대하여 규명하고 비정상 상태 거동이 발생하는 근본적인 메커니즘을 이해하고자 합니다.

 

 

Fig. 5. Intensified CCD camera single-shot images under unstable condition.

 

편집         손대성[son5963@kaist.ac.kr]