희박상태의 이중 선회 버너에서 화염 안정화 특성에 관한 실험적 연구

조준익(Joonik Jo),최인찬(Inchan Choi),이기만(Kee-man Lee) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

본 연구의 목적은 마이크로 가스터빈용 이중 선회 연소기 개발을 위한 기초적 연구이다. 그 중 저NOx 배출성능을 만족하기 위한 희박 예혼합 선회연소기의 화염 안정화 특성에 집중된 연구이다. 하이브리드 버너라고 불리는 이중 선회 화염은 메인 버너의 완전 예혼합된 화염과 파이롯트 버너로서 부분 예혼합된 화염으로 구성되었다. 같은 방향의 이중 선회류는 접선형 베인의 환형 메인 노즐과 헬리컬형 베인의 중앙 파이롯트 노즐를 통해 연소실로 공급된다. 본 연구에서 선회강도와 당량비에 따른 희박한 이중 선회화염의 안정화 선도가 제시되었다. 특히 아벨 변환된 CH* 라디칼의 자발광 분석을 통해 안정화된 화염과 불안정한 화염의 구조에서 상당한 차이가 있음을 확인하였다. The purpose of this study is a basic research for the development of a dual swirl burner for micro gas turbine. Among that, it was focused to investigate the characteristics of flame stability of a lean premixed swirl combustor to meet the low NOx emission. The dual swirling flames, which is called as a hybrid burner, were consisted of a partial premixed flame as a pilot burner and a fully premixed flame as a main burner. The two co-swirling flows enter the combustion chamber through a central pilot nozzle with a helical vane type and an annular main nozzle with a tangential vane type. In this study, the stability curve of a dual swirl flame with lean mixture was presented with a various swirl intensity and equivalence ratio. In particular, it confirmed that there was a fatal difference structure between the unstable and stable flame through the CH* radical intensity of Ablel inversion analysis.

희박 예혼합 가스터빈 연소기에서의 화염 전달 함수 소개

김대식(Daesik Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.9

희박 예혼합 가스터빈 연소기는 강화되는 NOx 배출가스 규제를 만족시키기 위한 가장 현실적인 방법으로 인식되고 있다. 그러나 이러한 희박 예혼합 연소기에서는 열발생파와 시스템 내부의 압력파 사이의 상호 피드백 관계에 의한 연소 불안정 현상으로 인하여 그 적용이 제한되거나, 이를 회피하기 위한 기술의 적용으로 인하여 설계 비용의 상승이 불가피하다. 본 논문에서는 연소 불안정 현상이 발생하는 기본 메커니즘을 소개하고, 연소 불안정 원인 규명의 일환으로 최근 활발히 연구되고 있는 화염 전달 함수 측정이 실험적으로 규명되었고, 주요 측정 결과가 소개되었다. Lean premixed gas turbine combustors were successful in meeting current NOx emission regulations. However, these combustors have been found to be susceptible to combustion instability. In this study, general mechanisms for combustion dynamics and instabilities in lean premixed gas turbine combustors are introduced. In addition, the flame transfer functions in the combustor are experimentally determined. The inputs to the flame transfer function are the imposed velocity fluctuations of the mixture. The key results of the measurements are reviewed.

희박 예혼합 연소기내의 배기오염 물질 예측을 위한 화학반응기 네트워크 모델링

이도용(Doyong Lee),박정규(Jungkyu Park),서석빈(Sukbin Seo),이민철(Minchul Lee) 한국자동차공학회 2008 한국자동차공학회 춘 추계 학술대회 논문집 Vol.- No.-

희박 예혼합 가스터빈 연소기에서의 유동 및 연소 특성 모델링

임재영(Jaeyoung Lim),김진아(Jinah Kim),어재경(Jaekyoung Uh),김지환(Jihwan Kim),김대식(Daesik Kim) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.11

Demand of the low fuel consumption gas turbines has recently increased in the aviation industry as well as in the power generation industry. Especially, application of lean premixed combustor in the combined cycle power plant has been generalized due to its superior fuel efficiency and emission characteristics to the diffusion type combustors. However, because the lean premixed combustor is operated under very lean low equivalence ratio, the combustion stability can be easily affected by the flow perturbations such as equivalence ratio and inlet velocity fluctuations. Therefore there have been a lot of efforts for controlling and understanding the combustion instabilities measured under the lean fuel-air mixture. As one of these efforts, this paper focused on the effects of the flame shape on the flame dynamics using CFD techniques. Results show that the modeled flame geometry is very close to the measured one after considering heat transfer from flames to the combustor wall.

희박 예혼합 가스터빈 연소기에서의 연소 불안정

김대식(Daesik Kim) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2012 No.11

희박예혼합 이중 선회버너에서 역화발생 근처의 유동장 특성

조준익(Junik Jo),김대원(Daewon Kim),이기만(Keeman Lee) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

본 연구의 목적은 희박예혼합을 이용한 이중 선회버너에서 역화발생 근처의 유동장 특성을 살펴보고자 한다. 파일럿 버너와 메인 버너로 구성된 이중 선회버너에서 파일럿버너는 축방향의 선회기가 설치되었고 메인버너는 접선방향의 선회기를 적용하여 선회수 변화와 당량비 변화에 따른 화염의 안정화영역을 제시하였다. 안정화화염과는 다른 형태를 보이고 있는 역화발생구간에 대해 유동장 특성과 그에 따른 화염특성변화를 알아보고자 자발광 촬영과 초고속카메라 그리고 PIV기법이 적용되었다. 겉보기 역화화염 발생은 입력 열량에 따라서는 비교적 유사한 형태를 보이나, 선회강도에 따라서는 선회강도가 작은 경우 낮은 당량비 구간에서 화염역화가 발생한 반면에 선회강도가 큰 경우 상대적으로 높은 당량비 구간에서 역화가 발생하는 것을 확인하였다. The purpose of this study is a flow field characteristics of near flashback occurrence in a lean premixed dual swirl burner. Pilot burner and main burner installed respectively axis direction and the tangential direction of the swirler, the experiments were conducted. The varied parameters of flame stability were included in the swirl numbers, the equivalence ratios of the pilot and main fuel streams. CH* self luminescence by ICCD camera, high speed camera and PIV system were used to find a flashback characteristics that there were the fatal difference structures. As a result, apparent flame flashbacks are occurred at a relatively low equivalence ratios for low swirl intensity and at high regions for high swirl intensity while the capacity changes depending on the input of the combustor shows similar characteristics.

희박 예혼합 가스터빈 연소기 3 차원 전산 해석 및 화학반응기 네트워크에 의한 NOx 예측

이재복(Jaebok Yi),정대로(Daero Jeong),허강열(Kang Yul Huh),진재민(Jaemin Jin),박정규(Jungkyu Park),이민철(Min Chul Lee) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.12

희박예혼합 가스터빈 연소기에 대한 3 차원 RANS 해석을 수행하였으며 PCFM(Partially Premixed Coherent Flame Model) 화염면적밀도 생성항 상수의 보정을 통하여 희박연소조건을 모사하였다. PCFM 에서 계산된 화염면적밀도에 의해 층류 예혼합 화염의 전파를 예측하고 불균일하게 분포한 기연 가스의 물성을 평형 가정에 따라 예측하였다. 복사와 대류 열전달을 모사하기 위해 냉각 조건으로서 실험과의 비교를 통해 결정된 열유속을 적용하였다. 이러한 3 차원 해석 결과를 바탕으로 파일럿 노즐과 메인 노즐에 분배되는 연료량 비에 대한 민감도 조사를 수행하였으며 CRN(Chemical Reactor Network)을 구성하여 NOx 배출량을 예측하고 측정값과 비교 분석하였다. This paper presents 3D simulation by STAR-CCM+ for lean premixed combustion in a stationary gas turbine combustor with separate pilot and main nozzles. The constant for the source term in the flame area density transport equation was modified to account for a low global equivalence ratio and validated against measurement data. A Partially-premixed Coherent Flame Model(PCFM) involves propagation of a laminar premixed flame with the predicted flame surface density and equilibrium assumption in the burned gas with spatial inhomogeneity. The conditions for cooling by radiation and convection are considered for accurate determination of the heat flux on the wall. A parametric study is of the pilot-fuel-to-total-fuel-ratio is carried out. A chemical reactor network (CRN) was constructed on the basis of the 3D simulation results and compared against measurements of NOx.

가스터빈 연소기에서 운전 변수에 따른 희박예혼합 연소 특성 고찰

이재복(Jaebok Yi),정대로(Daero Joung),허강열(Kang Y. Huh),이민철(Minchul Lee) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

This paper presents 3-D simulation results by STAR-CCM+ against measurements for lean premixed combustion in a stationary gas turbine with separated pilot and main nozzles. The cooling conditions by radiation and convection are adjusted to match the observed flame shape and exit temperature for the reference case. The PCFM involves propagation of a laminar premixed flame with the predicted flame surface density and the equilibrium assumption in the burned gas with spatial inhomogeneities. Parametric study is performed with respect to the ratio of pilot and total fuel. Results showed reasonable agreement with measured temperatures and consistent trends of variation with respect to the operating conditions in the tested ranges. The observed flame shape corresponds to the light emission from the diffusion flame out of the main nozzle. The predicted CO is based on the thermodynamic equilibrium assumption which led to a much higher level than measurements.

가스터빈 연소기에서 CO2* 배경 강도가 OH* 및 CH* 화학 발광 강도에 미치는 영향

김대식,이종근 한국연소학회 2010 한국연소학회지 Vol.15 No.4

The measurement of heat release rate is of great importance in the study of thermo-acoustic instability occurring in lean premixed combustion and the chemiluminescence emission has been used as an indicator of heat release in combustion instability studies primarily for its relative simplicity. This paper presents results of experimental study of flame chemiluminescence from an atmospheric, swirl-stabilized, turbulent lean premixed flame with a main emphasis on the effect of CO2* background level in the CH* and OH* band. The test results show that the effect of CO2* level in the CH* band is greater than that in the OH* band. Also, the background to peak ratio for both CH* and OH* bands can be expressed as a function of equivalence ratio,almost regardless of a change in the inlet velocity.

보염기가 적용된 예혼합 화염 날림의 실험적 연구

정찬영(Chanyeong Jeong),신재익(JaeIk Shin),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

보염기가 장착된 덕트형 연소기에서 화염의 희박 날림 현상을 이해하기 위해 화염의 동특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 연소기는 길이방향으로 긴 덕트형 모양을 가지고 있고 단면은 정사각형이다. 보염기는 정삼각형 구조를 가지고 있다. 연료로는 메탄이 주성분인 도시가스를 사용했다. 화염 날림 현상이 발생하는 당량비는 레이놀즈수와 비례하여 증가하게 되며, 재순환 영역의 규모에 따라서 당량비 값이 변화한다. 화염이 날림에 가까워질 때, 재순환 영역과 화염은 상당한 변화를 겪지만, 이러한 현상이 바로 날림 현상으로 이어지지는 않는다. 날림 현상이 발생하기 적전에는 미연 가스가 재순환 영역으로 강하게 유입된다. 이로 인해 화염의 국소 소멸이 발생하고 보염기 후류의 재순환 영역은 완전히 붕괴된다. 결국 연소반응물은 다시 점화되지 못하고 날림 현상이 발생하게 된다. The dynamic characteristics of flame closed to lean blowoff are investigated in the ducted combustor with the bluff body. The combustor has a long duct shape and rectangular cross-section. Bluff body takes the shape of an equilateral triangle. Methane was used as fuel. The blowoff equivalence ratio increase with the Reynolds number. And blowoff equivalence ratio change depending on the extent of the recirculation zone. When the flame closed to blowoff, recirculation zone and flame undergoes a considerable change, but this phenomenon is not directly connected to the blowoff. Shortly before the blowoff, the unburned gas strongly penetrate into the recirculation zone. The flame is disconnected at bluff body downstream and recirculation zone is completely collapsed. The combustible mixture eventually do not ignite and the blowoff occurs.