연구용 고압 연소실 설계

오성균(Sungkyun Oh),도형록(Hyungrok Do) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

고온 및 고압 상태에서 연소는 높은 최대 출력, 추력, 혹은 고효율 기관의 필수적인 요소이며 이를 위해 이에 상응하는 압력 조건에서 연소 현상 및 안정성의 정량적인 계측과 연구가 필요하다. 서울대학교에서 최대 50bar, 800K로 예열된 고압 공기를 주입하는 난류 제트 연소를 구현하는 연소실의 설계를 완성하였다. 본 연구용 연소기는 일반적인 캔 형상의 가스터빈 연소기를 토대로 설계되었으며 바이패스 공기가 흐르는 외부 케이싱 및 내부 라이너의 2중 구조로 구성된다. 가압되어 공급되는 주 연소 공기는 선회기를 거쳐 난류 화염이 안정화되며 혼합기는 부분적으로 예혼합되어 반응한다. 본 연소실은 고압 난류 제트 연소를 주입 공기 유량을 최대 176L/min(50 bar 기준 171 g/s)으로 구현하며 차세대 고압 가스터빈 엔진의 운전 조건을 실현할 수 있다. 연소기로 주입되는 연소 공기는 전체 공기 유량의 22%(총 공기 유량 768g/s)이며 추가적인 바이패스 공기가 전체 유량의 67%로 주입되어 라이너 냉각과 연소 공기를 희석시킨다. 본 논문에서는 연소기의 설계와 주요 부품 및 기능들이 소개되어있다. Operating combustors under high pressure and high temperature condition is essential for practical applications to achieve the highest possible power, thrust, and/or thermal efficiency. Accordingly, it is important to quantitatively measure and intensively investigate the combustion dynamics and stability in the relevant high pressure combustion environments. Therefore, a newly designed combustion chamber for high-pressure combustion research that accommodates partially premixed and swirl stabilized turbulent flames with wide optical-access windows is under construction at SNU. This lab-scale gas turbine combustor can burn fuels at up to 50 bar and 800 K at the intake being capable of reproducing operation conditions of current and next-generation high-pressure gas turbine combustors. Main combustion air flow rate is set to 176 L/min (approximately 171 g/s at 50 bar) that is approximately 22% of the total air flow rate (768 g/s at 50 bar), and the bypass air (67% of the total air flow) cools the liner and dilutes the high temperature combustion products. Detail designs and functions of the individual components are briefly introduced in this paper.

KSR-Ⅲ 로켓엔진의 연소 안정성 평가

손채훈(Chae-Hoon Sohn),김영목(Young-Mog Kim) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.3

액체 로켓엔진 개발과정에서 수행되는 여러 가지 시험 중 연소 안정성 평가 시험을 통해, KSR-Ⅲ 로켓엔진의 연소 안정성을 평가하였다. 안정성 평가시험에서, 엔진이 외부 교란에 의한 압력 진동을 감쇠시켜 본래의 안정한 연소를 회복하는 경우, 그 엔진은 연소 안정화 능력을 가지고 있다고 판정할 수 있다. 로켓엔진은, 교란의 크기를 예측하기 어려운 외부 섭동에 노출될 수 있으므로, 연소 안정화 가능 여부를 확인하는 것과 더불어 엔진이 갖고 있는 연소 안정화 성능을 정량화하여 파악하는 작업이 필요하다. 이를 위해 몇 가지 주요 인자를 도입하였고, 이를 평가하는 방법을 검토하였다. 성공적으로 완료된 KSR-Ⅲ, 로켓 개발과정에서 로켓엔진의 안정성 확보를 위해 6회의 안정성 평가 시험이 수행되었다. 이를 토대로, 연소 안정화 성능의 정량화 방법을 KSR-Ⅲ 엔진에 적용하여 엔진의 안정화 성능을 분석하였다. Stability rating of KSR-Ⅲ rocket engine is conducted based on stability rating tests in the course of development of KSR-Ⅲ rocket engine. Rocket engine is approved to have combustion stabilization ability when it can suppress the external perturbation or pressure oscillation with finite amplitude and recover the original stable combustion. Rocket engine in flight may be perturbed by unexpectedly large-amplitude pressure oscillation and thus a designer should not only assure combustion stabilization ability of the engine but also quantify the stabilization capacity. For this, principal quantitative parameters and their evaluation are introduced. To verify dynamic stability of KSR-Ⅲ rocket engine, six stability rating tests have been conducted. Based on these test results, such parameters are quantified and thereby, the stabilization capacity of KSR-Ⅲ rocket engine is evaluated.

초음속 공기흡입식 엔진 연소기의 연소불안정 발생 및 분석

황용석(Yongseok Hwang),이종근(Jongguen Lee),최호진(Hojin Choi),길현용(Hyunyong Gil),변종렬(Jongryul Byun),윤현걸(Hyungull Yoon),임진식(Jinshik Lim) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.5

램제트 엔진은 다른 공기흡입식 엔진에 비해 상대적으로 매우 긴 유로를 지니고 있음으로 인해 저주파 연소불안정에 취약한 단점을 지니고 있다. 본 연구에서는 램제트 엔진에서 발생하는 연소 현상과 동일한 메카니즘을 모사할 수 있는 연료분사장치 및 V-gutter 형태의 화염안정화장치를 장착한 소형 연소기를 설계/제작하여, 램제트 연소기에서 발생할 수 있는 연소불안정 현상을 시현하였다. 이 연소기에서 발생한 연소불안정은 연소시스템의 음향학적인 공진 주파수와 유사하게 나타남을 확인하였으며, 이를 통해 thermo-acoustic coupling에 의한 전형적인 연소 불안정이 발생하였음을 확인할 수 있었다. Ramjet engine is weak for low frequency combustion instability because of their long air flow passasge. A model combustor which has fuel injector and V-gutter shaped flame holder was designed and fabricated in order to simulate a combustion mechanism of ramjet engine, and it could demonstrate combustion instability which might occur in ramjet combustor. The frequency of the instability was very similar to that of acoustic resonance frequency of combustor, and it proved that a typical combustion instability by thermo-acoustic coupling occurred.

스월-안정화 연소기에서 혼합기 공진모드가 동적 연소특성에 미치는 영향

한선우 ( Sunwoo Han ),이신우 ( Shinwoo Lee ),황동현 ( Donghyun Hwang ),안규복 ( Kyubok Ahn ) 한국분무공학회 2022 한국액체미립화학회지 Vol.27 No.1

Hot-firing tests were performed to experimentally confirm the effect of the eigenmode in the fuel-air mixing section on combustion instability by changing mixing section length, inlet mean velocity, equivalence ratio, and swirler geometry. A premixed gas composed of air and ethylene was supplied to the combustion chamber through an mixing section and an axial swirler. As the mixing section length increased, the inlet velocity perturbation decreased, but the combustion instability increased more. It was found that the resonance frequency of the first longitudinal mode in the mixing section shifted to the third longitudinal mode as the length of the mixing section increased. The results implied that the transition of the resonace frquency by changing the length of the mixing section might cause combustion instability.

표면 연소기 및 노즐믹스 연소기의 설계에 관한 연소이론 고찰

김남일(Nam Il Kim),황규진(Gyu Jin Hwnag),여지훈(Ji Hun Yeo) 대한설비공학회 2022 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.6

This study aimed to develop a design process for two kinds of burner configurations of a flat flame burner for a premixed flame and a nozzle mix burner for a diffusion flame. Although various burners have been developed and used since the first industrial revolution, it is surprising that we do not have clarified design processes. It is because most of the burner design processes have been conducted based on empirical rules, and theoretical understanding on a flame stabilization have not been clarified yet. Therefore, a recommended sequence for the burner design was introduced with some fundamental theories concerned with the burner configuration. After that, some additional experimental results and theories related to the flame stabilization were explained. Based on such theories, a conceptual design for a specific performance for a specific fuel could be suggested.

모형 가스터빈 연소기에서 화염구조와 연소불안정 특성에 대한 실험적 연구

박성순(Sungsoon Park),김민기(Min-Ki Kim),윤지수(Jisu Yoon),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회지 Vol.15 No.4

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.

덕트형 연소기에서 화염의 동특성에 관한 실험적 연구

정찬영(Chanyeong Jeong),김태성(Taesung Kim),송진관(Jinkwan Song),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

비-거터형 보염기가 장착된 덕트형 연소기에서 연소 불안정이 발생할 때 보염기 근처에서 나타나는 화염의 동특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 연소기의 단면은 40 x 40 mm 이며, 연료는 천연도시가스를 사용하였다. 화염 구조를 가시화하기 위해서 고속 카메라를 이용한 자발광 계측과 PIV기법을 사용하였다. 연소 불안정이 발생하면 연소기 내부의 압력 구배에 변화가 생기면서 화염의 역화 현상이 일어나고, 역화의 진행거리는 당량비에 따라서 달라졌다. 역화의 진행거리와 구조에 따라 불안정 화염을 세가지 유형을 분류하였다. 일정 당량비 이상에서는 역화가 진행됨에 따라 보염기 앞쪽 끝단에서 새로운 화염 구조를 관측할 수 있었다. 순압력 구배에서 역화되었던 화염면은 뒤로 밀리고, 이때 보염기 안쪽에 형성된 와류로 인하여 재안정화가 이루어지는 것을 확인하였다. The characteristics of flame dynamics occurring near bluff body was experimentally investigated in a model combustor with V-gutter bluff body. The combustor has a long duct shape with cross section of 40 x 40 mm and Nature City Gas were used as fuel. Measurements of chemiluminescence with high speed camera and PIV was used for visualization of flame structure. Flashback occur due to the change of pressure gradient in the combustor, and flashback distance depend on equivalent ratio. Unstable flames can be classified into three types depending on the flashback distance and structure. When the flame goes over the bluff body, a new flame structure occur at the front of the bluff body. Re-stabilization takes place as the flame moves downstream. This process is supported by a strong vortex structure behind bluff body.

모형 가스터빈 연소기에서 화염구조와 연소불안정 특성에 대한 실험적 연구

박성순(Sungsoon Park),김민기(Min-Ki Kim),윤지수(Jisu Yoon),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.5

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 영향을 미쳐 연소불안정 발생의 원인이 되는 열방출 섭동과 매우 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 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.

모형 가스터빈 연소기에서 H₂, CO 합성가스 연소특성에 대한 실험적 연구

윤지수(Jisu Yoon),이민철(Min-Chul Lee),주성필(Seongpil Joo),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

IGCC의 경우 CCS(Carbon Capture System) 시스템과의 결합을 통하여 지구온난화와 같은 환경문제를 해결할 수 있는 하나의 발전 방식으로 여겨진다. 이로 인하여, 합성가스에 대한 관심이 높아지고 있으며 많은 가스터빈 제조업체 및 GIT(Tim Lieuwen), MIT(Ahmed F. Ghoniem)와 같은 그룹에서 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 모형가스터빈연소기에서 합성가스 화염에 대한 연구를 수행하였으며, 합성가스의 조성 및 당량비를 주된 변수로 선정하여 연구를 수행하였다. 그 결과, 연료의 조성 변화는 화염 속도 변화에 영향을 끼치며 이는 화염 blow off 특성에 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다. IGCC system can solve the environmental problems such as global warming, it can be easily combined with CCS(Carbon Capture System) system. For this reason, combustion characteristics of the synthesis gas is studied by many gas turbine suppliers and research groups such as Georgia Institute of Technology(Tim Lieuwen) and Massachusetts Institute of Technology(Ahmed F. Ghoniem). In this study, we conducted experimental studies on the synthetic gas flame in a model gas turbine combustor. Composition of the gas and equivalence ratio was selected as experimental variables. As expected, the composition of the fuel influences flame speed and affects on blow off characteristics of the flame.

리니어 수소동력시스템의 연소연구용 급속흡입압축기의 특성 해석

이제홍,정대용,이종태,김강문 한국수소및신에너지학회 2005 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.16 No.1

Hydrogen linear power system is estimated as the next generation power system which can obtain a performance as same as fuel cell. In order to develop Hydrogen combustion power system with high thermal efficiency, it is very important to understand the basic characteristics of hydrogen combustion and establish combustion stabilization technique of its system. In this study, RICEM(Rapid Intake Compression Expansion Machine) for researching of hydrogen combustion linear power system was manufactured and evaluated, and the basic characteristics of linear RICEM were analyzed.