항공우주시스템공학회 2018년도 춘계학술대회 SASE 2018 Spring Conference

1. 서 론

가스터빈 연소기의 효율증가와 오염물질 감소를 위

한 많은 연구들이 계속해서 진행되고 있다. 이를 해결

할 방법으로 제안된 방법들 중 가장 널리 알려진 방법

은 Rich-burn/Quick-quenching/Lean-burn(RQL), Le

an Premixed/Prevaporized(LPP), Lean-direct Injecti

on(LDI)가 있다. 이 중 LDI는 고온, 고압에서 작동하도

록 제안되었으며 액체상태의 연료를 직접분사하기 때

문에 연료의 양을 쉽게 조절을 할 수 있고 연료와 공

기의 혼합이 연소기 내에서 진행되기 때문에 자연점

화, 화염역류를 방지할 수 있다. 하지만 이러한 성능을

발휘하기 위해서는 연료와 공기의 빠르고 균일한 혼합

이 필요하게 된다. 연료와 공기의 혼합은 연료인젝터

와 공기스월인젝터의 영향을 많이 받기 때문에 선행적

으로 가스터빈 연소기에 적용되는 인젝터의 분무 특성

을 파악해야한다.

본 연구에서는 LDI연소기에 적용되는 hollow-cone

spray injector에 대한 코드검증과 LDI연소기에 사용되

는 Kerosene연료에 대한 분무특성을 분석하였다. 분

열 모델로는 LISA model과 APTAB model을 이용하였

다. Kerosene 연료는 실제 LDI연소기에서 사용되는 J

et-A를 이용하였다.

2. 본 론

2.1 분열 모델 Hollow-cone spray injector를 모사하기 위한 1차분

열모델은 LISA(Linearized Instability Sheet Atomizatio

n)모델[1]을 사용하였으며 이 모델은 액막형성, 액막

분열, 미립화 3개의 단계로 구성되어있다. 2차 분열모

델로 적용된 APTAB모델[2]은 액적의 진동과 비틀림

사이의 관계에 기반을 두고 있다. 자세한 내용은 참고

문헌을 참고하기 바란다.

Lean-direct Injection 가스터빈 연소기를 위한 Kerosene 연료 Hollow-cone 스프레이 연구

이교빈1· 김종찬1· 성홍계2,†

1한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과2한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부

Kerosene Fuel Hollow-cone Spray Study for Lean-direct InjectionGas Turbine Combustor Kyobin Lee1, Jong-Chan Kim1 and Hong-Gye Sung2,†

1Dep. of Aerospace and Mechanical engineering, Korea Aerospace University2School of Aerospace and Mechanical engineering, Korea Aerospace University

Abstract : Lean-direct Injection(LDI) 가스터빈 연소기를 분석하기 전 연소기에 적용되는 hollow-cone spray injector에 대한 수치적인 연구가 선행적으로 진행되었다. 실험결과를 이용하여 코드 검증을 하였으며 연소기에 사용되는 Kerosene 연료에 대한 분무특성을 분석하였다. 분열 모델은 LISA모델과 APTAB모델을 이용하였다. 실험결과와 수치결과는 penetration length와 SMD(Sauter Mean Diameter)를 이용하여 비교하였으며 두 결과 모두 실험과 유사하게 예측되었다. Kerosene을 이용한 분무특성은 점성과 밀도의 효과로 인해 검증케이스에 비해 액적의 크기가 커졌으며 이러한 영향으로 침투깊이가 짧아졌다.

Key Words : Hollow-cone spray injector, Kerosene, Lean-direct injection(LDI), LISA(Linearized Instability Sheet Atomization) model

†교신저자 ( Corresponding Author )E-mail: hgsung@kau.ac.krCopyright Ⓒ The Society for Aerospace System

Engineering

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2.2 경계조건 인젝터는 내부가 개방되어있는 형상을 이용하였고

검증을 위한 작동유체는 Stoddard Solvent, Kerosene

은 Jet-A를 이용하였다. 경계조건과 해석 도메인 크기

는 참고문헌[1]을 참고하기 바란다.

2.3 해석결과 Figure 1은 Solvent에 대한 실험, 수치해석결과와 J

et-A에 대한 수치해석 결과 데이터이다. (a)는 인젝터

출구에서부터의 침투 깊이를 나타내며 (b)는 x=39mm

에서의 SMD(Sauter Mean Diameter)를 나타낸다. 실

험결과와 수치해석을 비교해보면 침투깊이가 어느 정

도 잘 예측 한 것을 Fig.1(a)를 통해서 알 수 있으며

SMD(Sauter Mean Diameter) 또한 잘 예측된 것을

(b)에서 알 수 있다.

액적의 분열과정은 Fig.2를 통해 확인할 수 있다. Fi

g.2는 0.83ms에서의 실험과 해석결과의 스프레이 거

동을 나타낸 결과이다. 인젝터출구에서 형성된 액막으

로부터 떨어져 나온 액적들이 분열되는 과정을 볼 수

있으며 실험결과와 유사하게 나온 것을 알 수 있다.

Jet-A 연료를 이용하였을 때 Solvent를 사용했을 때

보다 동일한 위치에서 SMD가 더 큰 것을 Fig.1(b)를

통해 확인할 수 있다. 이러한 이유는 Jet-A연료가 Sol

vent보다 밀도와 표면장력이 크기 때문에 분열되는 액

적의 크기가 달라지기 때문이다. 이러한 영향으로 침

(a) Penetration (b) SMD at 38mm

Figure 1 Injection results

Figure 2 Experiment and numerical

results at 0.83ms

Figure 3 Simulation results at 0.83ms

투깊이가 Solvent보다 짧아지는 것을 알 수 있다.

Figure 3는 0.83ms에서의 Solvent와 Jet-A에 대한

액적 거동을 나타낸다. 침투깊이가 Jet-A를 사용했을

때 더 짧아졌으며 액적의 분열이 더 빠르게 나타나는

것을 알 수 있다.

3. 결 론

Lean-direct Injection(LDI) 가스터빈 연소기에 적용

되는 hollow-cone spray injector에 대한 검증케이스

와 Kerosene 연료 분무특성에 대해 분석하였다. 액적

의 침투깊이와 SMD결과를 이용하여 검증하였으며 두

결과 모두 잘 예측하였다. Kerosene을 사용하였을 때

밀도와 점성계수의 증가로 액적의 크기가 증가하였으

며 이러한 영향으로 침투 깊이가 짧아졌다.

4. 후 기

본 연구는 산업통상자원부 주관 항공우주부품 기술

개발 사업의 지원(10050539)과 한국연구재단의 선도

연구센터지원사업(NRF-2013R1A5A10 73861)에 의해

수행되었습니다.

참 고 문 헌

[1] David P. Schmidt et al, “Pressure-Swirl Atomiz

ation in the Near Field,” International Congress

and Exposition, 1999-01-0496, March, 1999

[2] Park J. H., “Aerodynamic Progressed Taylor An

alogy Breakup(APTAB) Model for Accurate Predi

ction of Spray Droplet Deformation and Breaku

p,” J. of ILASS, Vol. 5, pp.53-60, 2000

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