연소기 플레어의 각도 변화에 따른 유동 및 분무특성 실험 연구 :Experimental Studies on the Flow and Spray Characteristics of Flare Angle for Combustor

김택현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김택현 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 민성기

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

플레어 각도변화에 따른 분무특성 연구

김택현 , 진유인 , 민성기 한국추진공학회 학술대회논문집 2016.05 학술대회자료

연소기 플레어의 각도 변화에 따른 유동 및 분무특성 실험 연구

김택현 대학교 2016.01 학위논문

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본 논문에서는 항공기 및 무인기용 터보엔진을 구성하는 핵심요소인 연소기의 내부에 장착되는 연료 노즐 플레어에 대한 연구이다. 플레어는 스월러의 후단에 장착되는 연소기 구성품으로, 스월러를 통과한 스월 유동의 형태를 지배한다. 스월 유동의 최종 형태에 따라 연소 유동장의 재순환 형태 및 액체 연료 미립화의 분포가 결정된다. 연소기 내부 유동의 특성은 플레어의 출구 각도, 높이, 출구 베인의 형상에 따라 변화될 수 있다. 본 논문에서는 플레어의 각도 변화가 유동 및 분무특성에 미치는 영향을 수류시험과 분무시험을 통해 고찰하였다.
수류시험에서 모델 연소기의 스월 유동은 2차원 입자 영상 유속계를 사용하여 가시화하였다. 작동 유체는 증류수이며, 모델 연소기는 정사각형 모양으로 입구, 출구 덕트와 주 시험부로 구성되었다. 플레어는 스월러 중심선을 기준으로 0°, 15°, 25°, 35°, 45°, 55° 6가지 각도로 제작하여 시험을 진행하였다. 그리고 동축 반전 스월러에 의해 생성된 스월 유동이 연소기 Confinement ratio의 변화와 플레어 출구 높이 변화에 따라 어떤 특성을 보이는지 추가적으로 시험을 진행하였다. 항공유(Jet A-1)를 사용한 분무시험은 스월러 압력 강하량을 고정한 상태에서 플레어 각도가 변할 때 형성되는 분무각 형태와 속도 분포를 입자 영상 유속계를 통해 관찰하였다. 수류시험 결과를 통해, 모델 연소기 유동 구조 중 코너 재순환 영역 이 형성되는 임계 각도가 플레어 각도 25°와 35° 사이에서 존재함을 확인하였다. 연소기 Confinement ratio를 감소시켰을 때는 내부 재순환 영역과 코너 재순환 영역 중심이 연소기 하단부로 이동하였으며, 코너 재순환 영역의 형성을 결정하는 임계 각도가 35˚와 45˚ 사이로 Confinement ratio가 클 때보다 증가하였다. 플레어의 출구 길이를 늘린 경우는 플레어 베인에 의해 모델 연소기 수직 방향으로 향하는 스월 유동이 증가하게 된다. 따라서 코너 재순환 영역이 형성되는 임계 각도가 45˚와 55˚ 사이로 증가함을 확인하였다.
연료 분무시험 결과, 플레어 각도가 분무액적들의 축 방향 및 반경 방향 속도 분포를 좌우하는 주요인자이고, 스월 유동에 의한 연료의 미립화가 촉진되어 고른 분무형태를 보이는 플레어의 최적각도는 35˚와 45˚ 사이에 있음을 확인하였다.
종합적으로, 플레어 각도는 연소기 내부의 재순환 영역 형성여부와 형상 위치에 영향을 주며 속도 분포와 연료의 미립화에 영향을 주는 주요인자임을 확인하였다. 따라서 연소기 설계 시에는 안정적인 유동 분포와 연소 성능을 가질 수 있는 최적의 플레어 각도를 선정하는 것이 중요하다고 판단된다.

This study focus on the flare of combustor, one of the aircraft turbojet engine components. Mounted to the rear end of swirler, a flare is a component of the combustor and it determines the shape of the swirling flow created by the swirler. Along with the final swirling flow, it determines the distribution of the combustion flame recirculating zone and the atomization of liquid fuel. The flow characteristic in the combustor can be changed according to the flare angle, exit length and the exit vane. In this study, the effect of the flare angle on flow and spray characteristics was investigated through water and spray test.
At the water test, the swirling flow in the model combustor is visualized 2D Particle Image Velocimetry(PIV). Distilled water is used as an working fluid in the test. The model combustor is square shaped and consisted of main test section, inlet, outlet ducts. Six flare angles, 0°, 15°, 25°, 35°, 45° and 55° with respect to the swirler centerline were tested. An additional test was conducted in order to show the effects of the combustor confinement ratio and the flare exit length on the swirling flow characteristic generated by counter-rotating swirler. Under the fixed pressure drop of the swirler, the spray angle and the two-dimensional velocity component were observed through the PIV in the spray test using Aviation fuel(Jet A-1).
In the water test results, the threshold angle for the generation of Corner Recirculation Zone(CRZ) in the model combustor was found between 25 and 35 degrees of the flare. And lower combustor Confinement ratio resulted in the shift of the center of the Inner Recirculation Zone(IRZ) and CRZ toward the downstream of the model combustor. While the threshold angle of the generation increased to 35 to 45 degrees. Applied with the flare exit length for the combustor design, the threshold angle for CRZ generation was increased to 45 to 55 degrees as the increase of the force of swirling flow toward the axial direction of the model combustor.
In the spray test results, the axial and radial velocity distribution were led by the flare angle, while the threshold angle of the stable spray pattern, by the atomized fuel enhanced the swirling flow, was between 35 and 45 degrees.
Therefore, the flare angle clearly affects the velocity distribution, fuel atomization, the generation of the recirculation zone and its position in the combustor. Thus, it is important to find the optimum flare angle for the combustor design to have a stable flow distribution and combustion performance.

#플레어 각도 #동축 반전 스월러 #스월 유동 #재순환 영역 #입자 영상 유속계

Ⅰ. 서론 ··················································· 1
1. 연구 배경 ··············································· 1
2. 연구 동향 ··············································· 3
가. 스월 유동 ··········································· 3
나. 스월러, 플레어 형상 ······························ 3
다. 연소기 형상 ········································ 4
라. 레이놀즈수 ········································· 5
3. 연구 목적 ··············································· 6
Ⅱ. 이론적 고찰 ·········································· 7
1. 가스터빈 엔진 연소기 ································· 7
가. 가스터빈 엔진의 연소기 형태 ··················· 7
나. 연소기 내부 구조 및 정의························ 9
2. 스월 유동 이론 ········································· 12
가. 스월러(Swirler) 정의 ····························· 12
나. 스월수(Swirl Number) 정의 ····················· 14
다. 재순환 영역 ········································ 15
라. 역전 질량 유동과 베인 형태 ····················· 16
3. 입자 영상 유속계 이론 ································ 19
가. 입자 영상 유속계 종류 ··························· 19
나. 입자 영상 유속계 원리 ··························· 20
다. 자기상관기법과 상호상관기법 ··················· 23
Ⅲ. 시험 장치 및 시험 방법······························ 27
1. 입자 영상 유속계 구성································· 28
가. Seeding particle ··································· 28
나. Laser source (Nd:YAG Laser) ················· 29
다. Charge Coupled Device(CCD) Camera ········ 30
라. Polarization rotator ······························· 31
마. Synchronizer ······································· 31
바. Insight 4G Software ······························ 32
2. 모델 연소기 수류시험 ································· 35
가. 스월러(Swirler) ···································· 38
나. 플레어(Flare) ······································· 43
다. 모델 연소기 및 기타 시험 장치 ················· 45
3. 연료 분무시험 ·········································· 48
가. 노즐, 스월러, 플레어 ······························ 50
나. PIV Laser sourse, CCD Camera ··············· 52
다. Dynamic Studio 2015 Software ················· 53
Ⅳ 시험 결과 및 고찰···································· 54
1. 모델 연소기 수류시험 결과 ·························· 54
가. 시험 타당성 검토 ·································· 55
나. 모델 연소기 내부 유동구조 정의 ··············· 57
다. 모델 연소기 Case 1 ······························· 59
라. 모델 연소기 Case 2 ······························· 70
마. 모델 연소기 Case 3 ······························· 77
2. 연료 분무시험 결과 ···································· 83
가. 조건별 연료 공급 유량 ··························· 83
나. 플레어 각도 변화에 따른 분무각 특성 ········· 84
다. 플레어 각도 변화에 따른 속도 분포 ··········· 88
Ⅴ 결론 및 향후 계획 ··································· 91
참고 문헌 ··················································· 94

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