가스터빈은 크게 압축기, 연소기, 터빈의 3부분으로 구성되어 주로 LNG 등의 연료를 연소용 압축공기와 함께 Burner에서 연소시켜 고온·고압의 가스가 터빈을 회전시키는 원동기이다.
일반적인 가스터빈의 연구는 크게 두 가지 영역으로 구분되어 첫 째, 압축기와 터빈 날개의 열 유동에 관한 연구와 둘 째, 연소기의 연소특성에 관한 연구가 주를 이룬다. 연소특성 연구는 주로 버너 예혼합(Premix)과 관련되어 연소진동, 배기가스, 열 분포 등 여러 특성이 연구되고 있다.
EV(En-vironmental : 환경) 버너는 대표적인 예혼합 연소기이며 원추형(Cone Type)구조이다. 연소용 공기가 버너 양쪽 Slot 틈으로 공급되고, Slot과 인접한 양쪽 연료 Port에 있는 직경 약 2~3 mm의 Hole들을 통하여 연료가 버너 내부로 분사되어 버너 내부에서 연소용 공기와 함께 예혼합을 이룬다.
그간 EV 버너 연구는 연료분사 Hole들의 위치 및 구경변화에 따른 연소특성 변화연구 등이 세계적으로 많이 이루어졌지만, 버너 전단의 연소용 공기 유동에 의한 연소영향은 거의 고려되지 않았다.
그런데 일부 원환형 연소기(Annular type combustor)는 각 버너로 공급되는 압축공기의 이물질을 제거하기 위하여 버너 전단에 Sieve가 장착 되어 있다. Sieve는 단순 거름망 역할 뿐 아니라 각 연소기로 공급되는 연소용 압축공기의 유동을 안정하게 해주는 역할을 하는 것으로 보인다.
이에 EV 버너 연소에 미치는 Sieve 조밀도의 영향에 대해 알아보고 Sieve대한 개선여부를 알아보기 위해 본 연구를 진행 하였다. 연구 모델로는 국내 운전 중인 가스터빈 GT24 EV 버너 연소기를 선정하였다. Sieve 구멍의 조밀도별로 연료와 연소공기의 유동특성과 연소특성을 해석하고자 조밀도 케이스를 5가지로 하고 연소실의 압력, 유동, 온도, NOx량에 대하여 분석하였다. 시뮬레이션 프로그램에서 Sieve 조밀도는 다공도 (0.1, 0.35, 0.5, 0.75, 1.0) 처리(Porous midium)하여 전산처리의 효율성을 높였다. 모델링에 있어 기존 다른 연구사례와의 차이점은 Sieve를 포함하여 EV 버너 주위의 공간을 실제 설비에 매우 근접하게 모사한 것이다. 왜냐하면 버너 전단부 공간은 연소용 공기 챔버로써 고압의 연소용 공기가 버너로 공급되기 전 잠시 머물면서 버너로 유입되는 연소공기의 유통특성이 정해지는 최종 구간이기 때문이다. 연구는 상용 CFD(Computational fluid dynamics)인 Ansys의 CFX를 이용하였고 경계조건으로 실제 운전 데이터와 제작사 설계치를 이용하였다.
연구결과 Sieve 다공도별 가스터빈의 압력, 유속, 온도 및 NOx 발생량을 알 수 있었다. 다공도 0.1의 결과는 모든 면에서 다공도 0.35의 결과에 미치지 못하였다. 현재 사용되고 있는 Sieve인 다공도 0.35의 연소연구 결과에서는 연소온도 특성이 좋았다. 다공도 0.5의 결과에서는 NOx발생량이 매우 적었지만 연소시 압력과 온도가 미흡하였다. 다공도 0.75의 결과는 연소기 압력저하가 가장 적었지만 연소 출구온도가 낮았고, 온도분포편차가 컸으며 NOx량이 많았다. Sieve가 없는 다공도 1.0의 결과는 연소실 출구온도가 낮았다. 본 연구로 버너 전단의 Sieve로 인하여 연소용 공기의 특성이 바뀌게 되고 결국 연소특성까지 변화됨을 확인하였다. 다공성이 다른 Sieve를 설비에 적용할 경우 가스터빈의 제어컴퓨터가 연료와 공기량을 재 조절하게 되어 본 연구 결과와는 다른 양상을 보이므로 Sieve 형상을 변경할 경우 반드시 적절한 제어튜닝이 수반되어야 한다. 본 연구 이후로 향후 가스터빈 연소기 연구에서 연료 분사특성 뿐만 아니라 버너 전단영역 에서의 공기 유동 특성 또한 중요한 비중으로 다뤄져 더욱 우수한 연구성과가 나오길 기대한다.

Gas turbines consist of three parts : a compressor, combustors, and a turbine. LNG is mainly used and burned together with compressed air for combustion. High-temperature and high-pressure gas rotates the turbine.
General studies of gas turbines are divided into two main areas. The first is a study on the heat flow of compressors and turbines. The second is the study on the combustion characteristics of the combustors. The combustion characteristics are mainly in the premix field. And various characteristics such as combustion vibration, exhaust gas, and heat distribution are being studied.
EV (En-vironment) burners are typical premixed combustors and have a cone type structure. Combustion air is supplied to the slots in both sides of the burner. Fuel is injected into the burner from the holes of diameter 2 ~ 3 mm in both fuel ports. The injected fuel is premixed with the combustion air in the burner. EV burner research has studied combustion characteristics according to position and diameter change of fuel injection holes. As a matter of fact, the influence of combustion by the combustion air flow at the front end of the burner is hardly considered.
However, some annular type combustors are equipped with sieves at the front of the burner to remove foreign matter from the compressed air supplied to each burner. The sieves seem to play a role not only as a simple sieve net but also to stabilize the flow of combustion compressed air supplied to each combustor.
The effect of sieve hole density on EV burner combustion was examined. This study was carried out to find improvement of sieve. We have studied the gas turbine GT24 EV burner combustor in operation in Korea. The flow characteristics and the combustion characteristics of the combustion gas were analyzed by dividing the density of the sieve holes into four cases. The pressure, flow, temperature and NOx production of the combustor were analyzed. In the simulation program, the sieve was replaced with Porous midium to improve the computational efficiency. The porosities were 0.1, 0.35, 0.5, 0.75, and 1.0.
The difference in modeling from previous studies is that the space around the sieve and EV burners is simulated very close to the actual equipment. Because the space before the burner is the air chamber for combustion. The chamber is a place where the high-pressure combustion air stays for a short time before being supplied to the burner, and the flow characteristics of the combustion air flowing into the burner are determined. The research uses commercial CFD (Computational fluid dynamics), CFX of ANSYS. Actual operation data and manufacturer design values were input.
As a result, the pressure, flow rate, temperature, and NOx emission of the gas turbine were obtained. The results of porosity of 0.1 did not reach the result of porosity of 0.35 in all respects. The porosity of 0.35, which is the currently used sieve, has good combustion temperature characteristics. As a result of porosity of 0.5, the NOx emission was very low, but the pressure and temperature were not good during combustion. The results of porosity of 0.75 showed that the combustion pressure drop was the lowest, but the combustion outlet temperature was low, the temperature distribution was severe, and NOx was also produced in large quantities.
The sieve-free porosity of 1.0 resulted in a lower combustion chamber outlet temperature. In this study, it was confirmed that characteristics of combustion air were changed due to sieve of burner inlet and eventually combustion characteristics were changed. When a sieve with different porosity is applied to the plant, the control computer of the gas turbine re-adjusts the fuel and air characteristics. Therefore, when changing the sieve type, proper control tuning must be accompanied. When studying gas turbine combustors in the future, it is expected that not only fuel injection characteristics but also air flow characteristics at the burner inlet will be treated as important.