마이크로 가스터빈용 스월-예혼합 버너의 선회 유동 특성 분석 (Investigation of the Swirl Flow Characteristics of a Swirl-Premixed Burner in a Micro Gas Turbine)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 B / 43권 / 12호 / 825 ~ 832페이지
· 저자명 : 주해지, 조주형, 황정재, 김민국, 김한석, 이원준

초록

최근 저공해 연소기 개발 추세인 스월-예혼합 버너는 균일하게 예혼합된 연료와 공기를 hot-spot 생성 없이 연소함으로써 thermal NOx 발생을 최소화하고, 화염 안정성을 향상시키기 위해 재순환 유동이 flame holder 역할을 하는 버너이다. 본 연구에서는 마이크로 가스터빈 연소기용 스월-예혼합 버너의 기본 설계를 수행하고 CFD 해석과 실험을 통해 버너의 선회 유동 및 연소 특성을 분석하였다. 특히, 선회 강도 변화가 연료/공기 혼합 정도(unmixedness) 및 재순환 유동, 화염 형상, NOx 배출 특성 등에 미치는 영향을 분석하였다. 선회 강도 증가는 버너 내부에 반경 방향으로 압력 구배를 형성하고 연료의 penetration 특성을 변화시킴으로써 unmixedness와 NOx 배출량에 영향을 주었다. Unmixedness 값은 CFD를 통해 정량적으로 계산하였으며 실험으로 계측된 NOx 배출량과 상관관계를 고찰한 결과, 연료/공기 혼합도가 향상될 때 NOx 배출량이 감소하는 경향성을 보였다. 또한, 선회 강도 증가로 재순환 유량이 증가하면서 화염의 부착 위치가 노즐의 상류로 이동하였으며 화염 형상은 V-flame에서 M-flame으로 변화하는 현상을 보였다.

영어초록

Swirl-premixed burners have been gaining considerable interest in low-emission gas turbines. The wellpremixed combustion of fuel and air reduces thermal NOx emissions by inhibiting the local high temperature spots. If the fuel and air are poorly mixed, however, the benefit of premixed combustion may diminish. The recirculation zone generated by a swirler acts as an aerodynamic flame holder for flame stability. In this study, we investigated the characteristics of a swirl-premixed burner to identify how the swirl intensity affects the fuel/air mixing, recirculation flow field, flame shapes, and NOx emissions. The numerical results show that the swirl intensity influences the radial pressure gradient in the burner and, subsequently, the fuel penetration depth, leading to a change in the unmixedness, which quantifies degree of fuel/air mixing. A comparison of the unmixedness with the measured NOx emissions shows that NOx production was decreased by enhanced mixing. The strongly swirled flow augmented the recirculation flow rate, which moved the flame base toward the more upstream side and changed the flame shape from ‘V’ to ‘M’.

참고자료

· 없음