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본 연구에서 사용된 연료노즐은 공기 충돌 연료노즐이다. 이 노즐은 연료공급 압력과 공기공급 압력이 낮아도 분무 성능이 기존 압력 선회식 노즐보다 좋아 화염 안정성에 좋고, 연소효율 및 배기가스 저감에 효과가 있는 노즐이다[6∼8].

공기 충돌 연료노즐은 Fig. 2과 같이 내부, 외부, 돔 스월러가 장착된 공기 유로와 연료 유로로 구성되어 있다. 본 연료노즐의 미립화 원리는 Fig. 2와 같이 Pre-Filming 된 연료가 내부 스월러 공기로 인해 크게 무화 되고 연료유로 출구 팁에서 서로 다른 회전 방향을 가지는 외부 공기를 만나 그사이에 연료 액막이 충돌하여 발생하는 강한 전단력으로 연료가 미립화가 이루어진다[8, 9]. 연료노즐은 공기 돔/내부/외부 유로 단면적과 스월 각도, 스월러 수량, 연료유로의 면적과 스월 형상 등 다양한 설계 변수 조합으로 특성 시험이 가능하고 분해/조립이 쉽게 제작되었다.

Fig. 2 
Schematic and dimension of nozzle[9].

환형 연소기 기본 설계는 엔진 체계의 개발 요구도로부터 도출된 1차원 / 2차원 설계를 바탕으로 엔진 레이아웃이 결정되고 이를 바탕으로 연소기 레이아웃에 대한 요구도가 도출된다[1, 2]. 연소기 기본 레이아웃을 기본으로 아래와 같이 연소기 상세설계를 진행한다. 연소기 해석은 기본 연소기의 형상에 대한 유동 해석을 수행하여 연소기 Effusion 홀에 공급되는 연소 공기 유량과 연소기 내부의 공기압력 분포와 전압력 손실을 계산하여 유동에 최적화된 형상을 도출한다. 이후 유동장에 연소 모델을 추가하여 화염장에서의 연소기 전압력 손실, 연소효율, 연소기 출구 온도를 해석하고 최적화된 연소기 형상을 도출한다. 이후 수치해석(CFD, Computational Fluid Dynamics) 해석 기법으로는 한계가 있는 연소기 라이너 온도를 예측하기 위해서 복합열전달 수치해석 (CHT, Conjugate Heat Transfer) 해석을 수행함으로써 연소기 라이너와 화염 간의 열전달을 고려하여 정밀한 수치해석을 진행한다. 마지막으로 대와류모사(LES, Large Eddy Simulation) 모델을 활용하여 더 정밀한 수치해석을 수행하여 연소기 최종 형상들을 선별하고 전체적인 엔진 개발 요구도를 검토하여 최적의 형상을 도출한다. 대와류모사는 해석 부하가 높으므로 연소기의 성능시험 결과를 최대한 반영한 경계조건을 적용하여 계산 부하를 최소화하여 해석을 수행하였다[10]. 이러한 방식으로 본 연구를 위해 환형 연소기는 초기 시제 성능시험 후 성능시험 결과를 해석에 반영하여 최종 시제의 형상설계에 적용하여 최종 연소기 성능시험용 시제 설계와 제작에 활용하였다. 이러한 절차로 수행된 수치해석 결과는 더욱 정확한 연소기 설계와 터빈노즐 성능해석을 위한 입구조건으로 활용하기 위한 보조데이터로 활용한다[10]. 연소기 설계와 수치해석은 Fig. 3의 왼쪽과 같이 엔진 장착용으로 설계한다. 하지만, 성능시험용 연소기는 다양한 계측장비의 설치를 위해 시험리그에 조립이 가능한 형태인 Fig. 3의 오른쪽과 같이 수정 제작되어야 한다. 성능시험용 연소기와 실제 연소기의 내부 유동은 거의 유사하고, 연소기 출구만 Fig. 3의 왼쪽처럼 터빈 위치에 연소기 출구 온도분포를 측정하기 형상으로 수정하여 제작하게 되었다.

Fig. 3 
Comparison of configuration of real engine combustor and performance test combustor.

공기 충돌 노즐의 분무성능시험[8,9]이 완료되면 우수한 분무 특성을 갖는 노즐을 선정하고, 항우연 버너 시험리그를 활용하여 각 형상에 대해 점화 특성과 연소 특성을 확인하였다. 버너 시험리그와 시험 장치는 Fig. 4와 같다. 시험리그와 시험 장치는 다양한 형상의 연료노즐의 점화시험을 위해 교체가 쉽고, 공기와 연료 공급유량을 미세 조절할 수 있도록 하였다. 또한, 최적의 점화특성을 확인하기 위해 연료노즐은 설치 깊이를 조절할 수 있도록 하였고, 점화기는 설치 위치 선정을 위해 앞뒤/좌우/깊이를 조절할 수 있도록 하였다. 또한, 점화 형상과 초기 연료노즐 연소 특성을 확인하기 위해 화염 관찰이 가능한 쿼츠창을 시험리그 측면에 설치하였다.

Fig. 4 
Schematic of Air-blast fuel nozzle burner test rig.

본 논문에서 사용하는 연소기 라이너는 공기 충돌 노즐과 유출냉각을 동시에 사용하는 연소기로 국내에서 최초로 개발하는 연소기이다. 따라서, 다양한 형상과 조건에서 성능시험을 수행하였다. 이를 위해 처음부터 환형 연소기로 시험을 수행하지 않고 섹터시험을 수행하는 검증 과정을 거쳤다. 섹터 연소기는 환형 연소기 설계/제작 전 기본적인 성능 검증을 위해 제작하였다. 섹터 연소기를 활용한 성능시험은 환형 연소기 설계/제작과정의 개발 시간과 비용을 절감하였다. 일반적으로 섹터 연소기는 Fig. 5와 같이 연료노즐의 수량을 기준으로 1 섹터, 3 섹터, 5 섹터 등으로 등분하여 제작한다. 등분된 연소기는 연료노즐과 라이너 냉각 공기구멍의 사이즈와 위치 변경을 통해 최적화된 형상으로 하는 연소기를 제작하고 연소 성능시험을 수행한다. 본 연구에서 사용한 섹터 연소기는 화염의 관찰을 통한 연료노즐과 라이너의 최적화에 가중치를 두었기에 단일섹터의 형태로 구성하여 활용하였다.

Fig. 5 
Reversed sector combustor schematic and nozzles layout of combustor.

섹터 연소기 시험리그는 실제 역류형 환형 연소기의 연소기 출구처럼 연소기 출구 면적이 작아지는 역 사다리꼴 단면 형태인 라이너를 적용하고, 연소기 내부의 가시화가 가능한 형태의 이중 격실 형태의 시험리그이다. 이중 격실 형태의 시험리그는 총 4개의 가시화 창이 설치되었다. 가시화 창은 연소장과 맞닿아 있는 내부 가시화 창과 시험리그 외부와 맞닿아 있는 외부 가시화 창으로 구성되어 있고, 이중 격벽 시험리그의 내부 가시화 창을 배치하여 연소기 내/외부 압력 차이가 작게하여 창 내/외부 압력에 따른 손상 가능성을 줄였으며, 외부 가시화 창의 두께를 크게 하여 강건성을 확보하였다.

역류형 환형 연소기 시험리그는 섹터 시험을 통해 식별된 수정 및 개선 항목을 환형 연소기 설계/제작에 반영 하였다. 실제 엔진에 장착되는 연소기는 비교적 간단한 형상과 조립 인터페이스를 가지고 있지만, 성능시험용 연소기는 연소기 성능시험 중 연소기의 특성과 그 성능을 확인하기 위해 다양한 계측 시스템과 부품들이 함께 설치되어야 한다. 따라서 실제 엔진과 달리 연소기 성능시험용 시험리그에는 상대적으로 다양한 구성품이 설치할 수 있도록 제작해야 한다.

Fig. 6 
Type 1 Sector combustor test rig.

Fig. 7 
Sector combustor test facility.

환형 연소기의 실제 엔진 입구조건 구현을 위해서는 실제 엔진 압축기 출구 조건을 수치해석과 선행연구를 통해 확보된 결과[10]를 활용하여 스월 베인을 제작하여 시험리그에 설치하여 연소기 입구에 공급되는 공기 선회특성을 모사하였다. 또한 연소기의 성능을 대표하는 성능지표인 전압손실, 연소기 출구 온도분포를 계측하기 위해 연소기 입구에는 전압력 센서를 설치하였고, 연소기 출구 압력/온도측정용 360° 회전 측정 레이크를 설치하였다. 또한 회전 측정레이크 후류에는 이중 냉각 연소배기가스 포집관을 설치하여 연소시험 중 배기가스 농도를 실시간으로 측정할 수 있도록 하였다.

환형 연소기 시험은 항우연에서 보유하고 있는 중압 연소기성능시험 설비를 활용했다. 항우연이 보유하고 있는 시험 설비는 공기 공급을 최대 9bar.A, 450℃, 7kg/s까지 가능하다. 설비의 전체적인 구성은 Fig. 8과 같고, Fig. 9는 항우연에 설치된 환형 연소기의 실제 시험리그이다.

Fig. 8 
Full annular combustor test facility.

Fig. 9 
Full annular reverse flow combustor.

버너 점화시험에 사용된 공기 충돌 노즐은 전북대학교에서 분무 시험[9,10]을 통해 선정된 총 3 종류의 노즐을 사용하였다. 버너 점화시험은 각 노즐에 대하여 설계 예상 공기유량조건에서 화염의 형상과 점화 위치에 따른 점화 특성을 확보하였으며 점화 시 화형 형상을 Fig. 10, 점화위치별 및 점화루프 시험결과를 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 10 
Flame characteristics of fuel nozzle.

Fig. 11 
Ignition characteristic of fuel nozzle.

섹터 연소기 성능시험은 1차와 2차에 나뉘어 총 두 번 수행하였다. 1차 섹터 연소기 성능시험은 분무 시험[8,9]과 연료노즐 버너 시험에서 선정된 연료노즐을 활용하되 돔스월러의 형상 및 위치변화를 통한 연소 최적화를 위하여 수행하였으며 그 결과를 Fig.12에 나타내었다. 돔스월러 형상에 따라 코안다 효과로 인해 화염길이를 감소시켜 라이너 온도를 높이는 특이점을 시험으로 확인하였으며 일반적인 스월화염에 가까운 노즐을 2차 시험 형상으로 선정하였다[11].

Fig. 12 
Visualized combustion test of sector #1.

2차 섹터 연소기 시험에서는 1차 시험에서 결정된 최종 인젝터를 활용하되 화염 전단면과 충돌하는 열부하가 높은 부위의 라이너의 냉각을 보완하여 시험하였다. Fig. 13의 연소 화염구조는 Fig. 12에서의 코안다 화염(좌측 1열과 2열)과는 달리 내부/외부 스월러 전단면을 따라 형성된 전형적인 스월 화염이 안정적으로 그 형태를 유지함을 확인하였다. 연소기 압력이 3 bar.a에서 9 bar.a까지 압력이 증가하면 화염 강도와 내부 반응영역(Center Reaction Zone)도 하류까지 확장되는 것을 알수 있었다. 또한, 설계점과 근접한 당량비인 0.35에서도 공기냉각과 화염의 형상에는 문제가 없었으나 시험 주변 환경에 비하여 화염 강도가 과도하여 위험 상황으로 판단하여 현장에서 최소시간만 확인만 하고 시험을 종료하였다. 이러한 시험결과를 토대로 최종 연료 노즐과 라이너 형상을 확정하였으며 환형 연소기 성능시험을 수행할 수 있게 되었다.

Fig. 13 
Visualized combustion test of sector #2.