발간 현황

점화시험은 공기 유량 변화에 따른 최소 연료량 측정을 통하여 성능이 확보되었으며 분무시험결과에 따라 코안다 효과가 없는 돔 스월러 끝단 각도 90°와 코안다 효과가 두드러진 45°로 점화시험을 수행하여 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9 
Ignition test results of sector combustor.

돔 스월러 끝단이 각도가 90°인 경우는 스월화염 형태를 가지면서 가장 작은 점화영역을 보였다. 같은 스월 화염 형태이지만 돔 스월러 끝단 각도가 45°, 노즐의 위치가 라이너 안쪽으로 이동된(Rr=0.03) 환경에서 점화 가능 영역이 가장 큰 결과를 얻었다. 위 두 가지 조건의 비교는 라이너 축방향에 설치된 점화기 위치의 변화 또는 화염각도에 따른 점화성능의 결과로 해석될 수 있다. 코안다 효과가 발생하는 45° Rr이 0인 조건은 공기유량이 작은 경우에는 점화성능이 가장 우수하였고 공기 유량변화에 영향이 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 연료/공기 혼합기가 점화기가 설치된 벽면을 따라 흐르기 때문에 점화기 위치가 영향을 주는 스월 안정화 화염과는 달리 연료/공기 당량비가 점화 영역에 지배적인 것으로 판단한다.

점화시험 단계에서 돔 스월러 끝단 각도 45°를 선정하였으며 돔 스월러 끝단 각도 60°를 제작하여 화염 형상을 확인하였다. 돔 스월러 끝단 각도가 45°인 경우 다양한 당량비와 Recess여부에 따라 Table 3과 같은 화염형상을 얻었으며 돔 스월러 끝단 각도 60°인 경우 Recess 여부에 따라 Fig. 10과 Fig. 11에 화염형상을 나타내었다. 끝단 각도가 45°인 경우, Recess 0에서 0.03으로 약간의 변화를 주었음에도 화염의 각도가 벌어지는 것을 볼 수 있다.

ϕ[-]	[dome swirler edge angle(°)]/[Rr=α/d]
	[45/0.0]	[45/0.03]
0.37
0.25
0.15

Fig. 10 
Swirl and coanda flame images@dome swirler edge=60°, ϕ=0.37 (upper Rr=0, Down Rr=0.03).

Fig. 11 
Average images of Swirl and coanda stabilized flame@dome swirler edge=60°, ϕ=0.37.

Fig. 11의 이미지는 Fig. 10과 동일한 조건이지만 노출시간을 상대적으로 길게 하여 평균 이미지의 의미를 갖도록 하여 얻은 결과이다. Fig 10으로부터 Recess의 유무에 따라 화염의 천이가 명백함을 보여주고 있음을 알 수 있다. Fig. 11의 상단에 Rr=0.03인 경우와 Rr=0인 경우를 상하로 나타내었다. Rr=0.03인 경우, CRZ(Center Recirculation Zone)와 ORZ(Outer Recirculation Zone)가 있고 그 가운데 전단면을 따라 화염대가 형성된 전형적인 스월 안정화 화염임을 알 수 있다. 같은 조건에서 Recess가 없는 경우에는 화염이 라이너에 벽면에 부착되고 ORZ가 없고 CRZ가 작게 형성되는 코안다 안정화 화염을 볼 수 있다. 해당 특이점을 다음과 같이 정리할 수 있다.

• ⋅ 코안다 화염은 라이너 벽면을 따라 반경방향으로 화염이 증가하다가 축방향을 따라 발달하는 형태를 보인다.
• ⋅ Recess가 있는 경우는 화염의 축방향 길이가 증가하고 화염의 각도가 좁아지는 스월 안정화 화염 형상에 가까운 형태를 가진다.
• ⋅ 코안다 화염은 스월 안정화 화염에 비하여 축방향 길이가 짧으며(화염각도가 큼) 라이너 벽면을 따라 발달한다.
• ⋅ 당량비가 높을수록 라이너 벽면을 따라 고온부가 더욱 강하고 넓게 생성되며 화염의 크기도 커진다.
• ⋅ 돔 스월러 끝단 각도와 Reccss양에 따라 화염천이(코안다 안정화 화염 ↔스월 안정화 화염)가 나타난다.
• ⋅ Recess변화에 대한 민감도와 관련하여, 돔스월러 끝단 각도는 선단부가 가장 날카로운 45°에서보다 60°에서 화염천이가 더욱 쉽게 발생하는 것으로 보아 화염천이에 대한 돔스월러 끝단 임계각도가 있을 것으로 유추할 수 있다.
• ⋅ Recess가 없는 경우, 라이너 벽면색이 황백색을 가짐으로써 상대적으로 라이너 온도가 높을 것임을 알 수 있다.

섹터 연소시험에서 세 가지 노즐 형태에 대하여 배기가스 분석기(HORIVA社-VA3000, FID510)를 통해 미연가스를 계측하고 연소효율에 대한 성능을 확인하였다. 연소가스를 통해 연소효율을 계산하는 방법은 참고문헌[1]을 참고하여 계산하였다. 돔 스월러 끝단 각도가 45° 인 경우, Recess가 없는 코안다 안정화 화염에서 HC와 CO를 많이 발생시키면서 스월 안정화 화염보다 연소효율이 낮게 나왔다. 돔 스월러 끝단 각도의 비교에서는 45도의 Recess 있는 경우보다도 60° Recess없는 경우가 HC와 CO가 가장 낮게 나왔다. Fig. 12와 13에 따라 연소효율이 높은 순은 돔스월러 끝단 각도 및 Recess유무에 따라 45°/NO Recess(코안다 화염) < 45° Recess(스월 화염) < 60° NO Recess(코안다 화염)의 순임을 알 수 있다.

Fig. 12 
Emissions vs ϕ of the different dome swirler edge angle and Recess.

Fig. 13 
Combustion efficiency of the different dome swirler edge angle and Recess.

결국, 연소효율이 가장 높은 60° 돔스월러 끝단 각도 노즐을 환형 연소기 시험 대상으로 선정하였으며 해당 노즐의 Recess 유무에 따른 성능시험을 수행하기로 하였다.

Fig. 14는 돔 스월러 끝단 각도 60°에 대한 환형 연소기 성능시험의 배기가스 측정 결과이다. 연소효율과 상관관계가 있는 CO와 HC 경우 섹터 연소시험과 같이 낮은 당량비에서 코안다 화염이 60∼70% 높게 나왔다.

Fig. 14 
Emissions vs ϕ of the coanda/swirl stabilized full annular combustor.

따라서 연소효율 측면에서는 스월 안정화 화염의 성능이 우수함을 알 수 있다. 연구에 사용된 라이너는 Effusion 냉각을 사용하기 때문에 벽면을 따라 주요 화염이 형성되는 코안다 안정화 화염의 특성상 라이너 벽면의 수많은 냉각공기공과 화염의 충돌로 인해 CO와 UHC가 발생할 가능성이 있을 것으로 유추하고 있다. 특히, 시험 후 사용된 라이너에 대한 분해 점검 당시, 코안다 화염이 생성되는 위치에서 soot가 확인되기도 하였다.

Fig. 15 
Combustion efficiency vs ϕ of the coanda/swirl stabilized full annular combustor.

연소기의 라이너에는 k-type 표면 온도 센서가 14개 부착되어 있으며 Fig. 16에 그 중 축방향 길이에 따른 표면 온도 값을 나타내었다.

Fig. 16 
Liner surface temperature comparison between flames for the different axial location.

앞서 화염 형상 결과에서 예상할 수 있듯이 코안다 화염의 경우 짧은 화염대로 인해 노즐 출구부와 축방향 근거리에서 온도가 상대적으로 높고 스월화염은 화염면이 라이너와 충돌하는 하류에서 보다 온도가 높음을 볼 수 있다.

연소기 후류, 즉 터빈 베인 입구에 해당하는 위치에 4개의 레이크가 배치되어 있으며 0.2∼0.3 rpm으로 레이크를 회전시켜 온도분포를 획득하였다.

Fig. 17과 Fig. 18은 각 화염형태에 따른 연소기 후류온도 패턴을 컨투어(Contour)로 나타낸 결과이며, Fig. 19, Fig. 20은 각 화염형태에 따른 후류의 Annular 방향 온도분포이다. 이때 Exhaust Temperature ratio는 보안상 실제 온도를 나타낼 수 없어 온도를 기준 온도로 나누어 무차원화 하 였다.

Fig. 17 
Combustor exit temperature distribution of coanda stabilized combustor.

Fig. 18 
Combustor exit temperature distribution of swirl stabilized combustor.

Fig. 19 
Annulus combustor exit temperature distribution of coanda stabilized combustor.

Fig. 20 
Annulus combustor exit temperature distribution of swirl stabilized combustor.

Fig. 17∼Fig. 20에서 볼 수 있듯이 코안다 화염이 연소기 후류 온도패턴에서 보다 온도 피크(Peak)가 적고 균일한 분포를 보임을 알 수 있다. 이를 정량화하기 위하여 Pattern Factor의 값으로 나타내어 보면 코안다 화염이 18%, 스월 화염이 25%로 코안다 화염이 온도분포의 균일성 면에서 우위에 있음을 알 수 있다. 화염가시화와 라이너 온도측정 결과를 토대로 코안다 화염은 축방향 반응대가 짧기 때문에 상대적으로 온도혼합을 위한 체류시간이 길어서 보다 균일한 온도분포를 갖는 것으로 예상할 수 있다.