5.7.6 기본 크기 매개변수 가이드/5.7.8 산업용 엔진용 건식 저배출 연소 시스템

2023.06.19 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.7.4 압력 손실

 

연료 공기 비율과 등가 비율

등가 비율은 해당 환경에서의 국부적인 연료 대 공기 비율을 화학적 환원 값으로 나눈 값입니다. 화학적 환원 값은 연료가 모든 공기와 연소하기에 충분한 비율입니다. 주요 및 보조 영역의 해수면 정적 최대 정격을 위한 등가 비율 지침은 각각 1.02와 0.6입니다. 이러한 지침을 통해 주요 및 보조 영역에서 필요한 공기량을 평가할 수 있습니다. 이러한 비율은 주요 영역에서 약 2300K, 보조 영역에서 약 1700K의 온도를 제공할 것입니다.

1차 영역은 일반적으로 저전력에서 약한 소광을 피하기 위해 설계 지점에서 화학량론보다 조금 더 풍부해야 합니다. 또한 2차 구역까지 연소 과정에 참여하지 않는 벽면 냉각을 위해 소량의 공기가 도입될 수 있습니다.

나머지 공기는 희석을 통해 온도를 터빈 입구에서 필요한 수준으로 낮추는 3차 구역으로 유입됩니다. 조심스럽게 배치하면 3차 희석 구멍을 사용하여 트래버스(아래에서 설명)를 제어하여 노즐 가이드 베인과 터빈 블레이드 산화 및 크리프 문제를 해결할 수 있습니다.

 

출구 온도 분포

그림 5.25는 환형 연소기의 출구 평면에서 원주 방향 및 방사형 온도 분포를 보여줍니다. 주어진 연소기 설계에 대해 이러한 분포는 두 항으로 정량화됩니다.

OTDF(Overall Temperature Distribution Factor, 전체 온도 분포 계수)는 연소기 평균 온도 상승에 대한 출구 평면의 최고 온도와 평균 온도 차이의 비율입니다. 예측할 수 없으므로 리그나 엔진에서 측정해야 합니다. 리그는 트래버스 기어를 사용할 수 있으며, 엔진 Thermal paint는 터빈 노즐 가이드 베인에 활용됩니다. 최고 온도가 터빈 노즐 가이드 베인 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 개발 프로그램에서 초기 정량화가 필수적입니다. OTDF는 50% 미만, 이상적으로는 20% 미만으로 제어해야 합니다.

RTDF(Radial Temperature Distribution Factor, 방사형 온도 분포 계수)는 OTDF와 유사하지만 원주 방향 평균값을 사용합니다. 이 매개변수는 회전으로 인해 주어진 반경 방향 평면에서 원주 평균 온도를 아우르기 때문에 터빈 로터 블레이드 수명을 결정합니다. RTDF는 20% 미만으로 제어해야 합니다.

 

5.7.7 기본 효율성 및 크기 조정 지침 적용

샘플 계산은 여기에 제시된 기본 크기 조정 지침의 적용을 보여줍니다.

 

5.7.8 산업용 엔진용 건식 저배출 연소 시스템

NOx, CO 및 연소되지 않은 탄화수소의 낮은 배출량은 연소 시스템에 필수적입니다. 이는 DLE(Dry Low Emission, 건조 저배출)가 많은 응용 분야에서 필수가 된 산업용 엔진의 경우 특히 그렇습니다. 건식이라는 용어는 화염 온도를 낮추기 위해 물이나 증기가 연소기에 주입되지 않아 NOx가 발생하지 않는다는 사실과 관련이 있습니다. 이러한 육상 기반 엔진의 경우, 법률은 광범위한 작동 범위에서 지리적 위치(백만분의 1의 부피)에 따라 NOx 및 CO 배출량이 동시에 42~10 vppm 미만이 되도록 요구하고 있습니다. 기존의 연소기는 약 250 vppm을 생산합니다.

거의 모든 산업용 엔진 설계 솔루션은 연소기 외부에서 연료와 공기를 미리 혼합한 다음 연소기 내부에서 균일한 혼합물을 연소시킵니다. 이것은 연소기 내부의 고온 또는 저온 영역이 각각 많은 양의 NOx 또는 CO를 생성하기 때문에 필수적입니다. 이 같은 과정은 온도와 압력에서 자동 점화 지연 시간이 더 짧기 때문에 천연가스보다 디젤 연료의 경우 훨씬 더 어렵습니다. 차트 5.6은 균질 혼합물의 연소로 인한 온도 대 NOx 및 CO에 대한 결과를 보여줍니다. 기본 부하에서 NOx와 CO의 배출을 동시에 낮추기 위해 1차 구역은 기존 연소기 온도인 약 2300K보다 훨씬 낮은 약 1850K에서 약하게 연소되어야 합니다. 그렇게 되더라도 약 1650K에서 약한 소멸이 발생하여 무시될만한 운용 범위를 나타내기 때문에 엔진이 다시 스로틀 되므로 근본적인 문제가 발생합니다. 이것은 가변 형상, 직렬 및 병렬 연료 단계 시스템과 같은 실용적인 설계 솔루션이 설명된 5.8절에서 더 논의됩니다. 후자의 두 시스템에는 출력 수준에 따라 전환되는 추가 연료 분사 지점이 포함됩니다. 설계점과 탈 설계 모두에서 전체 엔진 성능에 미치는 유일한 영향은 연소기 입구 디퓨저 또는/및 벽 압력 손실이 약간 증가하지만 상당한 제어 복잡성을 추가합니다.

조잡한 병렬 스테이지 시스템은 기존 연소기와 동일한 길이를 갖지만 긍정적인 면적 증가를 얻을 수 있습니다. 직렬 스테이지 시스템의 경우, 필요한 면적은 기존 연소기와 거의 동일하지만 두 배의 길이가 필요합니다. 일부 사례에서는 압축기와 터빈 사이의 원래 거리를 유지하면서 필요한 길이를 달성하기 위해 기존의 환형 연소기가 다수의 방사형 포트로 대체되었습니다.

 

 

2023.06.19 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.7.4 압력 손실

5.7.4 압력 손실