5.8 연소기 – 탈 설계 성능

2023.06.20 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.7.6 기본 크기 매개변수 가이드/5.7.8 산업용 엔진용 건식 저배출 연소 시스템

 

5.8 연소기 – 탈 설계 성능

 

5.8.1 효율 및 온도 상승

차트 5.5는 모델이 알려진 입구 조건 및 연소기 체적에서 평가된 부하를 사용하여 곡선을 따라 보간할 수 있도록 선택한 곡선을 디지털화하여 엔진 정지 설계 성능 모델의 효율을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 실제로 연료 공기 비율은 차트 5.5의 세 번째 차원이지만 그 효과는 작고 연소기 설계에 따라 다릅니다. 일반 차트는 준비할 수 없으며 초기 모델에서는 무시할 수 있습니다.

다시 3장에서 설명한 연소기 온도 관계는 모든 탈 설계 조건에 적용할 수 있습니다.

 

5.8.2 압력 손실

저온 및 고온 압력 손실은 공식을 통해서 도출할 수 있습니다. 상수는 백분율 압력 손실과 입구 및 출구 매개변수가 알려진 설계점에서 도출될 수 있습니다.

 

5.8.3 연소기 안정성

잘 설계된 연소기에 연료가 올바르게 분사되면 안정성은 주로 속도, 절대 압력 및 온도의 함수입니다. 낮은 속도는 화염 안정성에 도움이 되지만, 높은 입구 압력과 온도는 공기 및 연료 분자의 밀도를 더 가깝게 하거나 분자 활동을 더 높임으로써 연소를 촉진합니다. 이 세 가지 변수는 모두 부하 매개변수(간접적으로 속도)에 포함됩니다. 안정성 상관관계를 위해 부하는 연소가 시작되는 곳인 1차 구역 공기 유량 및 체적만을 사용하여 계산됩니다. 실제로 이것은 캔의 총 부피와 질유량을 사용하여 계산된 것과 크게 다르지 않습니다. 당량비는 총 연료 유량과 1차 구역 공기 흐름을 사용하여 도출됩니다.

차트 5.7은 1차 구역 등가 비율 대 부하의 일반적인 연소기 안정성 루프를 보여줍니다. 연소가 실용적이지 않은 약 1000kg/satm1.8m3의 적재 값이 있으며 이는 주로 속도에 의해 구동됩니다. 부하가 감소함에 따라 가연성 등가 비율 밴드가 증가합니다. 농후하고 약한 소멸 연료 공기 비율은 또한 부하와 반대로 1차 구역 출구 속도에 대해 도시될 수 있으므로 절대 압력 및 온도에 대한 곡선 묶음이 있습니다.

1차 구역으로 들어가는 연소기 입구 공기의 비율은 탈 설계 운용에 대해 일정하므로 1차 구역 연료 공기 비율은 총 연소기 입구 질유량 및 연료 유량을 아는 것에서 파생될 수 있습니다. 다른 구성 요소의 과열이 일반적으로 선행하기 때문에 엔진에서는 농후 흡광이 거의 발생하지 않습니다. 그러나 약한 소광은 위협 요소이며, 정확한 곡선은 개별 연소기 설계에 크게 의존하기 때문에 리그 테스트를 통해 결정해야 합니다. 그러나 차트 5.7의 수준은 합리적인 첫 번째 지표입니다.

럼블(Rumble)이라고 하는 추가 불안정성은 약한 혼합물에서 발생할 수 있습니다. 연소 과정에서 발생하는 300~700Hz의 소음이 특징입니다.

 

5.8.4 약한 소광 대비 주변 대기 조건 및 비행 마하수

차트 5.7에서 볼 수 있듯이 산업, 선박 및 자동차 엔진의 경우, 엔진이 다시 Idle 상태로 스로틀링 될 때 부하가 약간만 증가합니다. Idle 상태에서 1차 영역 등가 비율은 일반적으로 1에서 약 0.4로 떨어지고, 추가로 정상 상태에 비해 약 30~50%의 연료 부족이 감속 중에 발생합니다. 차트 5.7은 약한 소광이 약 0.25 등가 비율임을 보여줍니다. 따라서 공회전 상태에서도 허용되는 연료 부족은 약 40%입니다. 감속 일정은 약한 소광을 방지하기 위해 설정되며, 이는 일반적으로 잘 설계된 시스템과 허용할 수 있는 범위가 넓은 경우, 일반적으로 위협 요소가 되지 않습니다.

항공기 엔진의 경우, 높은 고도 조건은 약한 소광에 대해 더 심각한 탈 설계 조건을 나타냅니다. 주요 작동 조건에서 터보팬에 대한 부하 및 연료 대 공기 비율의 일반적인 변화는 차트 5.7에도 나와 있습니다. 최악의 경우는 일반적으로 가장 높은 고도와 가장 낮은 마하수에서 Idle 바로 위까지 감속되지만 유휴 일정에 따라 이 최악의 경우에는 중간 고도에서 발생할 수 있습니다. 산업용 엔진과 달리 부하가 매우 증가하므로 작동 범위 전체에서 안정성 루프가 만족스러운지 확인하기 위해 세심한 주의를 기울여야 합니다.

 

5.8.5 시동 및 재시동 - 발화, 점화 및 재점화

드라이 크랭킹 후 연료를 연소기로 계량한 다음 점화해야 합니다. 일반적으로 점화기는 두 위치에 있으며 발화가 완료되면 나머지 버너 또는 캔에 불이 들어와야 합니다. 일반적인 발화 루프는 차트 5.7에 나와 있으며, 개별 연소기의 경우 리그 테스트로 결정해야 합니다. 라이트 오프는 부분적으로 부하에 따라 0.35–0.75 범위의 1차 영역 당량비로 발생하며 즉각적인 연소 효율은 약 60–80%입니다.

항공기 엔진에 재시동 영역 내에서 재점화할 수 있는 기능은 필수적입니다. 이러한 기능은 낮은 입구 압력과 온도로 인해 부하가 높은 고고도와 낮은 비행 마하수에서 특히 어려운 과제입니다. 5.7절에서 언급한 바와 같이, 이 비행 조건에서 윈드밀 운전할 때 300kg/satm1.8 m3 미만의 부하를 갖도록 연소기를 설계하는 것이 필수적입니다. 또한 가장 선행되는 시점에 리그 테스트 프로그램에서 고도 재점화 성능을 측정하는 것이 중요합니다.

5.8.6 연소기 리그 테스트

그림 5.26은 일반적인 연소 장치를 보여줍니다. 공기는 벤추리 측정 부분을 통해 들어갑니다. 공기는 압축되고 필요한 경우, 시험 중인 엔진 조건에 따라 입구 압력과 온도를 얻기 위해 가열됩니다. 그런 다음 연료가 연소되는 연소기 시험부를 통과하고 디퓨저와 스로틀 밸브를 통해 나옵니다. 캐뉼러 시스템의 경우, 리그 시설의 크기를 줄이기 위해 단일 캔을 테스트할 수 있습니다. 새로운 연소기 설계의 경우, 리그 테스트는 개발 엔진 테스트 이전에 필수이며 최소한 다음의 사항들을 설정하고 개발을 진행해야 합니다:

 

. 연소 효율 대비 부하 및 연료 공기 비율

. 연료를 계측하지 않고 리그 유량에 따른 연소기 냉기 손실 압력 계수

. 연소기 풍부 및 약한 소광 경계

. 연소기 점화 경계

. 열 페인트 및/또는 열전쌍을 사용한 연소기 벽 온도

. 횡단 열전쌍 레이크(Traverse Thermocouple rake) 또는 열 페인트를 사용하는 OTDF 및 RTDF

. 배출구에서 샘플링 지점을 잘 커버하는 십자형 프로브를 사용한 배출 수준

 

리그가 전체 엔진 압력에 도달할 수 없는 경우, 고려 중인 엔진 조건과 동일한 흡입구 Wp T/P로 설정해야 합니다. 그러나 절대 압력과 부하가 다르기 때문에 결과 해석에 주의를 기울여야 합니다. 쿼츠(Quartz) 관찰 창은 엄청난 값어치가 있습니다. 또한 연소기의 방풍 모델에서 물과 공기를 사용하는 냉간 테스트는 만족스러운 공기역학 값들을 도출하는 데 매우 중요한 도구입니다.

 

5.8.7 산업용 건조 저배출 시스템

5.7.7절은 산업용 엔진 DLE 시스템을 소개하고 1차 영역이 사전 혼합되고 기본 부하에서 희박하게 작동되기 때문에 부분 출력에서 약한 소광 가능성이 증가하는 것을 설명했습니다. 이를 극복하려면 가변 형상을 사용하거나 연료를 준비해야 합니다. 또한 기존의 연료 인젝터는 시동 및 저전력 작동에 필요합니다.

가변 형상 시스템에서 1차 영역으로 들어가는 공기의 양은 엔진이 다시 스로틀링 됨에 따라 약 1850K의 온도를 유지하면서 감소합니다. 나머지 공기는 보조 영역(2차 영역)으로 유출됩니다.

병렬 연료 단계 시스템에는 1차 영역에 많은 수의 버너가 있습니다. 엔진이 다시 스로틀링 됨에 따라 일부는 스위치가 꺼지고 여전히 작동 중인 엔진에 대해 약 1850K의 연소 온도를 유지합니다. 직렬 연료 단계 시스템에서 1차 영역은 약 1850K로 연료가 공급되고 2차 구역은 기본 부하에서 약간 더 낮게 연료가 공급됩니다. 엔진이 스로틀링되면 연료는 1차 영역으로 계량되어 1850–1900K를 유지하면서 약한 소광 대비 안전한 마진을 허용하고 나머지 연료는 2차 영역으로 유출됩니다. 2차 영역은 1차 영역 상류의 열로 인한 약한 소광 없이 부분 출력에서 출구 온도를 상당히 낮추도록 작동될 수 있습니다. 그림 5.27은 이러한 부분 출력 온도 프로파일을 보여줍니다. 또 다른 방법은 확산 화염(즉, 기존의 농후 연소) 파일럿 버너를 사용하여 안정성을 제공하고 미리 혼합된 메인 버너를 사용하여 가변 연료 분할을 사용하는 것입니다.

이 설명에서 DLE 연소 시스템은 제어 시스템 설계뿐만 아니라 탈 설계 및 일시적인 엔진 성능에 또 다른 차원을 도입해야 하는 것은 분명합니다.

 

 

 

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