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음향 경계 조건이 가스터빈 연소기에서의 연소불안정에 미치는 영향
임재영(Jaeyoung Lim),김대식(Deasik Kim),김성구(Seong-Ku Kim),차동진(Dong Jin Cha) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5
본 연구는 유한요소해석 기반의 Helmholtz solver인 ASCI3D를 사용하여 예혼합 가스터빈 연소기에서 연소불안정 현상과 관련된 주요 결과들을 예측하였다. 해석 결과 실험 결과와 비교할 때 일반적인 불안정 특성 예측에는 성공하였으나, 불안정 구간이 나타나는 영역을 다소 과대 예측하는 경향이 발견되었다. 이를 개선하기 위한 노력으로 반사계수가 불안정 특성에 미치는 영향이 분석되었다. 결과로부터 반사계수는 불안정 특성에 큰 영향을 미치고, 정확한 예측 결과를 얻기 위해서는 정확한 음향 경계조건의 정의가 필수적인 것으로 나타났다. This study predicts the basic characteristics of combustion instabilities in a gas turbine lean premixed combustor using ASCI3D code which is a FEM(Finite Element Method)-based Helmholtz solver. The prediction results show the good agreement with the measured data in modeling the overall combustion instability features, however, the code is found to overpredict the unstable conditions. As one of the efforts to improve the model accuracy, the effects of acoustic boundary conditions on the instability growth rate are analyzed. As a result, it is shown that the acoustic reflection coefficient has a great impact on the instability and the prediction accuracy can be enhanced by defining the precise acoustic conditions.
희박 예혼합 가스터빈 연소기에서의 유동 및 연소 특성 모델링
임재영(Jaeyoung Lim),김진아(Jinah Kim),어재경(Jaekyoung Uh),김지환(Jihwan Kim),김대식(Daesik Kim) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.11
Demand of the low fuel consumption gas turbines has recently increased in the aviation industry as well as in the power generation industry. Especially, application of lean premixed combustor in the combined cycle power plant has been generalized due to its superior fuel efficiency and emission characteristics to the diffusion type combustors. However, because the lean premixed combustor is operated under very lean low equivalence ratio, the combustion stability can be easily affected by the flow perturbations such as equivalence ratio and inlet velocity fluctuations. Therefore there have been a lot of efforts for controlling and understanding the combustion instabilities measured under the lean fuel-air mixture. As one of these efforts, this paper focused on the effects of the flame shape on the flame dynamics using CFD techniques. Results show that the modeled flame geometry is very close to the measured one after considering heat transfer from flames to the combustor wall.
국부 화염전달함수 모델링과 Helmholtz solver를 이용한 연소불안정 해석
임재영(Jaeyoung Lim),표영민(Youngmin Pyo),김성구(Sung-Ku Kim),차동진(Dong Jin Cha),김대식(Daesik Kim) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5
대부분의 열음향 모델은 얇은 화염면을 가정하고 해석하기 때문에 이러한 과도한 화염장의 단순화로부터 정의된 모델의 예측값은 실험 결과와 비교할 때, 무시할 수 없는 오차가 존재하였다. 따라서 본 논문에서는 화염의 공간적인 분포를 고려하기 위한 하나의 방법인 국부화염전달함수를 소개하고 이를 적용하여 열음향 해석 문제에서 열분포가 불안정 예측 결과에 미치는 영향을 비교, 평가하였다. 전역 화염전달함수를 이용한 모델보다 국부 화염전달함수를 적용한 모델이 성장률 예측에 있어서 오차가 줄어드는 것으로 나타났다. Most thermoacoustic(TA) models assume that the rate of heat release occurs at infinitely thin flames. This over-simplification of the reaction zone in the model is found to affect the prediction accuracy. The current paper introduces a local flame transfer function(FTF) as one of the methods considering heat release distribution. From the TA modeling results, the prediction accuracy when using the local FTF can be improved in comparison with the models using the global FTF.
음향 경계 조건이 가스터빈 연소기에서의 연소불안정에 미치는 영향
임재영(Jaeyoung Lim),김대식(Deasik Kim),김성구(Seong-Ku Kim),차동진(Dong Jin Cha) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회지 Vol.19 No.4
This study predicts the basic characteristics of combustion instabilities in a gas turbine lean premixed combustor using ASCI3D code which is a FEM(Finite Element Method)-based Helmholtz solver. The prediction results show the good agreement with the measured data in modeling the overall combustion instability features, however, the code is found to overpredict the unstable conditions. As one of the efforts to improve the model accuracy, the effects of acoustic boundary conditions on the instability growth rate are analyzed. As a result, it is shown that the acoustic reflection coefficient has a great impact on the instability and the prediction accuracy can be enhanced by defining the precise acoustic conditions.
연소응용 기술 : Helmholtz solver를 이용한 연소불안정 예측 기법 소개
임재영 ( Jaeyoung Lim ),김대식 ( Deasik Kim ),김성구 ( Seong-ku Kim ),차동진 ( Dong Jin Cha ) 한국액체미립화학회 2015 한국액체미립화학회 학술강연회 논문집 Vol.2015 No.-
Lean premixed combustion system has been used to meet strengthened NOx emission regulations. However, it can be easily affected by combustion instability. This paper introduces a FEM(Finite Element Method)-based Helmholtz solver developed to predict numerically longitudinal combustion instability. The results such as complex valued eigenfrequency and acoustic pressure field can predict resonant frequency, growth rate and modal shape for acoustic modes.
임재영(Jaeyoung Lim),김대식(Daesik Kim) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12
항공용 가스터빈에서의 배출물 규제가 강화됨에 따라 환형 연소 시스템에서도 희박 예혼합 방식의 채택이 늘어나면서 연소불안정에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 환형 시스템에서 열음향 문제를 모델링하기 위하여 자체 3D 유한요소해석을 모델 개발을 통하여 음향장을 해석하였고, 다양한 음향 모드를 벤치마크 연소기의 실험 결과와 비교/검증하였다. 또한 연소실의 횡방향 음향 모드와 노즐로부터의 축방향 섭동 간의 커플링 메커니즘을 규명하였다. 해석 결과, 연소실의 횡방향 모드는 노즐의 음향 경계 조건의 영향을 크게 받게 되고, 노즐에서의 압력 분포 역시 연소실의 압력장과 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. Due to the enhanced emission regulations in aero-engines, an annular gas turbine combustor has increasingly adapted lean premixed technology, and also has a critical issue in combustion instability. The current study developed in-house 3D FEM code in order to model thermoacoustic problems in the annular system and compared the acoustic field calculation results with measured ones from a benchmakr combustor. In addition, the coupling mechanism between the transverse mode in the combustor and the longitudinal mode was investigated. As a result, it was found that the transverse waves in the combustor were strongly affected by the nozzle acoustic impedances, as well, the pressure distributions were closely related with the combustor acoustic pressure field.