저 NOx형 마이크로 가스터빈 엔진의 연료분사 노즐형상 설계에 관한 연구 = A Study on the Design of Fuel Injection Nozzle of a Low-NOx Micro Gas Turbine Engine

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The problems of global warming and energy shortages are important goals that humans in the present era must address. Over the past 20 years, global power generation has been rapidly shifting from thermal power generation to renewable energy such as hydro, solar, and wind power. At the same time, global demand for electricity is steadily increasing. The era of electricity will come as the demand for electric vehicles increases due to the lack of existing fossil fuel energy. It is important worldwide to develop sustainable power generation methods for increasing electricity demand. Currently, combined power plants use various fuels such as natural gas, diesel, and crude oil through gas turbines, showing 61% thermal efficiency. However, due to the high entry barriers of gas turbine-related technologies and the avoidance of technology transfer by advanced overseas companies, foreign institutions dominate the market, and huge import costs are being spent. In particular, medium and large gas turbines should be imported at high prices such as complex structures, huge volumes, and professional cooling towers. So people are interested in distributed generation power plants. The popularity of power generation devices is increasing by using micro gas turbines with excellent reliability and operating performance than by using medium and large-sized gas turbine power generation systems. A micro gas turbine is an energy generator with a capacity of 2 to 300 kW. It provides several common functions such as variable speed, high-speed operation, small size, simple operation, easy installation, low maintenance, air bearings, low NOx emissions, and generally recuperators. Micro-gas turbines are generally used as power generation devices for injection power generation systems because they have good operation stability, reliability, and maintenance by reflecting the characteristics of gas turbines.
This study was conducted to optimally design the combustor of a 300 kW micro gas turbine engine currently under development. In order to understand the performance of the designed gas turbine engine, a test 2 kW micro gas turbine engine was manufactured and tested. The performance of the engine can be determined using the test data and problems that occur during the combustion process can be identified. After the test gas turbine engine for a long time, the conclusion that combustion inside the combustion chamber was not uniform was drawn through the surface condition of the liner inside the combustion chamber. To solve the problem, a complementary design of the combustion chamber secondary air inlet position is required. By comparing the model according to the air inlet position through CFD analysis, the model located next to the inlet determined the optimization model.
For the optimal design of the combustion chamber of a 300 kW micro gas turbine engine, a design study was conducted to optimize the shape of the fuel injector nozzle.
To achieve a higher combustion efficiency of the mixed gas in the combustion chamber, first, well-mixed homogeneous gas should be formed to accelerate the flame propagation in the chamber to reach a higher combustion temperature and pressure. In this study, four different shapes of the nozzle hole of the fuel injector were designed, and the mixed gas formation characteristics in the chamber were numerically analyzed. Three parameters—the penetration, diffusivity, and amount of fuel injected—were analyzed and compared to find the optimum shape of the nozzle hole with the highest combustion efficiency in the chamber. CFD analysis was conducted using a general-purpose CFD (Computational Fluid Dynamics) code-named PHOENICS (ver. 2020). Based on the analysis results, it was found that the penetration length (), diffusion angle (θ), and volume flow rate () of the injected fuel of Model 3 had the best injection characteristics for the well-mixed gas formation condition in the combustion chamber. Especially, the volume flow rate of the injected fuel of Model 3, which directly affects the output power of the engine, increased by more than 5%. This result is useful and informative for making a sample combustor for a combustion performance test of the model gas turbine engine. When the PIV experiment was conducted to verify the analysis result of the model nozzle CFD and the results were compared, the aerodynamic characteristics were similar.

국문 초록 (Abstract)

지구 온난화와 및 에너지 부족의 문제는 현재를 살아가는 인간이 해결해야 하는 중요한 목표이다. 지난 20년간 전 세계는 화력 발전에서 수력, 태양광, 풍력 등 재생 에너지를 통한 발전 방식으로 빠르게 전환하는 동시에 전력 수요가 꾸준하게 증가하고 있다. 현재 기존 화석 연료 에너지의 부족 때문에 전기자동차의 수요가 증가하면서 전동화 시대가 오고 있다. 증가하는 전력 수요에 대한 지속 가능한 발전 방식을 개발하는 것은 전 세계적으로 중요한 일이다. 현재 복합발전소는 가스터빈을 통해 천연가스, 경유, 원유 등 다양한 연료를 사용하여 61%에 달하는 열효율을 나타내고 있다. 하지만 가스터빈 관련 기술의 높은 진입 장벽과 해외 선진사의 기술 이전 회피로 시장 주도권을 해외 제작사에서 독점하고 있는 실정 때문에 막대한 수입 비용이 지출되고 있다. 특히 중대형 가스터빈 복잡한 구조, 거대한 볼륨, 전문적 냉각 타워 등은 높은 가격에 수입해야 한다. 그러므로 본 연구자는 분산발전(distributed generation)식 발전장치에 관심을 갖게 되었다. 중대형 가스터빈 발전시스템을 사용하는 것보다 신뢰성과 운전 성능이 우수한 마이크로 가스터빈을 이용한 전력 생성 장치에 대한 인기가 높아지고 있다. 마이크로 가스터빈(micro gas turbine)은 용량 범위가 2~300kW급 전기 발전 장치이다. 가변 속도, 고속 작동, 소형 크기, 간단한 작동성, 쉬운 설치, 낮은 유지보수, 에어 베어링, 낮은 NOx 배출 및 복열기와 같은 몇 가지 일반적인 기능을 제공한다. 마이크로 가스터빈은 일반적으로 가스터빈의 특성이 반영되어 운전 안정성, 신뢰성 및 유지보수성이 좋기 때문에 분산발전시스템 전력 생산 장치로써 많이 사용하고 있다.
본 연구는 현재 개발 중인 300kW급 마이크로 가스터빈엔진의 연소기를 최적 설계하기 위해 진행하였다. 설계한 가스터빈 엔진의 성능을 파악하기 위해 시험용 2kW급 마이크로 가스터빈 엔진을 제작하여 시험하였다. 시험 데이터를 이용하여 엔진의 성능을 판단하고 연소 과정에서 발생한 문제점을 확인할 수 있었다. 시험용 가스터빈 엔진을 장시간 시험한 후에 연소실 내부 라이너 표면 상태를 통해 연소실 내부에 연소가 균일하지 않다는 결론을 도출하였다. 문제 해결을 위해 연소실 2차 공기 입구 위치의 보완 설계가 필요하다. CFD 해석을 통해 공기 입구 위치에 따른 모델을 비교하여 입구 옆쪽에 위치한 최적화 모델을 결정하였다.
또한 확산, 정압연소(diffusion, constant pressure combustion)의 특성을 갖는 가스터빈엔진의 연소실 설계에서 연료 분사기(fuel injector)의 노즐 형상은 연소 효율에 영향을 미치는 혼합기 생성에 매우 민감하다.
300kW급 마이크로 가스터빈 엔진의 연소실 노즐 최적 설계를 위해 연료분사기 노즐 형상 최적화 설계에 관한 내용으로 노즐 형상 변화에 따른 연소실 내부에서 혼합기 생성 특성에 관해 분석하였다. 확산연소(diffusion combustion)에서 혼합가스의 생성 특성은 연소 효율에 매우 민감한 영향을 미치게 되므로 본 연구에서는 모델 엔진에 적용할 4가지 분사노즐 형상의 혼합기 생성 특성을 CFD 기법을 이용하여 비교 분석하였다. 이를 위해 노즐을 통해 분사되는 연료의 체적유량(), 확산각도(diffusion angle, θ), 관통길이(penetration length, ) 등 세 가지 주요 변수의 비
교 분석을 통해 혼합기 생성 특성을 평가하였다. 연구 결과, 연료분사노즐의 입구 측은 곡면 형상이고, 출구 측이 직각 형태인 model3형 분사노즐이 연료 분사량이 5% 이상 높으며, 확산각도 30도, 관통률 역시 1.6으로 가장 멀리 확산되는 것으로 평가되었다. Model nozzle CFD의 해석 결과를 검증하기 위한 PIV 실험을 진행하여 결과를 비교해 보니 공력 특성이 유사하게 나타났다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• 2. 가스터빈 엔진(Gas turbine engine)의 소개 4
• 3. 가스터빈을 이용한 발전설비의 작동원리 10
• 4. 마이크로 가스터빈 기술개발 경향 13
• 5. 가스터빈 연소실 선행 연구에 대한 문헌조사 15
• II. 가스터빈 엔진 설계 이론 16
• 1. 연소 이론 16
• 2. 가스터빈엔진의 이론 사이클 20
• 3. 연소실 설계 이론 30
• 4. 연소실내의 유동해석을 위한 지배방정식 31
• III. 모델 가스터빈 엔진 설계 34
• 1. 발전용 마이크로 가스터빈 설계 34
• 2. 연소실 (Combustion chamber) 설계 35
• 3. 마이크로 가스터빈 엔진 보조장치 42
• 4. 모델 가스터빈엔진의 운전제어 프로그램 44
• 5. 연소실의 사양 – 3D도면 45
• 6. 연료분사 노즐설계 47
• 7. 시험용 2kW 급 시제품 MGT엔진의 연소실 형상 49
• 8. 2kW 급 시험용 가스터빈 시험결과 분석 50
• IV. 가스터빈 연소실의 연소특성 해석 52
• 1. 가스터빈엔진 입구 위치 개선방안 52
• 2. 가스터빈의 CFD 해석하기 위해 3D 모델 53
• 3. CFD해석을 위한 입구 속도조건 54
• 4. 수치해석을 위한 격자 생성 및 경계조건 55
• 5. 가스터빈의 해석 결과 및 분석 57
• V. 가스터빈의 연료분사 노즐 설계 58
• 1. 가스터빈 NOx의 생성 58
• 2. 연료분사 노즐의 설계 방안 60
• 3. Nozzle 3D 도면 설계 61
• 4. CFD 해석을 위해 경계 조건 63
• 5. CFD 해석을 위해 격자 생성 65
• 6. CFD 공력특성 분석 67
• 7. 유동현상 측정을 위한 PIV실험 73
• 8. PIV시험을 통한 Nozzle의 분사특성 분석 77
• VI. Nozzle 해석 결과 및 분석 78
• Ⅶ. 결론 84
• 1. 종합 토의 및 결론 84
• 2. 향후 연구 계획 85
• 참고문헌 86
• 영문초록(Abstract) 90
• 감사의글

참고문헌 (Reference)

1. 발전용 가스터빈, 이변은, 경문사, 서울, pp. 252-269, , 2019

2. 발전용 가스터빈 개년설계에 관한 연구, 장재성, 박병규, 박무룡, 오군섭, 최상규, 황순찬, 최법석, 오종식, 안국영, 남지현, 김수용, 김세훈, 조수용, 이병은, 이광열, 이안성, 윤의수, 한국기계연구원, , 1998

3. 마이크로 가스터빈 엔진의 연소실 내부유동특성 분석을 위한 수치해석연구, 쑨통, 서울과학기술대학교, , 2018

4. 고속 철도 차량용 공기 제동 장치의 공기역학적 특성분석 을 위한 수치해석연구, 하양, 석사학위 논문. pp. 24-26, , 2017