전 세계적으로 환경오염으로 인한 배기가스 규제가 강화되면서 NOx 배출량 저감을 위한 가스터빈 개발이 이루어지고 있다. 국제민간항공기구(International Civil Aviation Organization, ICAO)에서 정해진 배기가스 규제는 NOx 배출량 저감을 위한 친환경 가스터빈 개발에 기준이 되고 있다[1, 2]. 최근에 친환경 가스터빈 연소기로써 가장 주목 받는 연소 방식은 희박 예혼합 예증발 (Lean Premixed Prevaporized, LPP) 방식이다[1, 3]. 희박 예혼합 예증발 방식은 점화가 일어나기 전에 연료를 완전히 증발시켜 공기와 균일하게 혼합이 되게하여 희박한 환경을 조성한다. 희박한 환경으로 조성된 연소기 내부에서 연소가 일어나게 되면 액적으로 된 연료의 연소가 일어나지 않게 되어 균일한 연소를 진행할 수 있고, 국부적으로 낮은 화염 온도를 유지하게 되어 NOx 배출량이 급격히 감소된다. 하지만 저 전력 조건에서 연료를 완전히 증발시키기 위해서는 많은 시간이 필요하고, 이것은 예혼합 연소 영역에서 역화가 발생될 수 있는 위험이 있다. 따라서 안정적인 점화를 위하여 액적을 빠르게 분열하고 혼합시킬 수 있도록 연소기 및 선회기의 구조와 형상을 설계해야 한다[3].

대표적인 희박 예혼합 예증발 연소기로써 General Electronics(GE)에서 개발된 이중 환형 예혼합 선회기(Twin Annular Premixing Swirler; TAPS) 방식의 연소기가 있다[4]. GE의 TAPS 연소기 개념도는 <그림 1>에 나타냈다. 축 방향 이중 선회기가 장착된 보조 분사기에서 희박환경에서의 연소를 위한 점화를 진행하고, 보조 분사기의 주변을 감싸고 있는 반경방향 선회기가 장착된 주 분사기를 통해 점화된 화염의 정도를 조절하여 엔진의 추력을 제어한다. 많은 공기가 투입되는 주 분사기는 공기의 선회유동을 효과적으로 형성시켜야하며, 선회기의 형상에 따라 선회의 정도가 변할 수 있기 때문에 적절한 설계가 필요하다[5,6].

선회 수가 0.6 미만에서는 약한 소용돌이를 형성시키기 때문에, 대부분 선회 수가 0.6 이상의 강한 선회조건을 작동시킬 수 있는 선회기를 설계한다.

본 연구에서는 주 분사기에 장착된 선회기의 선회 수에 따라 공기 유동의 유동현상을 연구하고자 하였으며, 입자영상유속계(Particle Image Velocimetry; PIV)를 이용하여 공기 유속 및 유동형상, 유동에 따른 분사 각도 등을 확인하였다.

그리고 2장의 실험장치 및 방법에서 선회기 설계, PIV 설계 및 오일 입자분사장치 설계에 대하여 살펴보고 3장의 결과 및 고찰을 통하여 4장에서 결론을 기술했다.

<그림 5>는 선회 수 증가에 따른 축 방향 속도를 PIV로 측정하였다. 중앙에 있는 속도 분포를 살펴보면 축 방향의 반대 방향으로 속도 분포가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 선회 유동에 의해 유동이 순환되는 것을 확인하였다.[12]

순환되는 영역의 크기는 선회기의 회전수에 증가함에 따라 증가하였다. 선회기의 회전수 정의에 의하면 접선 방향의 운동량과 비례하고 축 방향의 운동량에 반비례하므로 접선 방향의 운동량이 커짐에 따라 분무 노즐의 위와 아래 방향으로 퍼지는 정도가 크기 때문에 큰 선회유동이 형성됨에 따라 순환 영역이 증가하였다.

SN=0.6∼0.8 에서는 노즐 위와 아래에 순환이 생성되었다. 그러나 SN=0.9일 때는 순환의 모양이 다르게 생성되었다. 이는 접선 방향 속도가 축 방향의 속도보다 훨씬 크게 작용하여 노즐 위아래에 순환이 형성되는 것이 아니라 위아래로 흘러가는 유동만 발생하여 생기는 현상으로 파악된다.

<그림 6>은 선회 수 증가에 따른 분사 각도와 분무 거리에 따른 속도를 나타낸 것이다. 선회 수가 증가하면 선회 유동에서의 접선 방향의 속도가 증가하게 되어 분무 노즐에서 나온 유동이 접선 방향의 영향을 받아 분사 각도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 선회기를 사용하는 연소기의 유동을 전산해석을 통해 모사하였을 때와 유사한 경향을 보여준다[13-15].

분무 거리에 대한 속도를 살펴보면 노즐 중앙의 속도를 보면 음의 값이 나타나고 있다. 노즐에서 분무 거리가 증가함에 따라 속도가 음의 값에서 점점 증가하는 것을 볼 수 있다.

SN=0.9일 때는 접선 방향의 속도가 다른 선회수의 접선 속도보다 커서 분사 각도가 큼을 알 수 있다. 이러한 분사 각도 때문에 분무 거리가 증가함에도 불구하고 다른 선회 수에서 볼 수 있었던 속도 변화가 없었다.

<그림 7>은 선회 수 변화에 따른 분사 각도를 나타내고 있다. 분사 각에 대한 정확한 값은 <표 4>에 나타내었다.

SN=0.6∼0.8에서는 선회 수의 증가에 따라 분사 각도가 직선적으로 증가하다가 SN=0.9에서는 큰 폭으로 증가하였다. 이는 대기영역으로 진행하는 소용돌이의 선회수의 임계점이 0.9 근처임을 간접적으로 알 수 있다.

전 세계적으로 환경오염에 대한 관심이 많음에 따라 가스터빈엔진에서 발생하는 오염물질을 줄이려는 시도중에 하나가 연소실에 선회 유동을 발생시키는 것이다. 선회 유동을 발생시키는 선회기에는 축 방향과 반경 방향 선회기가 있다. 이 논문에서는 반경 방향 선회기의 공기 유속 및 유동현상에 대하여 연구하였다.

선회 수 증가에 따른 축 방향속도를 PIV로 측정하였더니 선회 유동에 의하여 유동이 순환되는 것을 확인하였다. 또한 선회 수가 증가함에 따라 유동의 순환 영역도 넓어 졌으나 임계 선회 수를 초과하게 되면 재순환 되지 않았다.

선회 수 증가에 따른 분사 각도를 조사하였고 선회 수가 증가함에 따라 분사 각도가 커지는 결과를 얻게 되었다. 위와 같은 결과를 통하여 반경 방향의 선회기가 가스터빈 연소실에 선회 유동을 형성하는 것을 실험적으로 입증하였다.