열음향 및 CFD 모델링을 통한 가스터빈 연소기에서의 연소불안정 해석
- 주제(키워드) 도움말 연소불안정 , 전산유체역학 , 1D 네트워크 모델 , 가스터빈 연소기 , 수소 혼소율 , 파일럿 연료비 , 출력
- 발행기관 국립강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 김대식
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 기계공학과
- 세부분야 해당없음
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000012160
- UCI I804:42001-000000012160
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
가스터빈 연소기에서는 내부의 음향파가 속도나 당량비 섭동을 유발하고, 이에 따라 발생한 열 방출의 변화가 다시 음향장과 상호작용하며 피드백 루프를 형성하게 된다. 이러한 연소불안정 현상은 연소실 내 압력 진동을 증폭시켜 성능 저하나 부품 손상을 초래할 수 있기 때문에, 설계 초기 단계에서 이를 예측하고 제어할 수 있는 해석 기술이 필요하다. 본 연구에서는 가스터빈 연소기에서 수소 혼소율, 출력(thermal power), PR(Pilot Ratio) 변화가 연소불안정 특성에 미치는 영향을 분석하였다. RANS 기반의 3차원 정상상태 CFD 해석을 통해 다양한 운전 조건에서 온도장과 OH 라디칼 분포를 계산하였으며, 이를 바탕으로 화염전달함수의 주요 인자인 시간 지연()과 시간지연분포()을 도출하였다. 이후, 도출된 인자를 열음향 모델 기반 1D 네트워크 모델에 적용하여 주요 불안정 주파수에서의 성장률을 예측하고, 실험 결과와 비교하여 모델의 신뢰성을 검토하였다. 해석 결과, 수소 혼소율, 출력, PR 변화는 화염 구조에 영향을 미치며, 이는 및 를 변화시켜 연소불안정의 성장률에 영향을 주는 것으로 나타났다. 이처럼 운전 조건에 따라 연소불안정 특성이 달라지므로, 연소기 설계 시 이러한 요소들을 종합적으로 고려할 필요가 있다. 본 연구 결과는 가스터빈 연소기의 연소불안정을 예측하고 분석하는 해석 기법 개발에 있어 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
more초록/요약 도움말
In gas turbine combustors, acoustic waves can induce perturbations in velocity and equivalence ratio. These perturbations lead to fluctuations in heat release, which in turn interact with the acoustic field, forming a feedback loop. Such combustion instabilities can amplify pressure oscillations inside the combustor, potentially causing performance degradation or component damage. Therefore, predictive and control-oriented analysis techniques are essential at the design stage. This study investigates the effects of hydrogen blending ratio, thermal power, and pilot ratio (PR) on combustion instability in a gas turbine combustor. Three-dimensional steady-state CFD simulations based on RANS were conducted to calculate temperature fields and OH radical distributions under various operating conditions. From these results, key parameters of the flame transfer function namely, the time delay () and the time delay distribution (), were extracted. These parameters were then applied to a 1D thermoacoustic network model to predict growth rates at dominant instability frequencies. The model predictions were validated against experimental data. The results show that variations in hydrogen blending ratio, thermal power, and PR significantly affect flame structure, leading to changes in and , which in turn influence instability growth rates. These findings highlight the importance of considering such operating conditions in combustor design. This work provides a foundation for developing reliable combustion instability analysis tools for gas turbine combustors.
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