항공우주산업기술동향 12권2호 (2014) pp. 51~57
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기술동향
Wet compression 노즐의 분무 특성 계측을 위한 기술
박태춘*, 김형모*, 유두환*, 강정식*, 박수민**, 김인원***1)
Technical Development of Measurement of Spray
Characteristics of Wet Compression Nozzle
Park, Tae Choon*, Kim, Hyung Mo*,Yu, Du Hwan*, Kang, Jeong-Seek*,
Park, Soo Min**, Kim, In Won***
ABSTRACT
Recently the study on wet compression technology has been in progress to augment power of a gas
turbine and improve its efficiency. As a part of this study, the development of water nozzles for wet
compression and the analysis of their spray characteristics should be performed. Especially droplet size
which has a considerable effect on evaporation rate, the key of wet compression is so important that we
surveyed the various methods to measure, for example, using laser diffraction and phase doppler effect. In
addition, particle image velocimetry was applied to investigate its basic flow characteristics and it was
found that the mixing between high and low momentum region of spray due to the column of impaction
pin was dominant.
초 록
최근에 가스터빈 엔진의 출력을 증대시키고 효율을 향상시키기 위해 습식 압축에 대한 연구가 진행 중이
며, 그 일환으로 습식 압축에 적합한 물분사 노즐을 개발하고 그 노즐의 분무 특성을 고찰하고자 한다. 분무
특성 중 증발률에 가장 큰 영향을 미치는 액적의 직경에 대한 분석이 중요했기에, 이를 계측하기 위한 방법에
대하여 조사를 수행하였고, 그 중 레이저 회절 분석 및 위상 도플러 분석을 활용한 계측을 수행함으로써 각 계
측법에 대한 특성을 파악하였다. 또한 물분무의 기본 유동 정보를 확보하고자 입자영상유속(PIV) 계측을 수
행하였는데, 시험 결과 충돌 핀의 기둥의 영향으로 고운동량 영역과 저운동량 영역의 혼합으로 인해 비정상
특성이 상당히 크게 존재함을 확인할 수 있었다.
Key Words : Wet Compression(습식 압축), Water Spray(물 분무), Droplet Size(액적 직경), Laser
Diffraction Analysis(광회절 분석), Phase Doppler Analysis(위상 도플러 분석)
* 박태춘, 김형모, 유두환, 강정식, 한국항공우주연구원 항공기술연구소 항공엔진실 엔진요소기술팀
origel@kari.re.kr, hmkim@kari.re.kr, dhyu@kari.re.kr, jskang@kari.re.kr
** 박수민, 과학기술연합대학원대학교(UST) 항공시스템학과
smfamily@ust.ac.kr
*** 김인원, ㈜대주기계 유체기계기술연구소
iwkim@djair.co.kr
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박태춘 외 / 항공우주산업기술동향 12/2 (2014) pp. 51~57
1. 서 론
1.1 Wet Compression 노즐
습식 압축(wet compression) 과정은 압축기 입구로
유입된 물 분무가 압축기를 거쳐 연소기 직전에 모두
증발시키는 메커니즘으로 구성된다. 따라서 대부분의
선행 연구(1)가 압축기 입구 영역에서의 대기 조건과 압
축기 출구 조건을 비교하여 압축기의 성능이 개선되었
는지를 판단하는데 초점을 두고 있다.
초기 습식 압축에 대한 연구가 시작되었던 시기에,
Kleinschmidt(2)는 습식 압축에 의한 기관의 성능 및 효
율 개선 연구를, Wilcox & Trout(3)는 터보 제트 엔진을
이용하여 습식 압축에 의한 추력의 증가 여부를 연구
하였다. 근래에 와서는 단순한 성능 개선뿐만 아니라,
노즐의 압력에 따라서 생성되는 입자들의 크기 및 관
련된 압축기의 내부에서 발생하는 물리적 현상들에 대
해 다양한 연구가 진행되고 있다.
한편 가스터빈 엔진에서 이러한 습식 압축 연구를
위해 사용되는 노즐(4)은 그림 1의 스월젯 노즐과 충격
핀 노즐이 대표적이다.
그림
1. 스월젯 노즐과 충격핀 노즐(5)
노즐은 필요한 유량이나 공간의 협소함 등의 구조
적 및 물리적으로 합당한 조건에 따라서 개수가 정해
지며, 정해진 개수의 노즐들은 매니폴드(manifold) 형
태로 구성하여 내부에 설치된다. 노즐 매니폴드의 위
치에 따라서 분무 입자는 대부분 주 유동을 따라가지
만 벨마우스(bellmouth) 등의 구조물에 충돌하기도
한다.
1.2 분무 액적의 거동 계측
최근에는 입자와 블레이드 간의 상호작용에 의해서
발생하는 물리적 현상과 이러한 현상들이 압축기의 성
능에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 심도 깊은 연구
가 진행되고 있다. 이론적으로는 직경 10 ㎛ 이하의 입
자는 주(主) 유동을 잘 따라가고, 20~30 ㎛보다 큰 사이
즈의 입자는 블레이드 표면에 부딪혀 유동의 속도 및
블레이드 회전수에 따라 스플래쉬(splash), 스프레딩
(spreading), 리바운드(rebound) 등의 물리적 현상이
나타난다고 보고(6)되었다. 이 현상들이 실질적으로 일
어나는 현상인지에 대해 규명을 하기 위해 다양한 방
법으로 실험이 진행되었는데, 주로 스테이터 베인
(vane)을 캐스케이드(cascade) 형태로 구성한 후, 내부
입자들의 거동을 광학 장비를 이용하여 관측하는 방법
이 최근 많이 이용되고 있다. 특히 레이저 회절(laser
diffraction)이나 위상 도플러(phase doppler) 효과를
활용하는 기법이나 섀도우 그래프(shadowgraphy) 등
의 방법이 있다. Eisfeld & Joos(7)는 섀도우 그래프 기
법을 이용하여 스테이터 날개로 구성한 캐스케이드를
통과하는 액적의 유동 양상을 관측하고, PDA(phase
doppler anemometry)를 이용하여 액적의 사이즈 정
보를 얻었다. 획득한 데이터를 이미지 변환을 통해 날
개 표면에서 발생하는 액적 입자 및 날개의 상호적 물
리 현상을 조사하였다.
한편 광학 장비를 통해 공기 유동을 확인할 때에는
글리세롤과 같은 공기 유동을 비슷하게 모사시킬 수
있는 물질을 이용하기도 한다. Michon 등(8)이 이러한
방식으로 1단 축류압축기에서 LDV (laser doppler
velocimetry)를 이용하여 유동장을 계측하였다. 이들
은 압축기의 로터(rotor)와 스테이터(stator) 사이에 여
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러 지점의 측정 그리드를 구성하여 LDV로 측정하고,
도출된 데이터를 활용하여 3차원 비정상 유동의 거동
을 고찰하였다.
2. 본 문
2.1 액적 특성
습식 압축에 가장 큰 영향을 미치는 인자로서 액적
의 특성에 대한 연구가 많이 진행되고 있는데, 액적의
특성 중에서도 액적의 크기(diameter)와 분무량에 대
한 연구가 가장 활발하다. 액적이 작을수록 증발률
(evaporative rate)이 높아 공기의 온도를 효과적으로
낮출 수 있고 액적에 의한 침식(erosion)도 감소시킬
수 있는데, 5~15 사이즈의 액적이 가스터빈 입구에서
의 증발에 유리하고, 압축기 날개 또는 코팅의 침식에
미치는 영향이 작아 적합하다고 알려져 있다(5).
액적의 직경 분포에 미치는 인자로는 노즐 타입, 작
용 압력, 노즐 용량 등이 있는데, 노즐 설치나 수리 등
을 고려했을 시 고유량 노즐이 유리한 반면, 노즐 개수
가 너무 적으면 분무의 분포가 나빠져 혼합(mixing)이
나 냉각이 불균일하거나 불완전해질 수 있고, 또한 액
적의 직경이 커져 증발이 잘 안될 수도 있다. 노즐 타입
은 스월젯(swirl jet) 노즐보다 상대적으로 내부 마찰
손실이 적은 충격핀(impaction pin) 노즐 방식이 좀 더
높은 유량에서 더 작은 액적을 발생시킨다.
한편 액적의 크기를 정의하는 다양한 방법이 있는
데, 습식 압축 기술에는 표면적에 대한 부피로 대표되
는 SMD(또는 D32)와 누적 체적 90%에 해당되는 직경
인 Dv90이 일반적으로 사용되고 있다.
2.2 액적 직경 계측법
입구 분무(inlet fogging)나 습식 압축 등의 입구 공
기 냉각 기술에 주로 사용되고 있는 액경 측정 기법(5)
으로는 현미경 촬영이나 고속 비디오 촬영을 통한 이
미징(imaging) 기법과 레이저 광의 산란(scattering) 기
법으로 나눌 수 있다. 레이저 산란 기법은 다시 공간 기
법과 시간 기법으로 구분되는데, 공간 기법은 레이저
빔으로 형성되는 특정 공간에 통과하는 많은 액적을
그림
2. 섀도우 그래프 및 그 결과 (Dantec 사)
그림
3. Spraytec 계측 (Malvern 사)
그림
4. PDPA 계측 (TSI 사)
순식간에 샘플링하며, 시간 기법은 주어진 시간동안
두 레이저 광으로 구성되는 횡단면을 통과하는 개별의
액적을 카운트한다.
그림 2는 이미지 기법 중 입자영상유속계(particle
image velocimetry, PIV)를 이용한 섀도우 그래프(9)의
예와 그 결과를 나타내었고, 그림 3과 4는 레이저 회절
(laser diffraction)에 의한 산란 기법 중 Spraytec 기법
과 PDPA(phase doppler particle analyzer) 기법을 본
연구에서 실제 적용한 모습이다. 특히 Dv90과 같은 액
적의 직경에 대한 부피비 분포를 나타내는 데에는
Malvern 사나 Imaging Systems 사의 공간 기법이 유
리하다고 알려져 있다(5).
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노즐명
Orifice 직경
노즐 직경
노즐 길이
PRJ-0.03
0.15 mm
11.0 mm
26.5 mm
표
1. 노즐 사이즈
그림
5. PRJ-0.03 노즐 형상과 100배 확대 이미지
2.3 액적 직경 분포
한국항공우주연구원(이하 항우연)에서는 자체 개
발한 3단 축류압축기를 활용하여 습식 압축 적용 시 압
축기의 성능 변화를 분석하고, Spraytec 및 PDPA, PIV
장비 등의 광학 장비를 이용하여 액적의 거동과 액적
이 내부 유동 및 성능에 미치는 영향을 실험적으로 고
찰하고자 한다. 이러한 기술 개발의 선행 연구로서 기
존의 해외 노즐(Spraying Systems Co.)에 대하여 단일
배치 및 이중 배치 시 분무 특성에 대하여 연구를 수행
하였다.
2.3.1 충격핀 노즐
본 연구에서 사용한 노즐(10)은 충격핀 노즐 타입으
로 그 사양 및 형상을 표 1과 그림 5에 나타내었다. 이
노즐은 압력 140 barg에서 full cone 형태의 고른 분무
형태를 이루고, 반경 방향으로 균일한 액적 크기를 가
지며, 실증 시험 조건인 공기 유속 20 m/s에서 액적 직
경이 19.7 ㎛으로 계측된 바 있다.
2.3.2 Spraytec 기법
상기 노즐에 대하여 Malvern사의 Spraytec으로 계
측한 결과 그림 6과 같은 분포를 가지며, x축은 액적 직
경으로 소형 액적의 분포에 대한 가독성을 높이기 위
해 로그 스케일로 도시하였다. 이 데이터를 기준으로
그림
6. 액적 직경에 대한 부피비 분포
SMD(D32) 값은 8.7㎛이고, Dv90 계산값은 19.7㎛임을
확인하였다.
2.3.3 노즐 출구 유동
입자영상유속계(PIV)를 활용하여 노즐에서 분사되
는 액적의 유동 특성을 고찰하고자 하였다. 노즐 축의
센터에서 2 mm 오프셋된 지점에 레이저 평면 시트를
방사하여 2차원 속도장을 계측하였고, 그 결과를 그림
7에 도시하였다. 그림에서 노즐 직후 하얀(burned) 부
분은 액적의 밀도가 높아 레이저 광의 반사(reflection)
가 심해 카메라 센서가 허용할 수 있는 광량보다 더 많
은 빛이 들어옴으로써 과노출(overexposure)되어 나
타난다. 그림에서 분무의 특징을 살펴보면, 충격핀의
기둥(column)으로 인해 그 방향으로 분사가 이루어지
지 않아 분무가 보이지 않는 영역이 나타난다. 이렇듯
미분사 영역과 분사 영역의 강한 모멘텀 차이로 인해
mixing과 unsteadiness가 심하고 와류(vortex)가 형성
되는 것을 확인할 수 있었다. PIV 분석 결과를 보면, 분
사각(injection angle)의 외형을 이루는 영역에 속도 벡
터가 존재하지 않는데, 노즐 중심부의 낮은 유속 범위
에 맞도록 레이저 펄스 지속 시간(pulse duration
그림
7. 노즐 분무 사진 및 2차원 속도 벡터 분포
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그림
8. 노즐 분사속도 분포
그림
9. 두 노즐의 분사 액적의 상호작용
time)을 세팅하였기 때문에 노즐 외부의 빠른 유속은
이미지 분석이 되지 않았기 때문이다. 펄스 지속시간
을 감소시켜 노즐 분사 속도에 맞추어 캡쳐한 사진을
adaptive correlation과 평균한 속도 벡터를 그림 8에
나타내었다.
한편 노즐이 여러 개 설치된 경우 분무 간의 상호 작
용을 고찰하기 위해 우선 노즐 2개를 설치하여 그 영향
을 조사하였다. 그림 9에서 두 분무가 서로 통과
(penetration)하면서 interaction 영역이 존재하는 것을
확인할 수 있다.
2.3.4 PDPA (Phase doppler Particle Analyzer)
아르곤 이온(Ar-ion) 레이저를 사용하여 514 nm,
488 nm 등의 파장을 분리하고 각각 편이된 빔을 서로
교차시키면 속도 및 입경 측정이 가능한 프린지
(fringe)를 얻게 된다. 이 때 광센서에 감지되는 신호는
도플러 성분과 pedestal 성분이 합쳐진 상태이며, 대역
필터를 통과시켜 도플러 성분만 얻을 수 있다. 여기서
그림
10. PDPA 장치 개략도 (TSI 사)
두 개 이상의 광 센서는 공간상으로 서로 떨어져 있는
관계로 감지되는 신호는 위상차를 보이게 되고, 이때
의 위상차는 액적 직경에 비례하고 주파수는 입자의
속도에 비례한다.
2.3.5 액적 직경 측정
위상도플러입자분석계(PDPA)를 활용하여 노즐에
서 분사되는 액적의 크기를 계측하였다. 먼저 10,000개
의 데이터를 취득하되 액적이 존재하지 않는 영역에서
는 10,000개를 취득하지 못하더라도 10초 동안만 측정
하고 다음 계측 포인트로 이송하도록 하였다. 즉, 미분
사 영역이나 분사량이 적은 영역은 데이터 개수가
10,000개를 만족하지 못해 데이터 분석이 유효하지 않
을 수 있다. 이송 간격은 5 mm이고, 노즐 센터의 위치
는 (x, y) = (75, 75)이며, 노즐로부터의 축방향 거리(z)
는 57, 100, 150, 200 mm 평면에서 PDPA 계측을 수행
하였다. 그림 11에 그 결과를 도시하였는데, 그림 11(a)
는 유효한 데이터 개수를 나타낸 것으로 5,000개 이상
의 데이터가 확보된 구간에 대해서 액적 크기를 고려
하면 된다. z=57 이후에서도 유효 데이터 개수의 경향
은 그대로 유지됨을 확인하였다. 그림 11(b)~ (e)를 살
펴보면, 노즐에 근접할수록 노즐 중심부에서 낮은 값
의 D32 (SMD)를 가지다가 하류로 갈수록 D32는 상승하
지만 전(全) 영역에 걸쳐 20~30 ㎛ 수준으로 고르게 분
포함을 알 수 있다. 그림 11(b)~(e)에서 왼쪽 아래 영역
의 액적 직경이 큰 영역ㅔ은 그림 7 및 9에서 볼 수 있
듯이 불규칙적이지만 분무 경계면에 상당히 큰 직경의
액적이 노즐로부터 떨어져 나가고 있기에 그러한 분포
를 가지는 것으로 추정된다. 또한 그림 12에 Dv90 분포
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그림
11. 노즐 출구에서의 거리에 따른 D32 분포
그림
12. 노즐 출구에서의 거리에 따른 Dv90 분포
를 도시하였는데, 그 경향은 D32와 유사하지만, 액적
그림
13. 노즐 이중 배치 시 z=57에서의 D32 분포
직경이 크게 나타난 왼쪽 아래 영역에서 Dv90이 유난히
큰 값을 가짐을 확인할 수 있다. 이는 Dv90의 정의(누적
부피의 90%에 해당하는 직경)에 따른 특성으로, D32
직경이 조금만 차이가 나더라도 Dv90은 직경의 3제곱
의 효과로 나타나기 때문이다.
한편 노즐 분무간의 상호 작용을 조사하기 위해 분
사 노즐 2개를 설치한 후 PDPA를 수행하여 그 결과를
그림 13에 도시하였다. 두 노즐의 위치는 (x, y) = (65,
15) 및 (65, 65) 이다. x축 구간을 0~50, 50~80mm로 구
분하여 계측하였는데, 이는 노즐 근처에서는 유속이
빠르고, 외곽에서는 유속이 느려 하나의 PDPA 세팅값
으로 모든 구간의 유효 데이터수를 동시에 만족할 수
없었기 때문에 두 구간으로 나누어 시험하였다. 그림
13(a)는 액적의 유효 데이터수를 나타낸 것이고, (b)는
D32 분포를 도시한 것이다. 노즐 분무 콘(cone)을 따라
15~25 ㎛ 크기의 액적이 분포하고, 두 분무가 부딪히
는 영역에서도 20 ㎛ 수준을 유지하고 있다. 분사 노즐
출구에서 분무의 속도가 빠를수록 액적 간의 충돌에
의해 에너지가 소산되며 더 작은 액적으로 쪼개지는
것으로 알려져 있다.
3. 결 론
본 연구는 습식 압축(wet compression) 기술을 적용
한 3단 축류압축기의 성능 시험을 수행하기에 앞서 물
분사 노즐의 분무 특성을 고찰하기 위한 시험 방법을
조사하고 적용 가능성을 검토하기 위해 수행되었다.
분무 시스템의 유동 및 액적 특성을 고찰하기 위해
위상 도플러 분석계(PDPA) 및 레이저 회절 분석계
(Spraytec)를 이용하여 시험하였고, 기본 유동 정보를
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위해 입자영상유속계(PIV)로 계측하였다. PIV 시험 결
과 충격핀의 기둥의 영향으로 고(高) 모멘텀 영역과 저
(低) 모멘텀 영역의 mixing으로 인해 unsteadiness가
상당히 크게 존재함을 확인할 수 있었고, PDPA 시험
을 통해 분사 노즐 출구에서의 액적 직경 분포를 확인
할 수 있었다.
이러한 시험 자료는 습식 압축을 수치해석으로 구
현하는 기법을 개발하는데 중요한 자료가 되리라 사료
된다.
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