주관과제명

가스발생기 고온부 설계/해석 품질 적합성 검증

과제명

저온/저압 고공 환경 연소기 점화 특성 검증시험

과제 유형

위탁연구

연구비

(VAT불포함)

총 연 구 비

1차년도

(9개월)

2차년도

(12개월)

3차년도

(12개월)

195,000 천원

65,000천원

65,000천원

65,000천원

연구기간

총 연 구 기 간

당 해 년 도 연 구 기 간

2023.4.1.～2025.12.31.(33개월)

2023.4.1.～2023.12.31.(9개월)

관련문의

성 명

김형모

전화

042-860-2858

소 속

한국항공우주연구원

이메일

hmkim@kari.re.kr

연구필요성

▪가스터빈 연소기의 고고도 점화 특성은 연소의 기본적인 반응외에도 고고도의 환경이 커플링 되어 수치적해석이나 예측이 불가능한 것으로 알려져 있음

▪이에 따라 개발중인 연소기 인젝터에 대한 고고도 점화 특성을 DB화하고 분석함으로써 고도영역별 최적의 재점화 조건을 확보

최종목표

▪1,000마력급 가스터빈 연소기의 고도점화 특성 DB확보

연차별목표 및 연구내용

1차년도

▪ 1,000마력급 연소기 단일 인젝터 점화 시험용 저비용 고공환경 모사장치 설계 및 구축

- Dry 공기 공급장치 (공기 유량: 최대 20g/s 이상)

- 공기 냉각장치 (공기 온도: 최대 -40℃이하)

- 저온 연료 공급장치 (연료 온도: -40℃ 이하)

- 고공환경 모사장치 (공기 압력: 40kPa 이하)

- 설비 운용 방안 검증 및 시험 절차 구축

▪ 단일 인젝터 연소기 점화 시험 리그 제작 및 점화 시험 방안 수립

2차년도

▪ Air-Blast 인젝터의 상온/저온 분무 및 점화 가시화 특성 확인

▪ 주관과제에서 제안하는 다양한 인젝터 및 위치 대한 점화 성능 시험

▪ 연소기 지상 운용조건에서의 상온/저온 점화 성능 시험

▪ 지상 점화 성능분석 및 최적화 인젝터 선정

▪ 연소기 고공 운용조건에서의 재점화 상황별 점화 조건 도출

3차년도

▪ 최종 형상 인젝터에 대한 고공환경에서의 저온/저압 점화 특성

▪ 연소기 설계를 위한 지상/고공 조건별 인젝터 점화특성 DB 구축

▪ 연소기 운용조건에 따른 인젝터 설계방안 수립 및 검증

기대효과

/활용방안

▪Air blast 연료인젝터에 대한 기준 DB확보

▪추후 이루어질 실환경 엔진 시험시 고도 재점화 운영방안으로 활용

기타

▪구축된 시험설비의 버너 가시화 시험 적용 등 재활용 가치 검토

주관과제명

가스발생기 고온부 설계/해석 품질 적합성 검증

과제명

터보샤프트엔진 고압단 구성품 통합 모델 냉각효율 및 열전달계수 측정 및 DB 구축

과제 유형

위탁연구

연구비

(VAT불포함)

총 연 구 비

1차년도

(9개월)

2차년도

(12개월)

3차년도

(12개월)

195,000 천원

65,000천원

65,000천원

65,000천원

연구기간

총 연 구 기 간

당 해 년 도 연 구 기 간

2023.4.1.～2025.12.31.(33개월)

2023.4.1.～2023.12.31.(9개월)

관련문의

성 명

이동호

전화

042)860-2827

소 속

항공추진연구부

이메일

rhee@kari.re.kr

연구필요성

▪가스발생기 고온부에서의 정확한 열전달 및 냉각성능 평가를 통한 설계 검증 및 후속 설계를 위한 DB 구축 필요

▪가스발생기 구성품 통합 모델(연소기-1단 터빈 노즐) 형상에 대한 상온모사 조건 막냉각효율 및 열전달계수 측정, 설계 DB 확보 및 수치해석과 비교검증 활용

최종목표

▪1,000마력급 터보샤프트엔진 가스발생기 고온부 구성품(연소기-1단 터빈 노즐) 통합모델에 대한 막냉각효율 및 열전달계수 측정

▪다양한 막냉각 홀 형상을 고려한 가스발생기 고온부 냉각설계 DB 구축 및 확장, 가스발생기 구성품 설계 및 해석툴 검증

연차별목표 및 연구내용

1차년도

▪ 연소기-1단 터빈 노즐 통합모델 시험리그 설계 및 구축

- 역류형 연소기-1단 터빈 노즐 통합 열전달/막냉각 성능시험 리그 설계/제작/구축

. 엔진 상사조건(마하수 상사 등) 구현, 시제 형상 변경, 운용조건 변화 고려

▪ 냉각성능/열전달계수 측정 시험조건 및 시험수행방안 수립

- 고속 마하수 상사조건/다양한 조건 구현방안, 연소기 출구 유동조건 평가방안 수립

- PSP 기법 및 IR 카메라 적용 막냉각효율/열전달계수 측정방안/조건 수립

2차년도

▪ 연소기-1단 터빈 노즐 통합모델 시험리그 구축 완료

▪ 연소기-1단 터빈 노즐 통합모델 막냉각효율 측정시험 수행

- PSP 기법 적용한 1단 노즐 막냉각효율 측정시험 수행

- 다양한 조건(홀 형상/배열 포함) 막냉각성능 평가 및 DB 구축(3차년도 계속)

▪ 연소기-1단 터빈 노즐(uncooled) 통합모델 열전달계수 측정 시험 착수

- 열전달계수 측정시험용 시험리그 구축, 시험 착수

3차년도

▪ 연소기-1단 터빈 노즐 통합모델 막냉각효율 측정시험 수행

- 다양한 조건(홀 형상/배열 포함) 막냉각성능 평가 및 DB 구축

▪ 연소기-1단 터빈 노즐(uncooled) 통합모델 열전달계수 측정시험 수행

- IR 카메라 활용 1단 터빈 노즐(uncooled) 열전달계수 측정

▪ 막냉각효율 및 열전달계수 측정결과 정리 및 설계 활용 DB 구축/확장

- 기존 확보된 평판 막냉각효율 및 본 과제 DB를 활용한 DB 확장

- 평판 막냉각효율 비교 분석을 통한 냉각설계 활용방안 검토

기대효과

/활용방안

▪ 가스발생기 고온부에서의 정확한 열전달 및 냉각성능 평가를 통한 설계 검증 및 후속 설계를 위한 DB 구축

▪ 신뢰성 높은 엔진 개발을 위한 필수 DB 확보 가능함

기타

▪ 엔진 상사 고속유동 조건 구현 가능, PSP 기법 및 IR카메라 활용 막냉각효율/열전달계수 측정기술 보유기관

▪ 본 시험결과 및 기보유 평판 막냉각효율 DB 핸드북 형태 기술자료 납품 필요

주관과제명

가스발생기 고온부 설계/해석 품질 적합성 검증

과제명

OpenFOAM을 활용한 가스터빈 고온부 해석도구 개발

과제 유형

위탁연구

연구비

(VAT불포함)

총 연 구 비

1차년도

(9개월)

2차년도

(12개월)

3차년도

(12개월)

120,000 천원

40,000천원

40,000천원

40,000천원

연구기간

총 연 구 기 간

당 해 년 도 연 구 기 간

2023.4.1～2025.12.31(33개월)

2023.4.1.～2023.12.31.(9개월)

관련문의

성 명

강영석

전화(☏)

042)860-2836

소 속

항공추진연구부

이메일

electra@kari.re.kr

연구필요성

▪대규모 수치해석 자원이 요구되는 가스터빈 고온부 수치해석 문제에 대해 국외 상용 CFD 코드의 의존도가 높아지고 있음

▪오픈소스 CFD 해석코드인 OpenFOAM을 활용한 가스터빈 고온부 구성품 성능평가를 위한 병렬 CFD 해석코드를 개발하여, 향후 국내 가스터빈 구성품 설계 및 성능평가에 활용 예정

최종목표

▪가스터빈 고압부 구성품 유동장 및 온도장 성능을 평가하기 위한 OpenFOAM 밀도기반 압축성 유체기계 CFD 병렬 해석코드 개발

▪개발된 CFD 해석코드를 활용하여 다양한 터빈형상 및 본 과제에서 개발된 가스터빈 고온부 주요 구성품에 대한 수치해석을 진행, 해당 고온 구성품 성능평가에 활용

연차별목표 및 연구내용

1차년도

▪OpenFOAM 밀도기반 압축성 유체기계 CFD 해석코드 개발

- OpenFOAM 밀도기반 RANS CFD 해석코드 플랫폼 구축

- 기준 터빈형상에 대한 수치해석 진행, 시험 및 타 해석결과와 비교 분석을 통한 코드 정확성, 가용성 검증

2차년도

▪OpenFOAM 밀도기반 압축성 유체기계 CFD 해석코드 활용 해석

- 개발된 CFD 해석코드 난류모델 다변화 및 수치해석 기법 다각화

- 가스발생기 다단 냉각터빈 수치해석 진행 및 코드 수정

(무냉각 다단터빈, KARI 1단 냉각터빈, 신규설계 냉각터빈 등)

3차년도

▪OpenFOAM 밀도기반 압축성 유체기계 CFD 해석코드 고도화

- 난류모델 다변화 (Scaling Resolving Simulation)

- 연소기-터빈 통합 해석모델에 대한 수치해석 진행 및 CFD 해석코드 고도화

기대효과

/활용방안

▪가스터빈 고온부 수치해석을 위한 국내 고유 전산해석 코드 개발 및 이에 대한 정확성 개선을 통한 엔진 설계/해석 신뢰성 제고

기타

▪과제 종료 후 개발된 해석코드의 소스코드 납품

▪대학원생이 참여연구원으로 포함된 대학교-대학원 연구실 본 과제 지원 가능