터보샤프트 엔진 역류형 연소기 상류 스월러와 1단 노즐 베인의 상대적 위치에 따른 열전달 특성 고찰

1. 서 론

브레이튼 사이클을 기반으로 작동하는 가스터빈 엔진은 터빈으로 유입되는 연소가스의 온도(터빈 입구온도)와 비례하여 성능이 향상되며, 현대의 가스터빈의 터빈 입구온도는 고온 부품 소재의 허용 온도를 크게 상회한다. 원활하고 안정적인 가스터빈 엔진 운영을 위해서 고온 부품에는 온도를 낮추기 위한 다양한 냉각기술이 개발되어 적용되고 있는데, 이를 위해서는 고온부 통합 모델에 대한 열 및 공력적 특성에 대한 파악이 선행되어야 한다. 특히, 고압터빈의 1단 베인은 고온의 연소가스에 가장 먼저 노출되는 부품 중 하나로 수명 관리에 큰 주의를 기울여야 한다.

가스터빈 연소기에는 연료와 공기를 효과적으로 혼합할 수 있도록 스월러가 적용되는데, 선행 연구에서는 1단 베인과 연소기 스월러의 상대적 위치에 따라 열전달적, 공력적 특성이 변화하는 것을 보였다. Mansouri⁽¹⁾는 연소기-베인 통합모델에 대하여 1단 베인과 다양한 스월러 형상이 적용된 도메인에 대한 해석 결과를 분석하였으며, 스월러 형상이 하류 1단 베인의 정체점과 누셀수 분포에 미치는 영향을 전산 해석적으로 확인하였다. Yang 등⁽²⁾은 선회 유동 방향과 1단 베인의 상대적 위치를 변화시켜 해석을 수행하였으며, 이를 통해 베인 표면에서 유선 분포와 온도 분포가 달라지는 것을 확인하였다. 또한, 등치면(iso-surface)을 시각화하여 와류 분포의 차이가 이러한 변화를 유발하는 원인임을 설명하였다. Bacci 등⁽³⁾은 압력감응페인트 기법을 활용한 막냉각 효율 측정 시험에서 연소기 스월러와 베인의 상대적 위치에 따라 막냉각효율 분포의 차이가 존재하는 것을 확인하였고, 전산해석을 통하여 정체점의 분포가 달라지는 것을 확인하였다. Giller와 Schiffer⁽⁴⁾는 선형 캐스케이드의 입구 스월 수를 달리하며 디아조 기법을 활용한 막냉각효율을 측정 실험을 수행하였다. 또한, 해당 연구를 통하여 선회유동이 베인 LE(leading edge)에서의 정체점의 차이를 가져오고 캐스케이드 입구에서의 속도 분포가 달라짐을 5공 프로브 측정을 통하여 실험적으로 확인하였다.

역류형 연소기는 주로 터보샤프트, 터보팬 엔진에 적용되며, 역류형 연소기 하류에 위치한 터빈 입구에서의 유속 분포는 원주 방향으로 차이가 존재한다. 이러한 유동 특성으로 인하여 1단 베인의 경우 국부적인 열부하에 노출된다. Verma 등⁽⁵⁾은 LES(large eddy simulation) 모델을 활용한 해석을 진행하여 역류형 연소기와 하류의 베인 표면에서의 온도 분포와 입구 유속 분포를 파악하였다. 또한, 동일 형상에 대하여 RANS(Reynolds-averaged Navier–Stokes)와 LES 모델을 복합 적용한 해석을 진행하였고, 이를 비교 분석하여 RANS 모델이 LES 모델에 비해 경제적으로 역류형 연소기 1단 베인 통합 모델에 대한 열 및 공력적 특성을 파악할 수 있음을 확인하였다. 결론적으로, 두 가지 해석 모델의 결과를 통해 역류형 연소기로 인하여 하류의 1단 베인이 국부적인 열부하에 노출되는 사실을 확인할 수 있었다.

선행 연구에서는 1단 베인과 연소기 스월러의 상대적 위치에 따른 열전달적 특성에 관한 고찰과 역류형 연소기와 하류에 위치한 1단 노즐 베인에 대한 열 및 공력적 특성 파악을 위한 연구가 각각 이뤄졌다. 하지만, 역류형 연소기의 스월러와 1단 베인의 상대적 위치, 스월러 회전 방향에 관한 연구 결과는 해외에서도 찾아보기 어려우며, 국내에서는 역류형 연소기 스월러의 형상과 위치에 대한 상사시험 또는 전산해석을 통한 비교연구가 드문 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 터보샤프트 엔진에 적용되는 역류형 연소기 스월러의 상대적 위치와 방향에 따른 1단 베인의 열 및 공력적 특성을 파악하기 위하여 상용프로그램을 활용한 전산해석을 수행하였다. 전산해석은 터보샤프트 엔진의 역류형 연소기와 1단 베인을 모사한 시험리그의 형상에 대하여 진행되었다. 전산해석 도메인의 역류형 유로 상류에는 각도 10°의 베인을 갖는 스월러를 배치하였다. 또한, 스월러의 회전 방향과 1단 베인의 상대적 위치를 달리하여 RANS 해석을 수행하였고 이에 따른 열공력적 특성을 파악하였다.

2. 본 론

2.1 전산해석 모델

본 연구에서는 복합형 회전익 무인기의 터보샤프트 엔진의 역류형 연소기와 하류의 1단 베인의 형상을 모사한 역류형 선형 캐스케이드 도메인을 활용한 수치해석을 수행하였으며, 이에 대한 형상은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

Schematic of reverse-flow linear cascade test rig

스월러의 회전 방향과 상대적 위치에 따른 유동 특성 파악을 위하여 동일한 캐스케이드 도메인에 대해 베인의 각도가 10°인 상류 스월러의 회전 방향을 시계 방향과 반시계 방향으로 선정하였으며, 스월러의 상대적 위치는 베인의 LE(leading edge) 상류, 베인 통로(passage) 상류로 선정하였다. 스월러의 위치에 따른 도식과 케이스 별 세부 사항은 Fig. 2와 Table 1에 각각 나타내었다.

Fig. 2

Schematic of swirler locations and configuration parameters

Table 1

Location and direction of swirler

2.2 전산해석 경계조건

본 논문에서는 터보샤프트 엔진의 1단 베인과 스월러에 해당하는 도메인에 대하여 상용프로그램인 Ansys CFX 2023R1⁽⁶⁾을 활용하여 전산해석을 수행하였다. 스월러 상류의 도메인 입구 영역에 대하여 운전조건에 해당하는 하류의 터빈 입구 Ma 수 0.14를 만족하기 위한 온도와 유속 조건을 부여하였다. 주유동 출구에 대하여 정압조건을 설정하였고, 대류 열전달계수를 계산하기 위하여 베인 표면의 단열 벽 온도를 계산하였다. Ye 등⁽⁷⁾은 냉각설계가 적용된 1단 베인의 유동해석에서 k-ω SST 난류 모델을 활용한 누셀수 및 막냉각효율 분포가 실험 결과와 가장 일치하는 것을 보였으며, 본 연구에서도 k-ω SST 모델을 사용하였다.

전산해석 도메인에 대한 경계조건은 Fig. 3과 Table 2에 나타내었다.

Fig. 3

Schematic of fluid domain and boundary condition

Table 2

Boundary condition details

2.3 전산해석 격자조건

본 연구에서는 Ansys Meshing 2023R1⁽⁸⁾을 활용하여 격자를 생성하였다. 유동영역에 대한 사면체 격자를 활용하여 벽면 근처에서의 정확한 해석을 위해 격자의 y+ 값이 1 이하를 만족하는 프리즘 격자를 배치하였다. 또한, 베인 표면에서의 열전달계수 및 압력 분포를 관찰하기 위하여 베인 근방 영역에 대하여 격자를 더 정밀하게 생성하였다.

전산해석의 결과에서 격자수에 의한 차이를 최소화하기 위해 격자 독립성 테스트(grid independence test)를 수행하였다. Arisi 등⁽⁹⁾은 격자수에 따른 팁 표면에서의 평균 열전달계수를 활용하여 격자 독립성 테스트를 수행하였으며, 본 연구에서도 이와 유사하게 선형 베인 표면에서의 평균 열전달계수를 비교하며 격자 독립성 테스트를 진행하였다 (Fig. 4). 본 연구에서는 격자수를 증가하여도 베인 표면에서의 평균 열전달계수가 거의 변화하지 않는 2300만 개의 격자를 해석에 적용하였다.

Fig. 4

Grid independence test(vane surface average HTC)

3. 결과 및 분석

3.1 1단 베인 영역의 유동 특성

Fig. 5는 스월러의 위치와 회전방향에 따른 LE 영역에서의 와도 분포를 도시한 것으로, 역류형 연소기 슈라우드 벽면에서 유동 박리에 의해 경계층이 크게 증가하여 슈라우드 영역의 와류가 더 크게 발달하는 것을 볼 수 있다. 또한, 동일한 스월러 회전 방향인 경우, 스월러가 베인 통로 상류에 위치한 경우(PA)가 베인 앞전 상류에 위치한 경우(LE)보다 앞전 부근에서의 와류가 크게 발달하는 것을 볼 수 있다. 이는 스월러의 위치에 따라 앞전 부근의 경계층 두께와 분포가 달라지고, 이에 의해 와류의 강도도 영향을 받기 때문이며, 이러한 경향은 LE의 0.5 코드 길이(C_x) 상류의 슈라우드 (80-100% span)와 허브(0-20% span) 영역의 평균 와도를 정리한 Table 3에서 정량적으로 확인할 수 있다.

Fig. 5

Y-vorticity distribution of mainstream on leading edge

Table 3

Comparison of area-averaged Y-vorticity for the four swirler–vane configurations

Fig. 6과 7은 각각 블레이드 압력면과 흡입면 부근에서 스월러의 회전방향과 상대적 위치에 따른 와도 분포를 축 방향 코드 길이(C_x)의 0%, 33%, 66% 지점의 면에서 도시한 것이다. 압력면과 흡입면 모두 LE 부근에서의 와도 분포(Fig. 5)에서 확인한 바와 같이 주유동의 경계층이 더 두꺼운 슈라우드 영역에서 허브 영역보다 강한 와도 분포를 관찰할 수 있다. 정량적인 비교를 위하여 Fig. 8의 코드 길이(C_x) 66% 지점의 피치 방향 평균 와도 분포를 보았을 때, Fig. 6과 7에서 관찰한 바와 같이 역류형 유로의 특성상 슈라이드 부근에서 와도의 크기가 더 크게 나타난다. 또한, 스월러가 베인 통로 상류에 위치한 case 2, 4의 경우 슈라우드 방향으로의 와도 증가가 더 가파르게 나타난다. 이러한 정량적 경향은 Fig. 6과 7에서 확인된 정성적 패턴과 일관된 결과를 보였다.

Fig. 6

X-vorticity distribution of mainstream on pressure side

Fig. 7

X-vorticity distribution of mainstream on suction side

Fig. 8

Distribution of X-vorticity on suction side

Fig 9와 10은 각각 압력면과 흡입면에서의 와류 가시화를 위하여 등치면을 도시한 결과이다. 압력면의 경우(Fig. 9), Fig. 6과 같이 스월러의 위치나 방향에 따른 와류 분포의 차이를 확인하기 어렵다. 반면, 흡입면의 경우 (Fig. 10), Fig. 7의 와도 분포에서 확인할 수 있는 바와 같이 스월러의 회전 방향이 CCW일 경우(Fig. 10(c, d)) 슈라우드 영역의 횡단류 방향이 주유동의 선회 방향과 일치하여 통로와류가 크게 발달한 것이 관찰되었다.

Fig. 9

Iso-surface visualization of the pressure side by Q-criterion

Fig. 10

Iso-surface visualization of the suction side by Q-criterion

3.2 베인 표면에서의 대류 열전달계수

전산해석을 통하여 역류형 유로 하류의 베인 표면에서의 열전달 현상에 대한 대류 열전달계수를 식 (1)과 같이 계산하였다.

$\[ h=\frac{q\text{'}\text{'}}{T_{adw}-T_w} \]$

(1)

베인 표면에서의 단위 면적당 평균 열유속($$ q\text{'}\text{'}$$)을 1단 베인의 벽면 온도(T_w)와 단열 벽면 온도(T_adw)의 온도 차이로 나눠주어 계산된 대류 열전달계수 분포는 Fig. 11. 12와 같다.

Fig. 11

Distribution of heat transfer coefficient on vane pressure side

Fig. 12

Distribution of heat transfer coefficient on vane suction side

압력면의 경우 스팬 방향으로 대류 열전달계수 분포의 변화가 크지 않고, 스월러가 베인통로 상류에 위치한 경우(Fig. 11(b, d))에서 더 큰 열전달계수가 관찰되었다. 또한, 스월러의 회전방향이 CCW인 경우(Fig. 11(c, d))가 CW인 경우(Fig. 11(a, b))보다 높은 열전달계수가 계산되었다. 흡입면(Fig. 12)의 경우 스팬 방향으로 대류 열전달계수 분포의 차이가 존재하며, 발달된 통로와류로 인해 TE 부근의 허브와 슈라우드 영역의 열전달이 활발한 것을 확인할 수 있다. Fig. 6과 8에서 관찰된 바와 같이, 스월러가 CCW(Fig. 12(c, d))일 때 주유동의 선회 방향이 슈라우드 영역의 횡단류 진행 방향과 일치하여 통로와류가 더 강하게 발달하여 CW(Fig. 12(a, b))인 경우보다 흡입면의 TE 영역에서 더 큰 열전달계수가 관찰되었다.

Fig. 13은 베인 미드스팬에서의 대류 열전달계수 분포를 나타낸 것이다. 이차유동의 영향을 받지 않는 미드스팬에서는 압력면의 열전달계수가 흡입면보다 크게 나타났다. 동일한 스월러 위치에서는 스월러 회전방향이 CCW인 경우가 더 큰 열전달 계수는 나타내었으며, 동일한 회전방향인 경우에는 스월러가 베인 통로 상류에 위치한 경우가 더 큰 열전달계수를 보였다. 또한, 이러한 열전달적 특성은 베인 전체 영역의 평균 열전달계수 분포(Fig. 14)에서 정량적인 비교가 가능하며, 스월러가 통로 상류에 위치하고 회전 방향이 CCW인 경우 압력면과 흡입면에서 높은 열전달계수가 계산된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13

Distribution of heat transfer coefficient on vane mid-span

Fig. 14

Average heat transfer coefficient for the vane surface

4. 결 론

본 연구에서는 역류형 연소기와 하류의 1단 베인에 대하여 스월러 위치와 회전 방향이 베인 근방에서의 공력적, 열전달적 특성에 미치는 영향을 파악하고자 전산해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

• 1) 베인 LE 영역에서 와도 분포를 관찰하였을 때, 슈라우드 영역에서의 경계층이 허브 영역보다 두껍게 형성되며, 이로 인해 슈라우드 영역에서 이차유동이 더 활발하게 발달한 것을 확인할 수 있다.
• 2) 스월러가 베인 통로 상류에 위치할 경우 통로와류가 보다 강하게 형성되고, 이에 따라 TE의 허브 및 슈라우드 영역에서 열전달이 촉진되는 것을 확인하였다.
• 3) 스월러의 회전 방향이 CCW일 때, 주유동의 선회 방향이 슈라우드 영역의 횡단류의 진행 방향과 일치하여 통로 내 이차유동이 강하게 형성되었으며, 이에 따라 베인 표면에서의 대류 열전달계수가 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

본 연구에서는 스월러 각도를 고정하고 스월러의 위치와 회전방향에 대한 해석적 연구가 수행되었다. 본 연구 결과를 바탕으로 역류형 가스터빈 연소기에서 스월러 각도를 증가시킨 경우에 대한 실험적 연구가 진행 중이며, 베인 표면의 열전달과 막냉각 효율에 대한 결과가 제시될 예정이다.

Acknowledgments

이 논문은 2025년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방기술진흥연구소의 지원(KRIT-CT-22-042)을 받아 수행된 연구임.

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