추력 25kN급 항공기 가스터빈엔진용 친환경 고효율 연소기 개발 보고서를 소개함


25kN이면 바로 5600lb 정도임


이 보고서는 이 엔진에 들어가는 연소기부분에 대한 개발보고서로 21년도 작성된 자료임.


나머지 파트에 대한 내용도 조만간이면 공개되지 않을까 싶음.


이 개발 계획을 보면 의외로 개발 최종 목표가 엔진의 추력이나 수명이 아니라 오염물질 배출량과 수량등에 맞추어져 있었음.


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아래 도면은 실제 개발중인 엔진의 연소기임



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가스터빈엔진은 팬/압축기, 연소기, 터빈으로 구성되는데 이중 연소기는 엔진의 친환경 성능을 좌우하는 핵심부품이다.특히 항공용 엔진은 공간 및 무게 등 여러 가지 제약조건에 의해서 부가적인 대기오염물질 저감장치를 설치하기 어려우므로 연소 단계에서 대기오염물질 발생을 최대한 억제해야 함


특히 최근에는 중소형급인 추력 26.7kN 이상인 항공기 엔진에 대하여 더욱 엄격해진 CAEP/8 규제를 시행하였다 따라서, 민항기 엔진 시장에 진입하기 위해서는 환경규제를 만족하는 연소기 기술개발이 반드시 필요하다.


그렇다보니 이 엔진의 주 목표에 오염물질 배출억제가 아래처럼 비중이 가장 높음. 토탈 45% 정도의 목표비율이고 그 외 기계적 성능 부분은 의외로 비중이 낮음.



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그래서 결론만 말하자면 상기 개발 목표는 하기와 같이 다 초과달성하였음.



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개발들어가기전 일단 시중에 나온 해당 체급의 엔진 중 어떤 것을 롤모델로 삼을 것인가를 검토했는데 해당 체급엔진은 아래처럼 RR, GE, PW, 하니웰의 제품이 있었음.



그래서 어떤게 가장 적당한지 검토해보니까


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하니웰 HTF 7000엔진이 가장 적당하다고 평가되었음. 이 엔진 찾아보니까 처음 운전한게 99년도라니까 나름 등장시기가 너무 늦지도 않으면서 신뢰성은 쌓일 기간은 충분한 엔진으로 보임.


이 엔진을 바탕으로 설계점을 만들었는데 대략 추력은 6000파운드정도고 터빈입구온도는 1600K 정도임



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일반 가스터빈엔진은 주 연소영역의 당량비가 1.2~1.3 정도로 과농한 상태로 연소되는 방식을 사용한다. 이러한 방법은 넓은 운전범위에서 화염안정성이 우수한 반면에 고온영역에서 다량의 NOx가 발생하게 된다. 


본 과제에서는 점차 강화되는 배출물 규제를 만족하기 위해서 희박연소 기술을 적용한 항공용 연소기를 설계하였다. 희박연소란 완전연소에 필요한 연료량보다 적은 양의 연료를 공급하여(즉, 주 연소영역의 당량비를 1이하로 설계) 전체적인 화염온도를 낮게 유지해서 Thermal NOx 발생을 억제하는 기술을 적용하였음.


그래서 당량비를 0.69로 낮춘 희박연소를 하게됨. 그래서 실제 배출물 기준을 만족시켰음


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상기 원형체에 작은 원통장치를 연료노즐-선회기 조립체라고함. 세부구조는 아래처럼 되어 있는데



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위의 작은 구멍이 많이 뚫린 외피의 구조체를 라이너라고 하는데 이부분이 열을 많이 받기 때문에 수명이 짧음. 그래서 이 수명에 대한 목표치가 있는데 1000Hr 이고 달성한 상태임


어쨌든 저 모양 하나하나가 최대한 냉각을 최적화하기 위한 목적으로 설계됨. 



아래는 최대추력 조건에서 1,000 시간 운용시 이 라이너의 Creep 수명을 평가한 결과이다. Creep strain이 2% 수준으로 수렴하는 것을 볼 수 있는데, 2% Strain은 2기 크리프에서 3기 크리프로 전환되는 시점의 보수적인 기준이다. 터빈 블레이드와 같이 고온에 노출되면서 고속회전을 하여 복합하중을 극심하게 받는 구조물에 2% Strain 기준을 적용하고 있다. 연소기 라이너와 같은 고정부품은 좀 더 완화된 기준을 적용하기도 한다. 


결론적으로, 친환경 연소기는 1,000 시간 운용시 2% 수준의 Creep strain을 보이며 3기 크리프로 넘어가지 않는다고 판단되어 장수명 기준을 만족한다고 평가할 수 있다. Creep 발생에 따른 응력완화로 1,000시간 경과 후 최대응력은 80MPa 수준으로 감소한다.


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의외로 이 엔진은 성능(수명, 추력, 터빈입구온도)보다는 오염물질배출 억제 성능에 더 높은 비중을 두고 있다는 점에서 군용못지않게 민수용 목표가 크다고 보여짐. 


터빈입구온도도 1600K 정도인데 그냥 상용엔진으로 일반적인 수준임. 특히나 TIT를 올릴 수록 연소기의 연소온도가 올라가는데 앞에서 언급했듯이 이런 고온일수록  NOX가 더 많이 배출되게 되기 때문에 개발목표와 맞지 않게됨.


개인적인  추론으로는 하나의 엔진플랫폼으로 터빈입구온도 1600K 정도의 민수용 엔진과 터빈입구온도를 높힌 군용엔진으로 2가지로 개발하려는게 아닌가 싶음.


언젠가 말나온 10000lb급 엔진이 이 5500lb 엔진기반으로 터빈입구온도를 올린 덜환경 엔진일 듯 하다는게 내 생각임


출처 : [보고서]추력 25kN급 항공기 가스터빈엔진용 친환경 고효율 연소기 개발






PS 


그리고 요새 정떡 각 열심히 보시는 X생이, 클X앙, X팍등등등에서 오신 정떡 영감님들 반갑습니다.


님들은 그냥 이런 정보글이나 보고 대가리나 끄덕이고 가세요. 괜히 전쟁, 외 교글 빙자해서 정떡글 올리시지 말고요~ 


알았죠? 호두알만한 느그 뇌에서 나온 좆치적 견해 에는 저는 전~혀 관심이 없답니다.