1. 서 론
2. 시험대상
2.1 시험대상 연료
2.2 시험 대상 연료노즐
2.3 연료분무 시험장치
3. 시험결과
3.1 분무각 비교
3.2 연료/온도별 유량계수의 비교
3.3 연료/온도별 분무직경 비교
4. 결 론
1. 서 론
인류는 18세기 산업 혁명이후 폭발적인 화석 에너지의 소비를 통해 지구에 많은 연소화합 배기가스를 배출하고 있으며, 이 배기가스는 적외선 복사열을 흡수하거나 재방출하여 온실효과를 유발시켜 지구의 전체 온도를 상승시키고 있다.
온실가스(GHG) 감축은 인류의 생존을 위한 시급하고도 가장 중요한 문제로, 기후 변화 극복 및 미래 세대의 생존 지속을 담보하기 위해서는 온실가스 배출을 저감하여하고, 이를 통한 탄소중립 달성은 국제사회의 최우선적인 과제로서 전세계적인 공통의 목표가되었다[1].
이를 위해 세계 선진 항공엔진 개발사들은 친환경 연료인 수소, 태양열, 전기, 합성연료, e-fuel등을 동력으로 사용하여 추진하는 항공엔진들의 개발에 나서고 있으며 일부는 시험비행에 나서는 등 탄소중립을 위한 기술개발들이 진척되고 있다. 하지만 수소연료의 경우 수소를 저장하기 위한 기술 및 안전 문제 등으로, 전기 추진 엔진의 경우는 낮은 밧데리 축전 문제, 태양열의 경우 낮은 태양전지 효율문제등으로 기존 액체 연료사용 항공기에 비해 낮은 항속거리를 가지고 있으며, 기술적으로도 많은 난제를 가지고 있다[2].
기존 제트연료를 활용하여 추진하는 항공엔진에 대한 탄소중립을 향한 노력도 지속되고 있다. 이러한 노력들은 국제민간항공기구(ICAO)를 중심으로 이루어지고 있다. ICAO는 화석연료 사용에 따른 문제점 개선을 위해 크게 비행에 필요한 연료소모율을 개선하는 것과 바이오항공유와 같은 탄소중립연료를 사용하는 것을 권고하고 기술개발을 위한 제도마련에 앞장서고 있다[1].
탄소중립연료에는 바이오항공유, e-fue[4]등이 있다. 바이오항공유는 원료인 바이오매스가 탄소중립이라는 가치하에 적용되는 것으로서 세계 각국은 상업용 민항기이외에 군용 분야에서도 바이오항공유의 개발 및 적용에 많은 노력을 기울이고있다[3].
그린 수소로부터 합성된 탄화수소계연료의 e-fuel (Electrofuel)은 석유기반 연료와 물성 및 화학 조성이 유사하고 높은 에너지밀도를 보여 유망한 연료로 관심을 받고 있으나, 그린수소의 생산 및 연료합성 공정에 재생에너지가 활용되면서 아직은 가격 경쟁력을 확보하기 위해 많은 연구가 필요하다[4].
순수 탄화수소 연료는 수소와 탄소로만 이루어진 연료를 일컬었으나, 일반적으로 널리 사용되고 있는 광유계의 연료는 수백종류 이상의 물질로 이루어진 종합체이다. 탄화수소 연료는 탄소의 수량에 따라 그 상(phase)이 결정되는데 네 개의 탄소원자 이상으로 이루어진 탄화수소 연료는 기체 상을, 그리고 약 20개 이상의 탄소로 이루어진 연료는 고체 상을 가지며, 중간 탄소수량을 갖은 연료는 액체의 형태를 띄게 된다.
광유로부터 취출된 항공유는 화학적으로 크게 4가지 성분인 Paraffins, Olefins, Naphethen, Aromatics으로 분류할 수 있으며, 동 성분들의 함량이 연료의 성질을 좌우하는 것으로 알려져 있다[5]. 연료를 이루는 주성분인 n-Paraffins, iso-Paraffins, Cyclo-Paraffins, Olefins, 그리고 Aromatics은 주어진 온도에서 카본수의 증가에 따라 점도가 증가하며, 같은 탄소수를 가지는 경우 Cyclo-Paraffins과 Aromatics가 많을수록 점도가 높은 것으로 보고되고 있으며, 각 성분들은 탄소수 범위별로 온도가 낮아질수록 점도가 증가하는 율이 다름을 실험적으로 보이고 이를 모델화 하였다[6].
신규로 개발되는 연료를 대체연료로 사용되기 위하여 수행되는 시험인증절차는 ASTM D4054[7]의 규격에 제시되어있다. ASTM D4054에 제시된 규격은 엔진 OEM사의 인증전에 수행되어야 할 시험 평가방법을 제시한것으로 총 4개의 단계로 구성된다.
동 규격의 Tier 1 및 2는 기본적으로 대체 대상 연료의 대표적인 물성치인 연소열, 밀도, 점도, 표면장력 등의 대표 물성치가 기존 연료의 규격과 부합되도록 조성되어있는지, 또한 연료가 사용목적에 부합되도록 특성이 조정되어있는지를 검토하는 것이며, Tier 3에서는 연료조정기, 연료펌프, 연료노즐, 연소기 적용시험을 통해 대체연료가 구성품에 적합한지, Tier 4에서는 실제 엔진시험을 통해 연료의 적합성을 검토하게 된다.
본 연구는 국내에서 개발된 혼합바이오항공유에 대하여 ASTM D4054의 Tier 3 단계에서 수행되는 엔진 구성품의 연료적합도를 알아보기 위한 시험의 일환으로 수행된 것으로, 연료간 혼합으로 변경된 연료의 물리적 특성이 연소기 구성품인 연료노즐의 분무특성에 어떻게 영향을 미치는가를 파악하기 위한 목적으로 수행되었다.
2. 시험대상
2.1 시험대상 연료
Jet A-1 연료는 아시아지역에서 광법위하게 사용되는 항공유로서 군용 JP-8 연료와 동일한 조성이나, JP-8 연료의 경우는 군용으로 사용되기 위하여 정전기방지제, Anti-fungus 등과 같은 여러가지 첨가물이 첨가된 연료이다.
본 연구에서 사용된 연료는 Palm Oil를 재료로 HEFA기법으로 제조생산된 100% Bio 항공유와 기존 Jet A-1연료를 부피비율 50:50으로 혼합한 혼합바이오 항공유이다.
ASTM D4054 규격에서는 HEFA(Hydro-processsed Esters and Fatty Acids, 이하 HEFA) 공정을 포함하여 5가지의 혼합바이오항공유가 사용 가능하도록 인증되어있으며, HEFA 공법에 의한 바이오 혼합 항공유의경우ASTM D7566에 의해 기존 항공유와의 혼합율을 50% 범위에서 허용하고 있다[8].
100% 바이오 항공유는 Table 1에 보이는 바와 같이 제조공법의 특성상 Aromatics 성분이 없으며, 저온유화 특성 향상을 위해 Hydro-treating 공정을 통해 iso-Alkane 성분을 대부분 함유하고 있는 Paraffins 계열의 연료이다[9].
Table 1
Components of fuels by GC method[9].
| Fuel |
Components of fuels [area% - GC mass, Weight] | |||
| Paraffins | Olefins | Aromatics | ||
|
Nor+Iso Paraff ine |
Cyclo Paraff ine | |||
| Bio-jet100* | 97.2 | 2.8 | 0 | 0 |
| Bio-jet50** | 71.4 | 15.95 | 1.2 | 11.4 |
| Jet A-1 | 45.6 | 29.1 | 2.4 | 22.8 |
Table 2
Comparisn of pysical properties[10].
| Items | Test Standard | Spec* | Fuel | |
| Jet A-1 | Bio-50 | |||
| Flash point(℃) | ASTM D56 | Min. 38 | 41 | 42 |
|
Density (kg/m3, 15℃) | ASTM D4052 | 775~840 | 803 | 776 |
| Freezing point(℃) | ASTM D7153 | Min. -47 | -51 | -48.6 |
|
Kinematic Viscosity (mm2/s,-20℃) | ASTM D445 | Max. 8.0 | 4.2 | 3.664 |
*Fuel Spec : ASTM D1655-18a[11]
순수 바이오항공유와 기존 Jet A-1 연료의 물리적인 혼합유인 혼합 바이오항공유는 바이오항공유의 낮은 Aromatics 함량으로 인해 밀도가 낮고 Aromatics 및 iso/nor-Paraffins의 함량차이로 인해 Jet A-1 연료와는 온도에 따른 동점도 및 밀도가 약간 상이한 특성을 가지고 있다
혼합바이오 항공유의 경우에는 Fig. 1에서 보이는 바와 같이 약 0℃를 경계로 하여 낮은 온도에서는 Jet A-1이 높은 동점도를 가지며, 높은 온도범위에서는 혼합바이오항공유가 높은 값을 갖지만 차이는 크지 않은 반면 다른 기울기를 가지고 있는 것으로 분석된다. 동점도의 차이는 10℃이후 온도범위가 더 확장될수록 차이가 증가하는 경향을 가지고 있다.
연료의 동점도는 가스터빈 연소기의 연료분무에 있어 매우 중요한 요소중의 하나로 연료의 미립화 및 윤활 특성에 큰 영향을 끼친다. SMD에 관한 Eq. 6의 관계에서 볼수 있듯 점도가 너무 높은 경우에는 직접적으로 연소기의 연료 분무 특성을 저하시키며, 특히 낮은 온도에서의 높은 점도로 인해 추운 겨울 환경에서의 지상 점화나, 낮은 대기조건에서의 공중 재점화를 어렵게 한다[12]. 또한 비행체 연료계통의 연료의 이송을 위한 이송라인에 과도한 압력손실을 일으켜 엔진으로의 정상적인 연료의 이송을 어렵게 할 수 있으므로 매우 중요한 요소이다. 따라서 항공엔진 연료의 경우 ASTM D7566-18 에서는 Jet A-1과 Jet A-1의 경우 연료의 동점도값이 –20℃에서 8.0 mm2/s를 초과하지 않도록 규정하고 있다[8].
Fig. 1은 본 시험에 활용된 시험용 연료의 기본특성을 나타낸 것으로 온도에 대한 표면장력, 밀도, 동점도에 대한 특성을 나타내고 있다[5,10].
연료 점도는 연료 분무시 액막 분열에 의한 액적 생성과정에서 가장 중요한 물성치중의 하나로 이와 같은 동점도의 기울기 차이는 분무 미립화 특성에 영향을 주는 인자로 분석되고 있다[12].
기준 연료로 사용된 Jet A-1은 광유기반 연료로서 연료원유의 출처 및 가공방법에 따라 ASTM D1655에 규정된 범위내에서 상이한 물리/화학적인 특성을 가질 수 있으므로, 본 시험에서는 동일한 Jet A-1연료에 바이오항공유를 혼합함으로써 시험의 균일도를 유지하고자 하였다.
2.2 시험 대상 연료노즐
시험에 사용된 연료노즐은 Fig. 2에 도시된 압력식 스월 노즐이다. 노즐의 길이 대 직경비(lo/do)는 0.85, 직경은 0.6 mm로, 두개의 접섭포트를 통하여 연료가 노즐의 스월챔버내로 인입되는 압력식 스월 노즐의 구조이며, Converge Type이 적용되었다.
압력식 스월 노즐은 스월챔버내에서 연료가 접선방향 포트를 통해 유입되어 스월챔버내에서 스월운동을 일으키며 출구 오리피스를 통해 유출되므로, 일정 조건이상의 선회비에서는 에서는 스월챔버내부 및 외부에 Air Core을 형성시키게 되며, 이러한 구조로 인해 출구 오리피스의 유동면적을 일정부분 차단시키는 효과를 가져오게 됨으로써 유량계수가 낮은 것이 특징이다[12].
Radcliffe[13]는 광범위한 밀도와 점도를 가지는 작동유체를 대상으로 연료 분사 노즐을 시험한 결과, 노즐 오리피스 직경을 기준으로 계산한 Re수와 유량계수(Cd)사이에는 일정한 관계를 형성하고 있어, 낮은 Re수에서는 낮은 점도의 유체는 오리피스의 필름두께를 두껍게 형성시켜 유량계수를 증가시키게 되며, 작은 FN 수를 가지는 노즐에서는 3,000 이상의 Re 조건을 가지는 보통의 유동조건에서는 유량계수는 Re수에 영향받지 않는다고 보고한 바가 있다.
2.3 연료분무 시험장치
연료의 온도에 따른 Jet A-1과 혼합바이오 항공유의 분무특성을 조사하기 위하여 연료 온도 냉각장치, 연료량 조절을 위한 가압기구, 비접촉식 레이져 계측 시험장치로 구성된 리그 시험장치를 Fig. 3과 같이 구성하였다. 본 시험에서 측정하고자 하는 대표 분무 특성은 유량계수(Cd), 분무각, 분무입경 및 속도로서 계측시 유동장에 영향을 미치지 않는 레이저 평면광을 이용한 이미지 획득과 PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer) 비접촉식 계측방법을 활용하였다.
분무각은 120 mJ/pulse의 에너지와 15 Hz로 작동하는 Nd:YAG 레이저(Dantec Co., Denamrk)의 광원을 실리더리컬 렌즈를 이용하여 평면광으로 변환하여 분무에 조사하고, 니콘 50 mm F1.8 렌즈를 장착한 PowerView(4MP, 2048×2048 pixels) CCD 카메라를 이용하였다.
연료냉각을 위해서는 연료가 저장되어있는 탱크내에 액체 질소와의 간접 열교환를 통해 연료를 냉각시킬 수 있는 열교환용 냉각코일을 설치하고 연료노즐까지 공급되는 배관에서의 온도변화 세부 조정을 위해 중간 배관단에 추가적인 냉각칠러(Jeiotech-Lab. Companion HTRC-30)를 설치하여 연료노즐 출구단에서의 온도를 최대한 모의하도록 구성하였다. 연료의 공급은 불활성 질소가스를 이용하여 연료탱크 내를 가압시켜 탱크 외부로의 연료유출 압력을 조절함으로써 연료노즐로 공급되는 연료의 압력을 제어하고자 하였으며, 연료의 질량유량은 기어타입 유량계 (KEM Liebigstraße ZHA02 KL.W.V, Germany)가 활용되었다. 연료노즐로부터 분출되는 연료의 온도 및 압력은 연료노즐 출구단 바로 앞에서 K-type 열전대(Omega Engineering, Inc., USA)와 압력센서(BME-1100-500A, Kulite Inc., USA)를 사용하여 측정하였다.
연료의 분무각은 기준 이미지의 그레이 스케일로부터 분무 경계에 대한 Threshold Level을 미리 정의하고 레이져 평면광과 CCD 카메라를 이용하여 시험조건별로 획득한 50장의 이미지를 평균하여 사전 그레이 스케일의 정의에 따라 분석하였다. 시험은 각 조건별로 1분 이상의 안정화시간 이후에 측정되었다.
온도 및 분사압력에 따른 연료간 비교시험을 위해 연료온도는 -30℃, -20℃, 0℃, 20℃, 60℃ 에서 시험 수행되었으며, 분사압력은 대기중으로 분무하는 조건으로 노즐 입구압력을 6, 7.5, 9 bar 조건에서 시험 수행하였다. 노즐 유동에서의 Reynolds 수는 특성변수로 노즐출구에서의 직경 Dexit를 특성직경으로 선정하였으며 이를 바탕으로 노즐출구에서의 속도를 특성 속도로 고려하였다. 또한 유량계수 산출을 위한 유량의 측정은 비이커를 활용하여 분무된 유량을 1분간 다섯번 측정하여 산출하였다.
3. 시험결과
3.1 분무각 비교
연료 분무의 분무각은 가스터빈 연소기에서는 공간내 연료의 분포를 좌우하는 중요인자로 연소기 출구의 온도분포를 좌우하는 연료노즐의 주요 영향중의 하나로[14] Liu[15]는 압력식 스월노즐을 사용한 시험에서 분무각은 입구압이 증가할수록 증가하나, 일정 압력범위를 넘어서면 점차 일정해지는 경향을 나타내는 것으로 보고하였으며, Chen과 Lefebvre의 연구[16]에서는 입구압력이 일정한 경우 액체의 점성이 작아질수록 분무각이 크게 형성된다고 보고하였다.
분무각은 연소기 챔버내에 연료의 분포를 반영하는 것으로 너무 작은 분무각을 가지는 경우 연소기내 혼합을 저해하며 연소기 표면을 과열시켜 Carbon이 쌓이게 되며 연소기 전체의 효율을 저해시키는 요소로 작용하게 된다[17].
Fig. 6은 분사압력 증가 및 연료온도에 따른 분무각 변화를 나타내고 있다. 분무각은 입구압력이 증가할수록 분무각이 상승하다가, 3 bar 에서 6 bar 로 증가하는 동안 크게 증가하였다가 6 bar 이후 지역에서는 소폭 감소하며 안정화되는 경향을 나타내었다. 일정 분사압력 이상에서 분무각이 소폭 감소하게 되는 현상은 노즐의 스월 챔버 및 오리피스부에서 분사 압력증가에 따라 유속이 빨라져 각운동량이 증가하지만 이와 동시에 마찰 손실이 증가하여 축방향 운동량 대비 각운동량 손실이 증가하기 때문인 것으로 유추된다.
시험에 적용된 연료 온도 범위(-30°C∼+60°C)에서 분무각 변화를 살펴보면 두 연료의 분무각은 10°C 이상에서 유사한 값을 나타내는 반면, 저온 영역에서 Bio-jet50의 분무각이 크게 나타나고 있다. 이 결과는 연료 온도가 감소할수록 Jet A-1과 Bio-jet50의 점도차이가 증가하여 –30°C에서 Jet A-1의 점도가 Bio-jet50보다 5% 정도 크기 때문이다. 따라서 점도가 작은 Bio-jet50의 경우 노즐 내부에 상대적으로 높은 각운동량을 형성하기 때문이다. 연료의 온도가 +60°C에서 –30°C로 감소할 때 A-1과 Bio-jet50의 분무각은 분사압력 6 bar에서 각각 26°와 17° 감소하는 결과를 나타냈다. 따라서 연료의 온도 변화에 따른 점도가 분무각에 많은 영향을 미침을 알 수 있다.
연료변경에 따른 분문각 변화에 대한 영향을 가스터빈 엔진 연소기에 적용하면, 본 연구에서 시험수행된 조건의 경우 Fig. 6에서 보이는바와 같이 저온 조건에서 10도 이상의 분무각 변화를 보이므로, 이에 대응하여 최초 점화기의 위치 선정시 이를 고려하여 점화기의 위치를 선정하여야 한다. 또한, 기존 연소기에 대응하여 연료를 변경하는 경우 점화기의 위치는 고정되어있으므로, 점화기의 점화에너지를 높여 확률적인 점화가능성을 높여야 함을 알 수 있다.
3.2 연료/온도별 유량계수의 비교
연료 노즐의 유량계수는 이론 연료량에 대한 실제 유량의 비로서 분사량을 평가하는 중요한 변수 중의 하나로 Eq. 1과 같이 정의된다[12]. 압력식 스월 노즐의 유량계수는 일반적으로 분사압력이 증가함에 따라 감소하다가 일정한 값에 수렴하는 경향을 보이며, 압력식 스월 노즐의 스월챔버 내부에 형성된 각운동량으로 인해 노즐 오리피스 또는 스월챔버 내부 까지 확장된 Air Core로 인하여 유효 유동면적(effective flow area: 노즐 오리피스 면적-Air Core 면적)이 변화하기 때문으로 알려져 있다[12].
압력식 스월 노즐은 스월 챔버 내부로 접선방향으로 유입된 연료에 의해 형성되는 각운동량에 의한 분무각 증가와 이에 따라 얇아진 액막 분열을 통한 미립화 특성 향상이라는 큰 장점과 더불어 Air Core의 존재에 의한 분사량 예측이 어렵다는 단점을 동시에 갖고 있다. 따라서 압력식 스월 노즐의 Air Core 발생 특성에 대한 이해와 유량계수 예측은 가스터빈 엔진 연료펌핑 시스템 구성을 위해서는 반듯이 사전에 파악이 되어야 하는 중요한 변수이다.
이와 관련하여 많은 연구자들은 압력식 스월 노즐의 오리피스 내부에 생성되는 Air Core의 크기와 분사압력과의 상관관계 도출을 위한 다양한 연구를 수행하였다. 특히 비점성 유동의 경우 Giffen과 Muraszew에 등은 노즐의 스월 챔버 형상 또는 측정된 유량계수로부터 air core의 크기를 평가할 수 있는 Eq. 1,2,3,4와 같은 상관식을 제시하였다[12].
Fig. 7은 두 연료 사이의 유량계수 변화를 나타낸 것이다. 두 연료 사이의 유량계수 변화를 비교해 보면, +60°C의 높은 온도에서 두 연료의 유량계수 차이는 작지만, 낮은 온도로 갈수록 Bio-jet50 연료의 유량계수가 Jet A-1 연료에 비해 높게 나타나고 있다. 이것은 저온에서 Bio-jet50 연료의 점도가 Jet A-1 연료보다 작기 때문으로, 낮은 점도로 인하여 각운동량 생성에 유리하지만, 이와 동시에 감소된 마찰과 증가된 축방향 속도로 인해 오리피스 내 Air Core가 감소하기 때문이다. 유량계수는 앞서 언급한 Air Core의 형성과 밀접한 관계가 있는 것으로, 연료 온도가 낮을수록 유량계수가 증가한다는 것은 노즐 오리피스 내부에 형성되는 Air Core의 크기가 작아져서 유효 유동면적이 증가함을 의미하는 것이다. 연료의 온도가 낮아지면 밀도 및 점성력이 증가한다. 관성력은 분무각이 커지게 하는 요소로 작용하고, 점성력은 스월 챔버 및 오리피스 내부의 증가된 마찰력에 의해 각운동량이 감소하게 되는 요소로 작용하게 된다. 즉 Eq. 3에 나타낸 것과 같이 유량계수는 속도계수(Cv)와 면적계수(Cc)의 관계로 결정되게 되는데, 본 시험에서는 점도 증가에 따른 속도계수(Cv) 감소보다 Air Core의 크기 감소에 의한 면적계수(Cc) 증가가 더 지배적인 영향을 미친 것으로 보인다.
항공용 가스터빈 연소기의 경우는 낮은 대기온도 조건에서 장시간 보관된 후 점화되는 경우가 발생하게 된다. 일반적으로 항공용 가스터빈의 연료시스템은 점화초기 Closed-loop 제어로직이 아닌 미리 설정된 연료미터링 값에 따라 점화가 이루어지므로 낮은 온도조건에서의 연료 노즐의 유량계수의 특성을 반영하여 점화시 연료미터링 스케쥴을 고려해야 함을 알 수 있다. 또한 마찬가지로 항공용 엔진이 고도 운용조건에서 화염소실 후 공중의 낮은 대기 온도조건에서 연소기의 재점화가 필요한 경우 연료 노즐의 유량계수값을 고려하여 연료의 미터링 스케쥴을 수행해야 함을 알 수 있다. 연소기의 점화성능에는 점화기 근처에서의 연료가 가스화된 후의 Air/Fuel ratio 및 점화 에너지값이 중요하며, 점화기 근처에서의 연료/공기 혼합기 형성을 위해서는 연료의 분무각 및 연료의 유량 분배 특성이 중요하다.
3.3 연료/온도별 분무직경 비교
연료 분무의 미립화특성을 표현하기 위한 액적 크기로는 평균직경과 대표직경이 사용되고 있다. 평균 액적 직경은 다양한 크기의 액적으로 구성된 연료 분무의 개별적인 액적 직경을 대표하여 균일한 액적의 집합으로 나타낸 것으로 크기 분포에 대한 정보는 제공하지 않지만 노즐의 미립화 정도를 평가하는 척도로 사용된다. 응용분야에 따라 평균직경에 대한 정의가 다양하게 이루어지고 있으며 평균직경은 다음과 같은 식으로 표현된다.
, 인 경우를 산술평균직경(AMD, Arithmetic Mean Diameter, ), , 인 경우를 상대 표면적 직경(Relative Surface Diameter, ), , 인 경우를 체적-표면적 직경(Volume-Surface, )으로 정의하며, 모든 액적의 전체 체적과 표면적의 비에 상당하는 직경으로 액적군의 총 체적에 대한 총 표면적의 역수에 비례하므로 분사된 액체가 주위 기체와 표면을 통해 접촉하기 위하여 얼마나 미립화 하였는가를 보여주는 유용한 척도가 되며 SMD (Sauter Mean Diameter, D32)로 나타낸다.
분무된 액체 연료 입자의 크기와 증발에 관한 관계가 연소속도에 미치는 영향이외도 입자의 SMD는 연소불안정에도 관계하는 것으로 알려져있다[14].
압력식 스월노즐에서 분무직경은 분무압력 및 대기조건의 밀도와 유체의 물성치에 크게 좌우된다. 특히 SMD의 경우 표면장력에 의한 효과보다 밀도 및 점도에 의한 영향에 지배를 크게 받으며 Flow Number가 클수록 SMD에 미치는 점도의 영향은 작아지고 분무압력이 클수록 SMD는 감소하는 것으로 알려져 있다. 또한 Wang과 Lefebvre는 분무각과 필름두께를 고려하여 Eq. 6과 같은 SMD 관계식을 도출하였다[12]. 이 식으로부터 연료의 밀도, 점성, 표면장력은 온도에 따라 영향을 받음을 알 수 있다.
3.3.1 산술적 평균직경(AMD) 비교
액적의 크기를 측정하기 위하여 Fig. 5와 같은 측정점을 선정하여 Z 방향으로 10 mm, 25 mm, 50 mm 지점에서 R방향으로 2 mm 간격으로 최대 30,000 개의 액적 크기를 측정을 수행하였다.
Fig. 8, 9는 각 측정 점에서 두 연료의 분사 압력, 연료온도, 축방향 거리에 따른 AMD 분포에 대해 나타내고 있다.
분무의 공간적인 특성을 비교하면 Jet A-1과 Bio-jet50 모두 Hollow cone 분무가 보여주는 일반적인 경향과 같이 중심부에서 작은 AMD를 나 타내고 액적이 집중되는 분무 외곽으로 갈수록 AMD가 증가하다가 다시 감소하는 경향을 가지고 있어 분무의 경계면을 용이하게 판단할 수 있게 한다. 이는 노즐 내부 스월챔버에서 생성된 선회유동에 의해 노즐 끝단에서 반경방향 및 접선방향 속도성분을 갖는 짧은 길이의 원추형 액막이 형성된 후 액막 분열을 통해 다수의 액적이 분무 중심부가 아닌 액막 분열지점 근처에서 생성되기 때문이다. 따라서 분무 외곽으로 갈수록 큰 AMD 분포를 나타낸 후 분무 경계에서 액적 크기가 점차 작아지는 경향을 나타내고 있다.
연료 분사압력이 증가함에 따라 Jet A-1과 Bio-jet50 두 연료 모두 AMD가 감소하는 경향을 나타내고 있다. 축방향 거리가 증가함에 따라 분무 중심부에서 작은 값을 나타내는 AMD가 거의 일정하게 유지되는 반면, 분무 외곽의 AMD는 점점 증가하는 양상을 나타내고 있다. 이것은 노즐 선단 Z=10 mm 근처의 분무는 액막 분열에 의한 미립화가 진행 중인 Primary 미립화 과정을 의미하는 것으로 비구형 액적 및 액사가 다수 존재함을 나타내는 것이다.
Fig. 8, 9에 나타낸 온도에 따른 AMD 비교에서는 Jet A-1과 Bio-jet50 모두 저온 환경에서 상대적으로 큰 AMD를 타나내는데 이는 온도가 감소 함에 따라 점도가 크게 증가하여 미립화를 저해하는 것으로, 전체적인 경향은 두 연료 모두 비슷하였다. 특히 저온 환경에서의 AMD 분포는 분무외곽으로 갈수록, 그리고 분사압력이 증가할수록 큰 차이를 발생하는데 반해 상온에서는 분사압력 상승에 따라 산포가 작은 값을 나타내었다.
연료간 비교를 통하여서는 Jet A-1연료가 Bio-jet50연료보다 낮은 SMD를 가지고 있는 것으로 시험되었다. 이 결과는 액적 직경이 Eq. 6에 나타낸 것과 같이 노즐 오리피스 출구에 형성되는 액막 두께와 관련이 있기 때문이다. 즉, Bio-jet50의 경우 저온에서 에어코어 감소로 인해 높은 유량계수를 나타냄과 동시에 오리피스 출구 근처의 액막 두께 증가로 인하여 액막 분열에 의해 생성되는 초기 액적 크기가 증가하기 때문이다. 또한, 연료의 온도가 60℃로부터 -20℃로 감소하는 경우 두 연료 모두 점도가 증가하여 직경이 점차 증가하는 경향을 나타내고 있어 점도 증가에 따른 영향을 확인 할 수 있다.
3.3.2 SMD(Sauter Mean Diameter) 비교
연료 분무의 SMD는 AMD와 유사한 분포 경향을 나타낸다 할지라도 액적 크기 산포 정보를 포함하는 것으로 큰 액적에 대한 가중치가 부여되어 연료 분무의 직경 산포의 정도를 반영한다. 이는 액적 사이의 크기 산포가 커질수록 그리고 큰 액적이 많이 분포할 수록 SMD가 증가한다는 것을 의미하는 것으로, 같은 AMD 값을 나타내는 경우에도 크기 분포가 고른 집단에서는 작은 SMD 값을 나타내게 되며, 연료 분무에 큰 직경을 가진 액적이 다수 있는 경우에는 SMD 값이 커지게 되는 효과를 가져온다.
Fig. 10, 11에 나타낸 것과 같이 Jet A-1의 SMD는 노즐과 가까운 Z=10 mm 영역에서는 동일 위치의 AMD와 유사한 경향을 나타내지만 AMD에 비해서 노즐중심에서는 20 μm 이상, 이외 구간에서는 10 μm 이상의 직경차이를 보이고 있어 Jet A-1의 경우는 노즐과 가까운 지역에서 액적의 직경분포 산포가 큰 것을 알 수 있다. 또한 Bio-jet50의 경우에는 수치적인 SMD 값은 Jet A-1에 비해 높지만 AMD와 큰 차이를 보이고 있지 않아 액적의 분포는 상대적으로 고른것으로 평가되었다.
시험결과로부터 특기할 것은 낮은 연료온도에서는 Jet A-1의 SMD 가 Bio-jet50에 비해서 커지는 것을 알수 있는데 이는 Fig. 1에 나타낸 점도의 영향으로 약 10℃를 기점으로 Jet A-1의 점도가 Bio-jet50보다 커 SMD가 커지는 영향을 준것으로 판단된다. 이에 연료의 SMD는 분무각, 밀도, 점도의 복합적인 영향을 통해 형성됨을 알 수 있다.
3.3.2 WMSMD 비교
WMSMD(Weight Mean Sauter Mean Diameter)는 각 축방향 위치에서 반경방향을 따라 측정한 SMD의 평균값 계산시 액적 수밀도에 대한 가중치를 고려한 평균 액적 크기로서 축방향 측정단면의 평균값을 의미하며, 분무특성을 정량적으로 분석 가능하게 해준다.
연료노즐로부터 분출되는 액적의 공간 분포를 고려하여 본 연구에서는 액적수가 100개를 초과하는 지점만을 대상으로 계산에 반영하였다.
분석결과 Fig. 12에 보이는 바와 같이 WMSMD값은 AMD, SMD의 경향과 마찬가지로, 분사압력이 증가할수록 또한 연료의 온도가 증가할 수록 감소하는 경향을 보이며, 축방향 거리증가에 따라 두 연료 모두 WMSMD값이 감소함을 알 수 있다. 이는 연료노즐로부터 분사된 연료가 주위 공기와 2차 분열을 일으켜 직경이 감소되었음을 알 수 있다.
연료의 압력이 증가함에 따라 감소되는 WMSMD의 값의 경향보다 온도에 대한 효과가 더 WMSMD의 값을 크게 좌우하게 됨을 알 수 있다.
이는 연료온도 변화에 따른 점도와 밀도의 영향으로, 앞서 AMD, SMD의 결과와 마찬가지로 액적의 무화에 가장 크게 영향을 미치는 것은 점도와 밀도라는 것을 유추할수 있게 해준다.
특기할 만한 사항은 고온에서는 Bio-jet50의 WMSMD값이 전체적으로 같은 분사압, 축방향길이에 대해 더 높은 값을 보인 반면 연료의 온도가 저하될 수록 Jet A-1의 WMSMD값이 약 10℃를 경계로 급하게 증가하는 것을 볼 수 있는데 이또한 점도와 밀도의 복합 영향으로 Fig. 1에 보이는 바와 같이 연료온도 약 10℃를 기준으로 Jet A-1 연료의 점도가 Bio-jet50보다 높게 형성되기 때문으로 유추된다.
4. 결 론
상용 Jet A-1연료와 바이오항공유를 부피비율 50:50으로 혼합한 Bio-jet50과 상용 Jet A-1 연료를 사용하여 분무시험을 수행하였다. 변경된 연료의 성분으로 인해 야기된 연료의 물리적 특성이 연료노즐 분무특성에 어떤 영향을 미치며, 이를 적용하여 항공엔진 연소기 설계시 고려하여야 할 사항을 검토하였다.
1) 두 연료는 모두 분사압력이 증가할수록 연료 분무의 분무각이 증가하는 경향을 보이다가 일정 압력 이후에는 감소하는 일반적인 경향을 가졌다. 또한 연료의 온도가 낮아질수록 점도가 증가하여 분무각이 감소하고 온도가 상승할수록 분무각이 증가하며, 두 연료의 미소한 점도변화가 저온 영역에서 분무각에 큰 영향을 줌을 알 수 있었다.
2) 유량계수의 경우 점도가 작은 Bio-jet50이JetA-1 비해 높은 값을 가지며, 온도가 감소할 수록 연료간 차이는 크게 나타났다.
3) 분무직경의 경우 두 연료간 AMD, SMD의 차이는 크지 않았다. WMSMD의 경우 Jet A-1이 약 10 μm 이상 작게 형성되었으나, Jet A-1의 점도가 Bio-jet50보다 커지게 되는 저온구간에서는 WMSMD의 값이 상승하게 되었다.
Aromatics 및 Olefines 성분이 현저히 작아 밀도와 점도특성이 변화된 Bio-jet50 항공유와 Jet A-1연료를 이용하여 분무시험을 수행한 결과 Bio-jet50연료의 분무는 기존 일반적인 분무경향과 크게 벗어나지 않게 점도, 밀도등에 영향을 받는 것으로 분석되어 기존 Jet A-1 연료내에 50%이내의 혼합에 따른 연료의 성분변화에 대한 영향은 크지 않고 기존 상용 Jet A-1 연료를 대체할 수 있는 Drop-in fuel로서의 활용 가능성이 제시되었다. 하지만 신규 개발된 연료가 상용 연료로서 사용되기 위해서는 엔진 성능 이외에 연료변경에 따른 엔진 내구도, 재질 적합성, 열적 특성, 기초 연소특성 및 연료 장기 저장성등 많은 부분에서 추가적인 검토와 연구가 필요할 것으로 판단된다.
