모델 희박 예혼합 가스터빈 연소기의 저선회 화염 동역학

Abstract

본 연구에서는 5개의 다른 막힘률을 가지는 강선회 및 저선회 인젝터를 모델 가스터빈 연소기에 장착하여 막힘률에 따른 연소불안정 특성을 연구하였다. 먼저 5가지 막힘률에 대해 총 12개의 당량비와 평균 유속을 변수로 삼았으며 연소기 길이를 900 mm부터 1700 mm까지 50 mm씩 변화시켜가며 화염의 자발 불안정을 계측하였다. 이를 통해 200 Hz대와 300 Hz대의 두 연소불안정 주파수 영역이 나타나는 것을 알 수 있었으며 압력 섭동의 크기가 여러 변수에 따라 크게 변화하는 것을 알 수 있었다. 또한 막힘률에 따라 연소불안정 특징이 다르게 나타났는데, 특히 막힘률이 0.75인 경우, 다른 막힘률을 가지는 인젝터에 비해 현저히 낮은 최대 압력 섭동 크기를 보였다. 이러한 결과는 특정한 막힘률의 인젝터를 사용함으로써 압력 섭동의 진폭을 낮은 크기로 유지할 수 있음을 의미한다. 따라서 이러한 특징이 나타난 이유를 알아보기 위해, 막힘률이 화염의 정적 구조와 동적 특성에 끼치는 영향을 시각적으로 분석하였다. 먼저 막힘률에 따른 화염의 정적 구조 변화를 알아보기 위해 $CH^*$ 자발광의 시간 적분 이미지와 OH-PLIF 이미지에 대한 분석을 진행하였다. 막힘률이 줄어들수록 연소기 중앙에 위치하는 반응물이 하류로 더 멀리 침투하는 경향이 나타났으며 이로 인해 연소기 중앙에서 화염의 기저면이 위치하는 부상 거리가 변화하여 화염의 정적 구조에 변화를 일으키는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 막힘률에 따른 동적 특성 변화를 알아보기 위해 ICCD 카메라로 $CH^*$ 자발광을 측정하였다. 세 가지 막힘률 1, 0.75, 0.5에서 약 200 Hz로 진동하는 화염의 위상 동기화 이미지를 촬영하였다. 막힘률이 0.75인 화염 중앙에 존재하는 제트화염과 반경방향의 바깥쪽에 존재하는 스월 화염은 서로 역위상으로 진동하여 전체적인 시스템의 열 방출률을 억제하는 것을 확인하였다. 즉, 위상 동기화 이미지 분석을 통해 막힘률 0.75 화염에서 최대 압력 섭동 크기가 작은 이유는 특이한 화염구조에서 기인하는 동특성 때문임을 알 수 있었다.