다중 가스터빈 연소기에서 크로스톡을 통한 음향 상호작용

Abstract

본 연구에서는 인접 가스터빈 연소기 간의 강한 음향학적 상호작용을 실험적으로 연구하였다. 형상이 동일한 두 개의 연소기를 하류에 존재하는 크로스톡 영역으로 연결하고, 독립적으로 유량을 조절하여 대칭 및 비대칭 당량비 조건에서 시스템의 연소 동역학을 확인하였다. 연소기-연소기 간 음향 상호작용으로 인해 푸시-푸시, 푸시-풀 그리고 두 가지 모드가 공존하는 바이모달 모드가 나타남을 보였다. 푸시-푸시 모드는 인접 연소기 간의 동 위상 상호작용으로 인해 발생하는 불안정 모드로, 크로스톡 영역에 압력 안티 노드를 야기하였다. 이와는 반대로, 역 위상 상호작용이 존재하는 푸시-풀 모드에서는 크로스톡 영역에 압력 노드 점이 발생되었다. 특히 시스템이 푸시-풀 모드로 진동할 경우, 크로스톡 영역에서는 L2 및 L3모드가 더욱 지배적임에 따라 L1모드의 진폭 강도가 매우 감소함을 확인하였다. 두 연소기의 당량비에 약간의 비대칭성이 존재할 때, 주파수가 비슷한 두 가지 모드가 시스템에 동시에 나타나 강한 맥놀이 진동이 발생하였다. 인접한 두 주파수가 짝을 이루어 나타나는 점은 음향 네트워크 모델링의 결과에서도 확인할 수 있었다. 다양한 당량비 조합에 대해 실험을 진행하여, 국소 정보인 화염 동역학이 두 연소기의 불안정 모드 선택에 직접적인 영향을 주지 않음을 확인하였다. 본질이 서로 다른 불안정 모드로 인해 발생되는 시스템 동역학적 상태 변화를 파악하기 위해 비선형 시계열 분석을 진행하였다. 푸시-풀 모드의 경우, 크로스톡에서 Period-3의 어트랙터가 나타났다. 하지만 푸시-푸시 모드가 시스템 내에 발생할 때, 단일 주파수에서 진동하는 Period-1 어트랙터가 발생하였다. 시스템에 푸시-푸시 혹은 푸시-풀 모드가 존재할 때에, 주요 신호 간의 위상 차가 고정되어 인접 연소기가 동기화 되는 모습을 보였으나, 두 모드가 동시에 존재할 경우 $PLV$의 평균 값이 매우 낮아졌다. 크로스톡 위치에 따라 지배적인 모드가 달랐지만 불안정 주파수는 300 Hz 부근으로 고정되었다. 이는 불안정 주파수가 화염면의 국소 정보인 화염 동역학에 의해 선택적으로 증폭되었음을 의미한다.