페어링 비대칭성으로 유도된 희박 예혼합 모델 가스터빈 연소기의 군집 동특성

Abstract

발전용 가스터빈에 주로 적용되는 캔-환형 연소 시스템은 터빈 1단 노즐 상류에 위치한 크로스 톡 영역을 통해 인접 연소기 간 음향 상호작용이 발생하게 된다. 다중 연소기 시스템은 매우 복 잡한 불안정 현상이 발생하지만, 연소기 간 음향 상호작용으로부터 기인한 물리적인 페어링 메커 니즘에 관한 연구는 부족하다. 이에 본 학위 논문에서는 홀수 개의 연소기를 구성하여 캔-환형 연 소기만의 특성인 페어링 비대칭성이 다중 연소기 시스템의 군집 동역학에 미치는 영향을 실험적 으로 연구하였다. 이를 위해 짝수와 홀수 개로 구성된 사중 및 오중 연소기 시스템에서의 자발 불안정 특성을 비교하였다. 먼저 단일 연소기의 연소 동특성을 파악하기 위해 일정한 입구 조건에서 연소기 길이가 점진적 으로 증가하는 천이 계측을 수행하였다. 희박 예혼합 수소 화염은 단일 연소기에서 길이 방향 3 차부터 6차에 해당하는 고유 모드와 결합하여 450-1100 Hz의 넓은 주파수 영역에서 불안정을 발 생시켰다. 이때 높은 주파수의 불안정 모드는 매우 작은 진폭의 열 방출률 섭동으로도 고 진폭의 압력 섭동을 유발할 수 있음을 확인하였다. 다음으로 페어링 비대칭성이 캔-환형 시스템의 자발 불안정에 미치는 영향을 확인하였다. 사중 연소기 시스템은 인접한 연소기 간 역위상으로 진동하는 푸시-풀 모드와 크로스톡 영역의 방위 방향 모드가 하나의 주파수에서 중첩되는 현상이 나타난다. 이와 달리, 오중 연소기 시스템에서는 축퇴된 두 고유 모드가 작은 주파수 차이를 두고 분리되었다. 또한, 두 모드 간 상호 작용으로 인 해 맥놀이 현상을 보여주었으며, 크로스톡 영역에서 방위 방향 정상 모드 및 회전 모드가 반복적 으로 나타남을 확인하였다. 따라서 페어링 비대칭성은 캔-환형 열음향 불안정에 독특한 모드 상호 작용이 일어나도록 만든다는 것을 보여준다. 크로스톡 위치에 따른 방대한 실험 데이터의 분석을 통해, 두 시스템의 군집 동역학을 비교하 였다. 단일 연소기 운전 시 안정한 상태의 연소기들이 크로스톡으로 연결될 경우, 오중 연소기 시 스템은 사중 연소기 시스템의 가장 낮은 불안정 주파수 대역에선 안정하였으나, 1 kHz 이상의 주 파수 대역에서 더 큰 압력 진폭을 보여주었다. 반면에 불안정한 상태의 연소기들이 연결될 경우, 오중 연소기 시스템은 단일 및 사중 연소기 시스템보다 높은 주파수 대역에서도 불안정하였다. 이는 오중 연소기 시스템의 기존과 다른 푸시-풀 관계의 결합 메커니즘으로부터 기인한다.