다중슬릿 이중 수소 연소기의 화염전파 관 및 크로스톡 영역을 통한 고주파 음향 상호작용

Abstract

현대 발전용 가스 터빈에 대부분 적용되는 캔-환형 연소기 시스템의 경우, 터빈 1 단 노즐 상류의 크로스톡 영역으로 인한 연소기 간 열음향 상호작용이 빈번하게 발생한다. 이러한 경우 전체 시스템에서 길이 방향 혹은 횡 방향 음향 모드에 의한 상호작용이 발생할 수 있으나 현재까지 횡 방향 모드의 상호작용에 대한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 캔-환형 연소기 시스템을 모사한 다중슬릿 노즐 수소 예혼합 이중 연소기 시스템에서 각 연소기 간 고주파 길이 방향 및 횡 방향 모드의 음향 상호작용을 실험적으로 분석하였다. 단일 연소기의 경우 연소기 길이 조건을 변수로 설정해 실험하였으며, 이중 연소기 시스템은 연결 부위 별 상호작용의 영향을 확인하기 위해 연소기 상류의 화염전파 관과 하류의 크로스톡 관의 연결 여부에 따른 3 가지 형상 조건에 대한 실험을 진행하였다. 추가적으로 본 실험에 사용된 단일 연소기 시스템에 비해 큰 노즐 직경을 가진 연소기의 실험 결과를 비교하였으며, 노즐의 직경 변화가 다중슬릿 연소기에서 발생하는 고주파 횡 방향 불안정에 미치는 영향을 분석하였다. 단일 연소기의 경우, 낮은 열량의 저온 조건에서는 열음향 불안정이 연소기 길이에 따라 길이 방향 3~8 차 모드와 결합하였으며 높은 열량의 고온 조건에서는 연소기 길이에 무관하게 횡 방향 정상 모드와 결합하는 경향을 보였다. 이중 연소기의 경우 저유속 저온 조건에서 크로스톡 관을 통한 길이 방향 푸시-푸시 모드가 잘 정립되는 반면 화염전파 관에 의한 음향 상호작용은 거의 발생하지 않았으며, 이를 통해 길이 방향 모드 발생 시 크로스톡 관이 두 연소기 간 상호작용에 지배적인 역할을 수행함을 확인하였다. 고유속 고온 조건의 경우 두 연소기 모두 횡 방향 모드가 발생하였으나, 단일 연소기의 횡 방향 모드에 비해 높은 불안정 주파수가 나타나며 시계 방향 회전 모드가 발생한다. 이 경우 두 연소기의 불안정 주파수는 약 0.1 kHz 의 차이가 있으며 두 연소기 간 상호 동기화는 발생하지 않는다. 화염전파 관 내부에서는 두 연소기의 불안정으로 인한 맥놀이 현상이 관측되며 약한 상호작용이 발생하나, 크로스톡 관 내부에서는 관측되지 않는다. 또한, 이중 연소기 시스템에서 횡 방향의 시계 방향 회전 모드 발생 시 연소기 노즐면과 하류 간에 압력 섭동 간 시간 지연으로 인한 노달 라인의 각도 차이가 발생하며, 이는 고주파의 음향 임피던스에서 기인된 횡 방향 연소불안정 특성과 연관되었다고 할 수 있다.