1. 서 론

배기가스 감축을 위한 국제적인 노력으로 희박 예혼합 연소 방식이 가스터빈 운용에 널리 채택되고 있다. 공기와 연료를 이론 당량비보다 낮은 비율로 예혼합시켜 연소시키는 방식으로 CO와 NOx의 배출량은 크게 감소하였지만, 희박 가연 한계에 가까운 당량비로 인해 화염이 불안정해지는 문제가 대두되었다. 상류의 유동 섭동에 의한 열발산율의 변화가 연소기 내부의 음향장과 결합하여 특정 주파수의 섭동이 증폭되는 연소불안정 현상을 규명하기 위해 다양한 실험 및 수치적 연구가 수행되었다[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15].

특히, 화염전달함수 기반의 연구를 중심으로 단일 연소기에 대한 연구가 많이 이루어졌다[4], [5], [6], [7], [8]. 대표적인 예로 Kim과 Santavicca[5], [6]는 스트로할 수를 이용하여 스월 안정 화염의 화염전달함수를 무차원화하여 음향 섭동과 유동 섭동의 간섭 현상을 연구하였다. Ahn 등[7]은 다양한 유동 속도 섭동에 따른 예혼합화염과 제트확산화염의 화염전달함수를 비교하였으며, Wang 등[8]은 고속 OH 자발광 이미지에 DMD 기법의 적용을 통해 화염전달함수와 감쇠 계수를 계산하여 화염의 불안정이 성장하는 조건을 제시하였다. 스월 안정 화염의 내부 재순환 영역에서 발생하는 NOx를 줄이기 위해 화염의 중심부에 제트 유동이 존재하는 저선회 인젝터에 대한 연구도 진행되고 있으며[9], [10] Jeong 등[9]은 당량비 변화에 따른 저선회 인젝터 화염의 부상 높이를 실험적으로 연구하였다.

실험 또는 분석적 모델링을 통해 얻은 화염전달함수는 열음향 시스템 모델과 결합하여 전체 연소시스템의 연소진동 분석 및 예측을 위해 사용되기도 한다[11], [12], [13], [15]. Song 등[11]은 화염전달함수와 열음향해석 모델을 이용해 부분 예혼합 화염의 연소불안정 현상을 연구하였으며, Cha 등[12]은 희박 예혼합 화염 모델 가스터빈 연소기의 연소불안정을 예측하고 실험 결과와 비교하였다. Noiray 등[13]은 화염기술함수 데이터를 바탕으로 연소불안정의 비선형적인 거동을 연구하였다. 한편, Kim 등[14]은 유한요소법을 이용해 환형 가스터빈 연소기에서 발생하는 종방향 및 횡방향 모드를 계산하였으며 Park 등[15]은 1차원 네트워크 모델과 전달 행렬을 이용하여 환형 가스터빈 연소기에서 발생하는 불안정 주파수와 성장률을 계산하고 실험 결과와 비교하였다.

이와 같이 연소불안정에 대한 연구는 단일 연소기에 대해 다방면에서 이루어졌으나 실제 가스터빈의 구성은 단일 연소기와는 다소 차이가 있다. 실제 산업에 쓰이는 연소기에는 한 개의 연소기 안에 여러 개의 노즐이 존재하여 화염간에 상호작용이 발생하며, 특히 캔-환형 연소기에서는 하류의 터빈 입구를 통해 음향파가 인접 연소기로 전파되어 연소기간 상호작용 모드가 발생한다. Kim 등[16]은 상호작용하는 두 노즐로 이루어진 연소기에서 연료 분배에 의한 연소불안정 거동을 연구했으며, Lee 등[17]은 같은 실험 장비에서 각 노즐의 스월러 위치에 따른 유동과 음향 섭동 간섭의 비대칭이 연소불안정 거동에 미치는 영향을 연구하였다. 한편, 연소기간 상호작용에 대한 연구는 수치적인 연구가 주를 이루고 있다[19], [20], [22]. Farisco 등[19]은 대와류해석 기법을 통해 연소기 하류가 연결된 두 연소기의 음향파 전파 특성을 연구하였다. Ghirardo 등[20]은 캔-환형 연소기의 회전 대칭성을 이용한 순환 음향 경계 조건[21]을 적용하여 14개의 연소기로 이루어진 캔-환형 연소시스템에서 발생하는 연소진동을 수치적 방법으로 계산하였다. 한편 최근에 Moon 등[23]은 음향적으로 상호작용하는 두 개의 연소기를 이용하여 두 연소기가 정위상(in-phase)으로 진동하는 푸쉬-푸쉬 모드(push-push mode)와 역위상(out-of-phase)으로 진동하는 푸쉬-풀 모드(push-pull mode), 그리고 두 모드가 혼합되어 발생하는 바이모달(bimodal) 거동이 발생하는 것을 실험적으로 확인하였다. 이후 Jegal 등[24]은 비대칭 음향 경계 조건에서 두 연소기의 동조(synchronization)에 의해 발생하는 위상 고정과 진폭 억제를 연구하였다.

본 연구에서는 캔-환형 연소 시스템에서 발생하는 연소기간 상호작용을 연구하기 위해, 하류에서 크로스톡 영역을 통해 음향파 전파가 가능한 두 개의 동일 연소기로 이루어진 장비를 이용하여 연구를 수행하였다. 두 연소기의 입구 길이를 다르게 하여 인접한 연소기의 고유주파수가 다를 때 다양한 당량비 조합에 따라 발생하는 연소불안정을 계측하였으며, 두 연소기 압력 신호에 대하여 결합확률분포, 힐베르트 변환 기법, 상관성 스펙트럼 분석 등을 수행하였다.

2. 실험 장치 및 방법

Fig. 1은 본 실험에 사용된 이중 연소기의 단면도를 나타낸 그림이다. 캔-환형 연소기에서 발생하는 연소기간 음향 상호작용을 연구하기 위해 제작된 이 장비는 두 개의 동일한 연소기로 구성되어 있으며, 연소기 하류에는 크로스톡 영역으로 연결되어 음향파의 이동이 가능하도록 설계되었다. 이 실험 장비의 구성은 [24]에서 자세하게 다루었으며 여기서는 간략히 설명하도록 한다. 두 연소기는 입구에서 각각 개별적인 유량 제어가 가능하다. 200°C로 예열된 공기는 메탄과 완전 예혼합되어 노즐 입구로 공급되고 스월러를 통과하여 덤프면으로 분사된다. 연소생성물은 스틸 연소기를 지나서 크로스톡 영역에 위치한 피스톤을 가로질러 외부로 배출된다. 이 때 길이 방향 모드의 음향 경계 조건을 위해서 스월러 상류에는 초크 플레이트가 설치되어 있고 하류에는 피스톤이 설치되어 있다. 또한 2번 연소기의 초크 플레이트 위치를 바꾸어 시스템의 비대칭 음향 경계 조건(frequency detuning)의 영향을 알 수 있으며 이에 대한 선행 연구는 [24]에서 수행되었다.

Fig. 1.

Cross-sectional view of two lean-premixed, swirl-stabilized, tunable gas turbine combustors connected via cross-talk area, which is oriented perpendicular to flow direction. Subscripts 1 and 2 denote combustor indices, $i$ = 1 or 2, $p{\text{'}}_k$ = pressure transducers, $T_k$ = thermocouples, US = upstream, DS = downstream, CC = combustion chamber, TP = transition piece, FT = flame tube, XT = cross-talk. Dimensions in millimeters

각 연소기에서 발생하는 압력 섭동은 연소기 길이를 따라 설치된 12개의 동압 센서를 이용하여 측정하였고, PMT를 이용하여 OH* 자발광을 계측하여 화염의 열방출률 섭동에 대한 데이터를 획득하였다. 두 연소기의 입구 길이는 각각 340과 800 mm로 비대칭 음향 경계 조건에서 실험을 수행하였으며, 당량비는 0.61, 0.65, 0.69, 0.73으로 바꾸어가며 총 16개의 당량비 조합에서 실험을 수행했다. 각 조건에서 정상상태로 진동할 때 6000 Hz 샘플링 주파수로 4초간 고속 데이터 획득을 수행하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1. 당량비 조합에 따른 불안정 거동

Fig. 2는 두 연소기의 당량비 조합에 따라 발생한 압력 섭동의 스펙트럼을 보여준다. 입구 길이가 다른 두 연소기의 상호작용으로 인해 두 연소기가 동일한 위상으로 진동하는 푸쉬-푸쉬 모드와 서로 반대 위상으로 진동하는 푸쉬-풀 모드가 나타나며, 특정 입구 조건에는 두 개의 모드가 동시에 여기되기도 한다. 우선 대칭 조건부터 살펴보면, φ₁ = φ₂ = 0.61과 0.65에서는 시스템에 100 Hz 미만의 저주파가 발생하는 것을 볼 수 있다. 이 때 발생한 저주파는 두 연소기가 서로 반대 위상으로 진동하는 푸쉬-풀 모드이다. 한편 두 조건에서 모두 180 Hz 근처에 약한 불안정이 발생하는 것을 관찰할 수 있는데, 이 주파수에서 두 연소기 압력 섭동의 위상 차이를 통해 이것이 푸쉬-푸쉬 모드라는 것을 알 수 있다. 이와 같이 시스템이 두 개의 불안정 주파수로 진동하는 바이모달 거동은 선행 연구에서 논의한 바 있다[23]. 한편 당량비가 증가하면서 φ₁ = φ₂ = 0.69에서 100 Hz 미만의 저주파가 사라지고 180 Hz 푸쉬-푸쉬 모드가 강해졌으며, 당량비가 더 증가한 φ₁ = φ₂ = 0.73에서는 시스템의 불안정이 더 높은 주파수로 이동한 것을 볼 수 있다. 이 때 발생한 208 Hz 톤은 역위상 거동을 보이나, 이전의 100 Hz 톤이 연소기 전체에서 1/2 파장을 형성하는데 반해, 208 Hz 톤은 1과 1/2 파장을 형성한다는 차이점이 존재하며, 이에 대해서 [24]에서 자세히 논의한 바 있다.

Fig. 2.

Normalized pressure amplitude spectra ($p{\text{'}}_{c,i}/{\overline{p}}_{c,i}$) for all sixteen combinations of equivalence ratios under asymmetric inlet length condition, ($l_{rminlet,1}$, $l_{rminlet,2}$) = (340 mm, 800 mm). Subscripts $i$ = 1, 2 indicate combustor. Instability modes are classified depending on the phase differences between the two combustors (Filled circle: push-push mode, hollow circle: push-pull mode). For these measurements, cross-talk area is located at axial location ${\xi }_{XT}$ = 1600 mm. Conditions marked A, B, C, and D are analyzed in detail.

두 연소기의 당량비가 비대칭인 조건에서는 음향 경계 조건의 비대칭으로 인해 Fig. 2의 대각선 상부와 하부에서 서로 다른 결과가 나타났다. 우선 상부에서는 약간의 비대칭이 있는 (φ₁, φ₂) = (0.61, 0.65), (0.65, 0.69), (0.69, 0.73)에서 180 Hz 영역에 강한 푸쉬-푸쉬 모드가 발생했다. 이후에 당량비의 비대칭이 증가한 (φ₁, φ₂) = (0.61, 0.69)에서는 180 Hz 푸쉬-푸쉬 모드와 210 Hz 푸쉬-풀 모드가 동시에 발생하는 바이모달 거동을 보였으며, (φ₁, φ₂) = (0.65, 0.73)에서도 208 Hz의 강한 푸쉬-풀 모드와 함께 180 Hz 영역에 약한 진동이 발생하는 것을 볼 수 있다. 이후 당량비의 비대칭이 가장 큰 (φ₁, φ₂) = (0.61, 0.73)에서는 180 Hz 푸쉬-푸쉬 모드는 사라지고 210 Hz 영역의 푸쉬-풀 모드 또한 약해졌지만 57 Hz의 저주파 불안정이 발생했다. 이 저주파 불안정 또한 φ₁ = φ₂ = 0.61과 0.65에서 발생한 저주파 불안정과 마찬가지로 두 연소기가 서로 반대 위상으로 진동하는 푸쉬-풀 모드이다. 한편 하삼각 행렬에서도 당량비에 약간의 비대칭이 있는 (φ₁, φ₂) = (0.65, 0.61), (0.69, 0.61), (0.69, 0.65)에서 190 Hz 근처의 푸쉬-푸쉬 모드가 우세하게 나타남을 알 수 있다. 이후 당량비의 비대칭이 증가하면서 상삼각 행렬과 같이 210 Hz 푸쉬-풀 모드가 발생했지만 100 Hz 미만의 저주파 불안정은 발생하지 않았다. 특히, 푸쉬-풀 모드의 경우 2차 조화파가 두드러지게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 푸쉬-풀 모드가 발생할 때 비선형적인 과정에 의해 음향 에너지가 고조파로 재분배되면서 음향파에 왜곡이 생겨 발생한 결과이다[23]. 다음 절에서는 Fig. 2의 A-D 네 조건을 좀 더 자세히 분석하였다.

3.2. 압력 섭동의 결합확률분포 분석

Fig. 2의 A-D 조건에서 계측된 두 연소기 압력 신호를 분석하여 결합확률분포, 위상 차이(instantaneous phase difference), 및 상관성 스펙트럼(coherence spectrum)을 Figs. 3과 4에 도시하였다. 결합확률분포는 두 연소기에서 4초간 계측된 압력 섭동을 바탕으로 계산하였고, 순간 위상 차이는 각 신호를 힐베르트 변환하여 계산한 복소 신호(complex signal)의 위상 차이에서 도출하였으며, 신호 $x\left(t\right)$의 힐베르트 변환 $H\left[x\right(t\left)\right]$는 다음과 같이 계산한다.

또한 상관성 스펙트럼(coherence spectrum)은 Welch [25]가 제안한 방법론을 이용하여 계산하였다. 여기서, 상관성은 두 신호의 연관성을 주파수 도메인에서 나타내는 지표이며, 두 신호의 위상 차이와 진폭 변화율이 일정할수록 1에 가까운 값을 가진다. 즉, 상관성은 해당 주파수에서 두 연소기가 동조한 정도를 의미하며, 두 연소기의 동조가 약한 경우에 상관성은 1보다 작은 값을 갖는다. 상관성 스펙트럼은 두 신호의 크로스 파워 스펙트럼 밀도(cross power spectrum density, $G_{xy}$)를 각 개별 신호의 파워 스펙트럼 밀도(power spectrum density, $G_{xx}$ 혹은 $G_{yy}$)의 제곱근으로 나누어 계산한다.

Fig. 3은 A와 B 두 조건의 결과를 보여준다. 우선 A 조건에서는 두 연소기가 서로 정위상으로 진동하는 푸쉬-푸쉬 모드가 발생했다. 이로 인해 두 연소기 압력 섭동의 결합확률분포는 직선의 형태를 띠고 있으며, 그 기울기가 양수로 나타나면서 $p{\text{'}}_{c,1}$과 $p{\text{'}}_{c,2}$가 같은 위상으로 진동하는 것을 보이고 있다. 또한 결합확률분포의 밀도의 크기는 직선 양 끝단에서 상대적으로 높게 나타나는데, 이는 사인파 형태의 두 압력 섭동이 한계 진동하고 있음을 의미한다. 또한 결합확률분포의 궤적이 상하 방향보다 좌우 방향으로 더 넓게 분포한 패턴을 보이는데, 이는 두 압력 섭동의 상대적인 진폭 차이에 기인한다. 또한, 두 연소기 압력 섭동의 순간 위상 차이는 –18°로 거의 일정하여 두 신호가 정위상 관계에 있음을 다시 확인할 수 있다. 상관성 스펙트럼에서는 연소불안정이 발생한 191 Hz에서 1에 가까운 값을 가지며 해당 주파수에서 두 연소기의 동조를 나타낸다.

Fig. 3.

Joint PDF (top), phase difference calculated from the analytical signals (middle), and coherence spectrum (bottom) of the pressure oscillations in the two combustors. Left - A in Fig. 2 (push-push mode), Right - B in Fig. 2 (push-pull mode).

B 조건에서도 A 조건과 마찬가지로 결합확률분포가 직선 형태로 분포하지만, 이 경우에는 기울기가 음의 값을 갖는다. 이는 한 연소기에서 압력 섭동이 최대가 될 때 다른 연소기에서는 최소가 되는 역위상 관계를 의미하며, 양 끝단에서의 밀도가 높은 것은 한계 진동 거동이 유지됨을 암시한다. 이 조건의 경우, 두 압력 섭동의 위상 차이는 150°에 가깝게 나타나며 두 신호의 역위상 관계를 나타내지만 182 Hz에 나타나는 작은 진동으로 인해 위상 차이가 150°를 중심으로 분산된 것을 볼 수 있다. 이 때 상관성 스펙트럼은 182 Hz와 208 Hz에서 1이 되며, 작은 진폭의 불안정도 두 연소기에서 일관된 위상 관계를 갖는다는 것을 알 수 있다.

Fig. 4에는 C와 D 조건의 결과를 나타냈다. 우선 C에서 두 연소기는 182 Hz와 206 Hz로 동시에 진동하지만 206 Hz 푸쉬-풀 모드가 더 우세하여 결합확률분포는 음의 기울기를 갖는다. 위상 차이는 206 Hz 푸쉬-풀 모드로 인해 160°에 가깝게 분포하지만 182 Hz 푸쉬-푸쉬 모드로 인해 B 조건과 같이 위상 차이가 일정하지 않고 다소 분산되어 있는 것을 보여준다. 또한 상관성 스펙트럼도 두 주파수에서 모두 1의 값을 가지며 두 개의 주파수에서 동조가 일어난 바이모달 거동을 나타내고 있다.

Fig. 4.

Joint PDF (top), phase difference calculated from the analytical signals (middle), and coherence spectrum (bottom) of the pressure oscillations in the two combustors. Left - C in Fig. 2 (bimodal) Right - D in Fig. 2 (strong 2^nd harmonic).

마지막으로 D 조건은 B 조건과 같은 푸쉬-풀 모드인데, 한 가지 차이점은 D 조건에서는 2차 조화파의 진폭이 두드러진다는 것이다. 이로 인해 두 연소기의 압력 섭동의 궤적이 왜곡되어 특이한 결합확률분포의 형태를 나타내게 되었다. D 조건의 결합확률분포는 A 혹은 B 조건과 달리 고리 형태를 띠는데 이는 두 변수의 시간에 따른 변화율, 즉 $d{p}_{c,i}\text{'}/dt$가 시간에 따라 다르기 때문이다. A와 B에서는 두 연소기가 동일한 주파수로 진동하며 위상 차이가 0°나 180°에 가깝게 나타나므로 시간에 따른 두 신호의 상대적인 변화율이 거의 일정하다($d{p}_{c,1}\text{'}/dt=d{p}_{c,2}\text{'}/dt$). 그러나 두 연소기가 서로 다른 주파수로 진동하거나 위상 차이가 90°에 가까우면 $d{p}_{c,1}\text{'}/dt$와 $d{p}_{c,2}\text{'}/dt$의 비율이 시간에 따라 변하게 되면서 결합확률분포가 직선의 형태에서 멀어지게 된다. 특히, D 조건의 경우에는 순간 위상 차이가 –169°를 중심으로 분포하지만 2차 조화파가 두 섭동을 왜곡시켜서 두 신호의 변화율에 상대적인 차이를 유발한다. 이로 인해 극소값과 극대값이 생기는 낮은 $p_{c,1}\text{'}$과 높은 $p_{c,2}\text{'}$에서 찌그러진 궤적과 높은 밀도가 나타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 음향적으로 상호작용하는 다중 연소기에서 발생하는 다양한 불안정 모드를 두 연소기 압력 섭동의 결합확률분포와 순간 위상 차이, 상관성 스펙트럼을 이용하여 분석하였다. 이러한 이변량분석 기법을 통해 시스템에서 발생하는 불안정 모드의 수와 상호작용 패턴, 및 2차 조화파의 기여도를 기술할 수 있다. 두 연소기의 압력 섭동이 서로 같은 위상으로 진동하는 푸쉬-푸쉬 모드에서 결합확률분포는 양의 기울기를 갖는 직선 형태로 나타나며, 푸쉬-풀 모드에서는 음의 기울기를 가진 직선 형태로 나타났다. 또한 사인파 형태의 한계 진동이 발달함에 따라서 결합확률분포의 밀도는 직선 양 끝에서 높게 나타났다. 그러나 시스템에 두 개 이상의 불안정 주파수가 존재하거나 2차 조화파의 진폭이 큰 경우에 결합확률분포가 변형되어 두께가 넓어지거나 고리 형태로 발달하는 결과를 보였다. 특히 2차 조화파로 인한 사인파의 왜곡이 두 연소기의 압력 섭동간에 상대적인 변화율 차이를 만들면서 결합확률분포의 형태가 찌그러지는 결과를 나타냈다.