1. 서 론

강화되는 배기가스 규제를 만족시키기 위해 대부분의 가스터빈 연소기는 희박 예혼합 연소 방식을 채택하고 있다. 하지만 희박 가연 한계 근처의 불안정한 난류 화염이 시스템의 고유진동수와 결합하여 큰 진폭의 연소 진동으로 성장하는 불안정 문제가 새롭게 대두되었다. 이는 연소실 내부의 강한 진동 외에도 열전달의 증가, 역화 및 소염 현상 등을 발생시키며 전체 시스템에 치명적인 손상을 입힐 수 있다. 현재까지 연소불안정이 발생하는 메커니즘을 규명하기 위해 다양한 실험적/수치적 연구가 수행되었으며, 그중에서도 불안정을 예측하고 제어하기 위한 기술이 주요한 관심을 얻고 있다[1,2,3,4,5,6].

연소불안정을 제어하는 기법은 크게 능동제어와 수동제어로 나눌 수 있다. 능동제어는 시스템의 압력 섭동에 대응하여 역 위상의 동압 신호를 발생시켜 연소 진동을 감쇄시키는 방식이다[7,8]. 하지만 동압 신호 발생을 위한 외부 가진 장치가 고온 환경에서 사용할 수 있으며 동시에 빠른 응답 성능을 보장해야 하는 어려움이 있다. 수동제어는 불안정 발생의 주요 원인이 되는 압력 및 열 방출률 섭동의 피드백 형성을 방해하기 위해 두 섭동 중 하나를 변화시키는 방식이다[9]. 예를 들어 기존 연소실 설계를 수정하여 압력 섭동의 특성을 변화시킬 수 있고, 노즐 형상 또는 운전조건 등을 변경하여 전체 화염의 열 방출률 섭동을 변화시킬 수 있다.

앞서 기술한 수동제어 기법 중 후자에 해당하는 연료 스테이징(fuel staging)은 여러 개의 연소기가 캔-환형 구조를 갖는 발전용 가스터빈에 주로 사용된다. 구체적으로 각 연소기에 연료 유량을 독립적으로 공급함으로써 전체 유동장과 화염 구조를 변화시키고, 궁극적으로 연소 진동과 배기가스 발생을 제어하고자 한다. 이와 관련된 선행 연구들은 대부분 다중 스월 노즐 연소기에서 당량비가 다른 혼합물을 각 노즐에 공급하는 방식으로 이루어졌다[10,11,12]. 예로 Samarasinghe 등[10]은 5개의 스월 노즐에서 예혼합 메탄 연소 실험을 수행하였으며, 화염 중앙에 비교적 높은 당량비의 혼합물이 공급되었을 때 외부 화염과 위상 상쇄(phase cancellation)를 발생시키며 전체 시스템의 불안정이 완화되었다고 보고했다.

한편, 거대 스월 노즐은 천연가스 기반의 가스터빈 연소기에서 화염의 높은 정적 안정성을 보장하였지만, 연소생성물의 체류 시간 증가로 인해 열적 질소산화물(thermal NOx)이 증가하는 문제를 발생시켰다[13]. 최근에는 기후 변화와 같은 환경문제를 해결하기 위해 수소 연료를 이용한 가스터빈 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 만약 스월 유동 기반의 가스터빈 연소기에 수소 연료를 바로 적용하게 되면 빠른 화염속도로 인해 화염이 연소기 상류부로 전파되는 역화(flashback) 발생에 매우 취약해진다[14,15]. 따라서 질소산화물 저감과 동시에 고농도의 수소 혼소 혹은 수소 전소 조건에서도 안정적인 운전이 가능한 다양한 노즐 형상이 제시되고 있다.

현재 밀리미터 스케일의 군집 다중노즐 배열이 가장 유력한 대안으로 주목받고 있다. 이는 로켓 인젝터와 유사한 형태로 작은 직경의 노즐을 통해 유동을 고속으로 분출시킴으로써 역화 발생을 방지할 수 있다. 또한 혼합물이 공간 및 시간 도메인에서 충분히 혼합되고 연소생성물의 체류 시간 또한 감소하여 NOx 배출 저감에도 이점을 가질 것으로 예상된다. 해당 노즐은 해외의 선진 가스터빈 제조사를 시작으로 빠르게 도입되고 있다. 대표적으로 미국의 GE는 마이크로믹서 노즐을 이용하여 캔 단위 고압 실험을 진행하고 있고, 일본의 미쯔비시 파워에서는 다중 분사 버너를 적용한 건식 저 NOx 연소기 개발을 진행 중이다[16,17]. 특히, GE 마이크로믹서 노즐에서 수행한 고농도 수소 연소 시험 데이터는 노즐 전후에서 발생하는 약 3.5%의 압력 강하가 전체 연소기 효율에 큰 영향을 미치지 않으며, 수소 화염의 역화와 NOx 생성은 효과적으로 억제되었다고 밝혔다[16].

그간 학계에서도 소형 다중노즐 배열을 이용하여 다양한 연구를 수행해왔다. 단일 스월 노즐과 4x4 매트릭스 노즐을 실험적으로 비교한 Rajasegar 등[18]은 작은 직경의 노즐이 밀집되었을 때 인접 화염 간 상호작용이 발생하며 전체 화염 안정성이 향상되었다고 보고했다. Bhagwan 등[19]과 Lee 등[20]은 노즐 직경과 개수 밀도가 화염 동특성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 각각 제트 유동 기반의 육각 다중노즐 배열과 스월 유동 기반의 원형 다중노즐 배열에서 실험을 진행했다. 특히 Lee 등[20]은 대형 스월 노즐과 비교하여 소형 다중노즐 배열은 더 높은 주파수 대역에서 불안정을 발생시키고, 거대 재순환 영역의 부재로 인해 화염 날림(blow-off)이 비교적 높은 당량비에서 관찰되었다고 보고했다. 다공판을 모사한 노즐 배열에서 예혼합 메탄 연소 실험을 수행한 Noiray 등[21]은 작은 화염들의 군집이 연소기 길이 증가에 따라 불연속적인 모드 천이를 일으킨다고 보고했다. 저자는 해당 노즐에 유동 방향으로 시간 지연(time delay)을 발생시키는 장애물을 엇갈리게 배치하여 모드 천이를 동반한 불안정 현상을 완화할 수 있다고 밝혔다[22].

현재까지 다양한 형태의 군집 소형 다중노즐 배열에서 연소 동특성에 관한 연구가 수행되었으나, 대부분 노즐 직경, 거리, 개수와 같은 형상 변수를 다룬 연구에 제한되어 있다. 최근 Jin 등[23]은 소형 다중노즐 배열에서 외부와 내부 노즐에 각각 몰분율이 다른 수소-메탄 혼합물을 공급하였을 때, 화염 클러스터 간 위상 상쇄 효과를 발생시키며 불안정이 완화되었다고 밝혔다. 이에 본 연구에서는 메조스케일 다중노즐 배열에서 연료 스테이징 기법이 예혼합 메탄 화염의 연소불안정과 배기가스 발생에 미치는 영향을 살펴보았다. 이를 위해 직경 6.5 mm의 60개 스월 노즐을 반경 방향으로 외부와 내부 영역으로 분리했으며, 각 영역은 독립적인 유로와 연결되어 혼합물의 개별적인 유량 제어가 가능하다. 먼저 연료 스테이징이 자발 불안정 발생에 미치는 영향을 살펴보기 위해 총 25개의 당량비 조건에서 신호 계측을 수행하였으며, 두 개 대표 조건에서 OH PLIF 이미지 계측을 통해 국부적인 화염 거동을 관찰했다. 또한 앞서 살펴본 25개의 당량비 조건에서 NOx와 CO 배출량을 계측하고 이를 반경 방향 화염 온도 분포와 비교 분석하였다.

2. 실험 장치 및 방법

Fig. 1은 본 연구에 사용된 메조스케일 다중노즐 연소기를 보여주며, 이는 선행 연구에서 사용된 장비와 같다[20,2324,25,26]. Fig. 1(a)의 노즐 어셈블리는 직경 6.5 mm의 노즐 60개가 4개의 동심원을 이루며 반경 방향으로 배치되어 있다. 바깥에 있는 44개 노즐을 외부 영역, 중앙에 있는 16개 노즐을 내부 영역으로 나누어 각 영역에 메탄-공기 혼합물을 독립적으로 공급할 수 있도록 설계하였다. 모든 노즐 출구로부터 상류 333 mm와 76 mm 지점에 초크 오리피스와 베인 각 44°의 스월러를 각각 설치하였다.

Fig. 1.

(a) Spatial arrangements of sixty swirl injectors consisting of 16 inner stage and 44 outer stage injectors. Relative position of pulsed UV laser sheet is marked on nozzle array (A-D). (b) Cross-sectional view of multinozzle combustion test facility with OH PLIF diagnostic and gas sampling measurement setups. p'i and Ti indicate dynamic pressure transducers and type-K thermocouples, respectively. Abbreviations/subscripts: us = upstream, ds = downstream, dp = dump plane, tp = transition piece, exh = exhaust section, c = combustion chamber, DM = dichroic mirror, PMT = photomultiplier tube. All dimensions in millimeters.

Fig. 1(b)의 연소기는 상류의 입구 플레넘, 노즐 어셈블리, 화염 가시화를 위한 석영관, 이동이 가능한 피스톤과 하류의 스틸 연소기로 구성되어 있다. 히터를 통해 200°C로 예열된 공기는 순도 99.95%의 메탄(CH₄)과 완전 예혼합되어 노즐 출구에서 점화된 후 가시화된다. 실제 가스터빈 연소기의 음향 경계면을 모사하기 위해 노즐 상류의 초크 오리피스와 연소기 하류의 피스톤 헤드는 양쪽에서 닫힌 경계조건을 형성한다. 피스톤은 연소기 내부에서 길이 방향으로 조절할 수 있으며, 이를 통해 시스템의 고유주파수 변화에 따른 자발 불안정 특성을 확인할 수 있다. 유동방향으로 설치된 5개의 동압센서(PCB piezo electronics, 112A22)와 석영관에 수평 방향으로 배치된 광증배관(Hamamatsu, H7732-02)을 이용하여 각각 압력 섭동(p'i)과 열 방출률 섭동(q')을 계측하였다. 두 신호는 3 kHz의 샘플링 주파수로 4초간 획득되었으며, 이는 시스템의 불안정 주파수를 살펴보는데 충분한 값으로 선정되었다.

국부적인 화염 거동을 살펴보기 위해 OH PLIF 이미지 계측을 이용하였다. 10 Hz의 반복률을 갖는 Nd:YAG 레이저(Continuum, Surelite II-10)를 이용해 색소 레이저(Radiant dyes, Narrowscan)를 펌핑하고, A2∑+-X2Π(1,0) 밴드의 Q1(6) 라인을 여기하기 위해 283.065 nm의 파장으로 공급하였다. 레이저 빔은 원통형 오목 렌즈(f = -25 mm)와 구형 렌즈(f = 100 mm)를 통과하여 폭 60 mm, 두께 1 mm의 평면 레이저 시트를 형성하며, 이는 덤프면 중앙의 네 개 노즐(A-D)로 조사된다(Fig. 1(a) 참고). 평면 레이저로 여기된 반응장의 OH 라디칼은 310 nm 밴드패스 필터(Laser Components, LC-HBP 310/10-50)가 장착된 f/4.5 UV렌즈를 통과하며 최종적으로 ICCD 카메라(Princeton Instruments, PI-MAX4)를 통해 계측하였다.

배기가스 계측을 위해 직경 2 mm의 흡입구 3개가 있는 샘플 프로브를 화염 후류 486 mm 지점에 설치하였으며, 이때 연소생성물의 체류 시간은 약 30 ms로 계산되었다. 수분 및 응축수 자동제거를 위한 냉각장치(Horiba, PS300)와 가스분석기(Horiba, PG350)를 사용하여 NOx, CO, O₂ 등의 농도를 측정하였다. NOx는 화학발광법을 이용하여 최대 25 ppm 범위에서, CO는 비분산 적외선 흡수 방식으로 최대 200 ppm 범위에서 측정하였으며, 계측값의 불확실성은 95% 신뢰 구간에서 NOx와 CO가 각각 ±0.3 ppm과 ±2.0 ppm으로 계산되었다. 피스톤을 시스템이 안정한 상태를 나타내는 구간으로 이동시킨 후 유동이 충분히 정상상태에 도달하였을 때 1 Hz의 샘플링 주파수로 120초 동안 배기가스 계측을 진행하였으며 15% 산소 농도 기준으로 환산된 값을 분석에 이용하였다.

본 연구에서 고려한 실험 조건은 다음과 같다. 완전 예혼합된 메탄-공기 혼합물은 200°C로 예열하여 모든 노즐에 25 m/s의 평균 유속으로 공급했다. 반경 방향 연료 스테이징의 영향을 살펴보기 위해 외부 당량비(ϕo)와 내부 당량비(ϕi)를 0.57부터 0.73까지 0.04 간격으로 변화시키며 총 25개 조건에서 연소 진동과 배기가스 계측을 수행하였다. 이때 당량비 불균일 정도를 외부와 내부 당량비 차이(∆ϕ=ϕo-ϕi)로 정의했다. 실험에 사용된 모든 당량비 조건을 Fig. 2에 도시했으며 균일한 당량비(∆ϕ=0)를 나타낸 대각선을 기준으로 좌측상단은 외부 당량비가 더 높은 조건(혹은 외부 스테이징, ∆ϕ>0), 우측하단은 내부 당량비가 더 높은 조건(혹은 내부 스테이징, ∆ϕ<0)을 보여준다. 연소기 길이(lc)는 덤프면부터 피스톤 헤드까지의 거리로 각 당량비 조건에서 1200 mm부터 1800 mm까지 25 mm 간격으로 변화시키며 불안정 계측을 수행하였다.

Fig. 2.

Test matrix in the <ϕi,ϕo> domain. Subscript i and o denotes inner and outer stages, respectively. Each test point is represented as a circle symbol and ⊗ denotes lean blow-off condition. Two test points with magenta border are considered in detailed imaging analysis.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 연료 스테이징이 자발 불안정 발생에 미치는 영향

Fig. 3은 모든 노즐에 같은 당량비의 혼합물이 공급되었을 때 연소기 길이 변화에 따른 압력 섭동의 진폭을 보여준다. 불안정 주파수는 상단 컬러바를 토대로 원형 심볼에 색깔로 표시하였다. 희박 화염 날림이 발생한 ϕi=ϕo= 0.57과 0.61에서는 실험을 수행하지 않았으므로 0.65부터 0.73에 대한 불안정 계측 결과를 분석하였다.

Fig. 3.

Normalized combustor pressure amplitude as a function of combustor length under uniform equivalence ratio conditions (ϕi=ϕo or ∆ϕ=0). Dominant frequency of each unstable mode is indicated using color scale.

우선 당량비가 ϕi=ϕo= 0.65일 때, 짧은 연소기 길이에서는 시스템이 안정한 상태를 나타내다가 1500 mm 부근에서부터 약 200 Hz에 해당하는 압력 섭동의 진폭이 서서히 증가한다. 이처럼 특정 변수에 따라 시스템이 점진적으로 변화하는 현상은 초임계 분기(supercritical bifurcation)에 해당한다[27]. 여기서 주목할 점은 당량비 증가에 따라 완전히 다른 패턴의 불안정 현상이 관찰된 것이다. 전체 노즐에 당량비 ϕi=ϕo= 0.69의 혼합물이 공급되는 경우, 300 Hz 근방에서 발생한 압력 섭동은 연소기 길이 증가에 따라 서서히 약해지다가 연소기 길이 1400 mm에서 갑자기 200 Hz에 결합하며 3% 이상의 큰 진폭으로 성장했다. 이러한 현상은 아임계 분기(subcritical bifurcation)의 대표적인 예시로 연소기 길이에 따라 주파수 혹은 압력 섭동의 진폭이 불연속적으로 변화한다. 즉, 매개변수 변화에 따라 시스템이 비선형적인 거동을 나타내어 사전에 예측하는 것이 어렵고, 이때 발생하는 큰 진폭의 연소 진동은 시스템에 매우 심각한 손상을 입힐 수 있다[28]. 당량비가 더욱 증가한 ϕi=ϕo= 0.73에서는 직전 조건과 유사하게 아임계 분기가 발생했지만, 더 강한 진폭의 압력 섭동이 관찰되며 급격한 주파수 변화를 동반한 분기점은 1550 mm 근처로 이동했다. 또한 혼합물의 당량비가 증가함에 따라 화염 온도가 증가하여 불안정 주파수 또한 모든 대역에서 10 Hz 가량 소폭 상승하였다. 요약하자면 메조스케일 다중노즐 배열에서 전체 당량비(ϕg)는 압력 섭동의 진폭, 불안정 주파수, 시스템의 분기 패턴 등을 변화시켰으며, 일반적으로 높은 당량비 조건에서 아임계 분기를 동반한 강한 진폭의 불안정성이 관찰되었다.

다음으로 연료 스테이징 기법이 자발 불안정 발생에 미치는 영향을 살펴보기 위해 외부와 내부 노즐에 혼합물의 당량비를 불균일하게 공급하는 실험을 수행하였다. Fig. 4의 좌측은 외부 스테이징(∆ϕ>0), 우측은 당량비가 균일한 조건(∆ϕ=0) 혹은 내부 스테이징(∆ϕ<0)을 나타내며, Fig. 3과 동일한 방식으로 그래프를 도시하였다. 먼저 좌측의 외부 스테이징(∆ϕ>0) 조건을 살펴보면, ∆ϕ = 0.16일 때 짧은 연소기 길이에서 약 300 Hz에 결합한 불안정이 발생했지만, 이후 연소기 길이가 1500 mm 보다 길어지면서 시스템은 안정한 상태를 나타낸다. 이전보다 당량비 차이가 감소한 ∆ϕ = 0.12에서는 1500 mm 부근에서 짧은 안정 구간이 확인되며, 긴 연소기 길이에서 200 Hz에 해당하는 압력 섭동이 새롭게 관찰되었다. 당량비 차이가 0에 가까워질수록 전체 시스템의 불안정성이 증가하는 것은 주목할 만하다. 좌측의 ∆ϕ = 0.08, 0.04와 우측의 ∆ϕ = 0은 모든 연소기 길이에서 최대 4% 진폭의 압력 섭동을 나타내며, 이때 관찰되는 아임계 분기 현상은 실험마다 분기점이 조금씩 이동하기 때문에 연소기 길이 1400-1600 mm 사이에서는 300 Hz와 200 Hz에 결합한 불안정이 동시에 관찰된다.

Fig. 4.

Dependence of the normalized pressure amplitude upon degree of non-uniformities and direction of radial fuel staging. Dominant frequency of each unstable mode is indicated using color scale. (Left) outer fuel staging (∆ϕ>0), (Right) uniform equivalence ratio (∆ϕ=0) and inner fuel staging (∆ϕ<0).

한편, 우측의 내부 스테이징(∆ϕ<0) 조건은 연소기 길이 변화에 따라 시스템이 연속적으로 변화하는 초임계 분기가 우세하게 관찰되었으며 대부분의 연소기 길이에서 불안정이 상당히 완화되었다. ∆ϕ = -0.04의 경우 1200-1350 mm 사이에서 300 Hz에 결합한 압력 섭동이 관찰되었는데, 해당 주파수의 불안정은 당량비 차이가 증가한 ∆ϕ = -0.08에서 성공적으로 억제되었다. 이후 1400 mm부터 200 Hz에 해당하는 불안정이 발생했지만, 진폭 약 1.5%로 좌측 외부 스테이징과 비교하여 진폭이 절반가량 감소한 것을 확인했다. ∆ϕ = -0.12 조건에서는 놀랍게도 모든 연소기 길이에서 불안정이 발생하지 않았으며, 같은 당량비 차이로 외부 스테이징을 적용한 ∆ϕ = 0.12에서는 불안정성이 상당히 넓은 구간에서 관찰되었다.

Fig. 4를 통해 외부와 내부 노즐에 공급되는 당량비가 불균일해짐에 따라 시스템이 비교적 안정적으로 변화하는 것을 관찰했으며, 특히 내부 스테이징이 불안정 제어에 더 효과적임을 확인했다. 다시 말해, 시스템의 동적 안정성은 당량비 차이와 더불어 연료 스테이징 방향(외부 혹은 내부)에도 매우 민감하게 반응하며, 이러한 특성은 화염 거동과 매우 밀접한 연관이 있을 것으로 예상된다. 따라서 다음 3.2절에서는 OH PLIF를 이용한 화염 이미지 계측 결과를 기술하였다.

3.2 연료 스테이징이 화염 동역학에 미치는 영향

국부적인 화염 거동을 가시화하기 위해 Fig. 1(a)에 표시한 네 개 노즐(A-D)에서 위상 동기화 OH PLIF 이미지 계측을 수행하였다. Fig. 5(a)와 Fig. 5(b)는 각각 당량비가 (ϕi,ϕo) = (0.61, 0.73)과 (0.73, 0.65)로 공급되는 조건으로 전체 당량비(ϕg)와 단열화염온도(Tad)는 같지만, 외부와 내부 스테이징이 적용된 조건으로 선정되었다. 실험 중 연소기 길이는 모두 1700 mm에 고정되었으며, 한계 주기(limit cycle) 동안 불안정 주파수는 각각 220 Hz와 213 Hz이다.

Fig. 5.

Phase-synchronized instantaneous OH PLIF images of mesoscale multinozzle flames during a period of limit-cycle oscillation at lc = 1700 mm. (a) outer fuel staging: (ϕi,ϕo) = (0.61, 0.73), fLC = 220 Hz, p'pk-pk = 5.2 kPa and (b) inner fuel staging: (ϕi,ϕo) = (0.73, 0.65), fLC = 213 Hz, , p'pk-pk = 2.6 kPa.

Fig. 5(a)는 외부 스테이징 조건으로 바깥 노즐(C,D)에 더 높은 당량비의 혼합물이 공급된다. 위상 0°부터 30°까지 와류를 동반한 버섯 모양의 화염들은 개별적으로 거동한다. 위상 60°부터는 비교적 적은 연료가 공급되는 내부 노즐(A,B) 사이에서 반응물 제트 간 강한 상호작용이 관찰되는데, 이는 유동 및 반경 방향으로 점차 팽창하여 모든 노즐 사이에서 화염 면을 병합시킨다(180°). 이때 생성된 고온 영역은 하류로 직진하다가, 위상 300°에서 덤프면에 부착된 화염으로부터 완벽히 분리된다. 위상 330°부터 반응물 제트는 다시 하류로 침투하기 시작하며, 한계 주기 동안 앞서 관찰한 움직임을 반복할 것이다.

다음으로 내부 스테이징이 적용된 Fig. 5(b)를 살펴보면, 위상 30°까지 개별 화염들은 독립적으로 거동한다. 위상 60°부터 제트 화염 간의 병합이 관찰되는데 주목할 점은 Fig. 5(a)와 달리 인접 화염 간의 상호작용이 국부적으로 발생하는 것이다. 상대적으로 많은 연료가 공급되는 내부 노즐(A,B)은 제트 화염이 독립적으로 거동하고 있으며, 한계 주기 동안 하류로 깊게 침투하고 되돌아오는 움직임을 반복했다. 반면 외부 노즐(C,D)의 혼합물 제트는 위상 180°에서 화염 면을 병합시키며 고온 영역을 형성하고, 이는 남은 주기 동안 유동장 하류 벽면 방향으로 뻗어나간다.

Fig. 5를 통해 전체 당량비와 불안정 주파수가 같을지라도 연료 스테이징 방향에 따라 개별 화염 간의 상호작용이 상당히 달라지는 것을 관찰했다. 이는 선행 연구[24]에서 기술한 전체 화염의 CH* 자발광 이미지와 연관 지어 분석할 수 있다. 외부 스테이징이 적용된 Fig. 5(a)의 경우 모든 노즐 사이에서 화염 간의 상호작용이 발생했는데, 이는 60개 노즐로부터 형성된 거대 화염 구조가 분리-부착을 반복하며 강한 불안정을 발생시킨다고 보고한 선행 연구 결과와 일치한다. 내부 스테이징이 적용된 Fig. 5(b)는 특이하게도 중앙 노즐(A,B)의 제트 화염이 외부 화염과 병합되지 않고 독립적으로 거동하는 것을 보여주었는데, 이는 덤프면에 강하게 고정된 중앙 화염이 전체 열 방출률 섭동의 성장을 제한한다고 밝힌 선행 연구 결과를 뒷받침한다. Fig. 5(a)와 Fig. 5(b)에서 계측된 압력 섭동의 진폭은 각각 5.2 kPa과 2.6 kPa으로 내부 스테이징이 적용되었을 때 실제로 불안정 현상이 상당히 완화되었음을 보여준다. 외부와 내부 스테이징에 따라 변화하는 화염 간의 상호작용은 전체 화염의 동적 거동을 변화시켰으며, 이는 메조스케일 다중노즐 배열에서 자발 불안정의 발생과 성장에 매우 지배적인 요소로 확인되었다.

3.3 연료 스테이징이 배기가스 생성에 미치는 영향

Fig. 6는 25개의 당량비 조건에서 계측된 NOx와 CO 배출량을 보여준다. 정상상태에서 120초 동안 계측한 데이터를 산소 농도 15% 기준으로 환산한 후 선형 보간을 이용해 전체 당량비 도메인에 나타내었다. 이때 60개 노즐의 전체 당량비(ϕg)를 기준으로 단열화염온도(Tad)를 계산하여 Fig. 6에 점선으로 표시하였다. 본 실험에 사용된 메조스케일 다중노즐 배열은 44개의 외부 노즐이 16개의 내부 노즐보다 우세하게 분포하고 있어, 외부 노즐의 운전조건이 전체 당량비와 단열화염온도에 더욱 지배적으로 작용한다. 따라서 Fig. 6의 단열화염온도는 전체 당량비가 증가하는 우측상단으로 갈수록 증가하며, 특히 외부 당량비(ϕo) 증가에 따라 더욱 가파르게 상승하여 점선이 기울어져 있다.

Fig. 6.

Iso-contour plots of (a) total nitrogen oxides (NOx) and (b) total carbon monoxide (CO) emissions by volume on a dry basis, corrected to 15% oxygen (reported in units of ppmvd). These measurements were performed under thermoacoustically stable conditions at residence time of about 30 ms.

먼저 Fig. 6(a)의 NOx 계측 결과는 우측상단으로 갈수록 배기가스 생성량이 상당히 증가하는 것을 보여준다. 가장 높은 당량비 조건인 (ϕi,ϕo) = (0.73,0.73)에서 전체 단열화염온도는 2009 K으로 계산되었으며, 이때 NOx 생성량은 약 4 ppmvd으로 가장 높은 수치를 나타냈다. 이는 열적 질소산화물의 발생이 단열화염온도에 대해 지수적인 관계식을 나타내어 발생한 결과이다[13]. 주목할 점은 전체 단열화염온도가 같을지라도 연료 스테이징 방향에 따라 배기가스 발생량이 크게 달라지는 것이다. 예를 들어 Fig. 6(a)에서 단열화염온도가 1950 K에 해당하는 두 조건 (ϕi,ϕo) = (0.57,0.73)과 (0.73,0.69)을 살펴보면, NOx 배출량이 각각 1.4 ppmvd와 3.6 ppmvd로 계측되어 내부 스테이징이 적용되었을 때 약 2.5배가량 증가하였다. 이러한 경향성은 Fig. 6(b)의 CO 배출량에서도 유사하게 관찰되었는데 우측하단의 내부 스테이징(ϕi>ϕo) 조건이 좌측상단의 외부 스테이징(ϕi<ϕo) 조건보다 더 높은 CO 생성량을 나타낸다.

앞서 살펴본 배기가스 생성량의 차이는 연료 스테이징이 적용되었을 때 국부적으로 발생하는 화염의 고온 영역(local hot-spot)과 밀접한 연관이 있을 것으로 보인다. 따라서 Fig. 7(a)와 Fig. 7(b)에 각각 외부와 내부 스테이징 조건에서 반경 방향 위치에 따른 화염 온도 분포를 도시하였다. 좌측의 회색 노즐에서 진한 붉은색일수록 더 높은 당량비의 혼합물이 공급됨을 나타내고, 화염 온도를 나타낸 붉은 실선은 우측에 위치할수록 해당 영역이 더 높은 온도임을 의미한다.

Fig. 7.

Predicted local temperature profile: (a) outer fuel staging (ϕi<ϕo) and (b) inner fuel staging (ϕi>ϕo).

Fig. 7(a)의 경우 화염 바깥쪽에 비교적 과잉 연료가 공급된다. 따라서 외부 화염은 단열화염온도가 더 높은 조건임에도 불구하고, 벽면으로부터의 열 손실과 더불어 내부 화염에 단열 효과를 제공하여 실제 화염 온도는 상당히 낮을 것으로 예상된다. 반대로 내부 노즐은 비교적 희박 연료가 공급되지만, 이를 둘러싼 외부 화염으로부터 단열 효과를 얻어 열 손실이 매우 적게 발생할 것이다. 따라서 Fig. 7(a)의 외부 스테이징 조건에서는 불균일한 연료 공급과 벽면에서의 열 손실이 노즐 간 화염 온도 차이를 상쇄시키면서 전체 화염이 비교적 균일한 온도 분포를 가질 것으로 예상된다. Fig. 7(b)는 상대적으로 높은 당량비의 혼합물이 중앙 노즐에 공급되는데, 이는 외부 화염으로부터 단열 효과를 얻으며 국부적으로 매우 높은 온도를 나타낼 것이다. 따라서 내부 스테이징이 적용되었을 때 전체 화염은 반경 방향으로 매우 불균일한 온도 분포를 나타내며, 화염 중앙부에 형성된 고온 영역으로 인해 Fig. 6의 우측하단에서 열적 NOx와 CO 배출량이 현저히 증가한 것으로 보인다.

4. 결 론

본 연구에서는 메조스케일 다중노즐 배열에서 반경 방향 연료 스테이징이 연소 불안정성과 배기가스 생성량에 미치는 영향을 살펴보았다. 비교적 높은 당량비의 혼합물이 외부 노즐에 공급되었을 때 시스템은 아임계 분기 현상을 동반하며 강한 연소 진동을 유발했다. 반면 내부 노즐에 더 높은 당량비의 혼합물이 공급되면 기존에 관찰된 불안정 모드가 효과적으로 억제되는 것을 확인하였다. 이러한 현상을 규명하기 위해 OH PLIF 이미지 계측을 이용하여 중앙부터 가장자리까지 4개 노즐에 대한 화염 거동을 살펴보았다. 외부 스테이징의 경우 모든 노즐에서 반응물 제트 간 강한 상호작용이 관찰되었으며, 이는 전체 화염의 분리-부착을 통해 시스템에 높은 진폭의 불안정을 발생시켰다. 반면 내부 스테이징의 경우 내부와 외부 화염이 독립적으로 거동하였으며, 한계 주기 동안 화염 중앙부가 덤프면에 안정적으로 부착되어 있어 기존에 발생했던 강한 진폭의 연소 진동이 완화되었다. 한편, 내부 스테이징 조건은 노즐 중앙에 국부적으로 고온 영역을 형성하여 배기배출량이 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 군집 소형 다중노즐 배열에서 연료 스테이징 기법을 적용할 시 불안정과 배기가스 생성 사이에서 적절한 운전조건이 고려되어야 함을 시사한다.