Flame Structure and Combustion Instability Characteristics of Non-premixed GO2/GCH4 Flames in a Recessed Single Coaxial Injector

Abstract

추진 기관 및 저 NOx 가스터빈 연소기의 설계 과정에서 발생하는 가장 큰 걸림돌 중 하나인 연소불안정을 해결하기 위한 수많은 연구가 진행되어 왔음에도 불구하고, 아직까지 이를 위한 완전한 해결책은 제시되지 못하고 있다. 연소불안정에 관한 선행 연구에서는 주로 당량비 혹은 O/F 비에 따른 연소 특성을 파악했으나, 동일한 작동조건임에도 불구하고 서로 다른 구조를 갖는 쌍안정 화염이 형성되기도 하며 각 화염은 서로 다른 특성을 보여주기 때문에 화염 구조 역시 연소불안정을 판단함에 있어 반드시 고려되어야 한다. 또한, 연소불안정은 주로 고주파 영역에서 발생하나 화염의 특성을 나타내는 화염전달함수는 주로 저주파 영역에서만 측정되었기 때문에 연소불안정과 화염전달함수의 직접적인 비교는 수행되지 못하였다. 더군다나 연소불안정에 관한 연구는 주로 가스터빈에서 사용되는 예혼합화염에 집중되어 있으며, 발사체에서 사용되는 비예혼합화염에 관한 연구는 부족한 실정이다. 그러나 발사 이후 작동을 중단시키고 개선작업을 수행하기 어려운 발사체의 특성 상 연소불안정은 사전에 완벽하게 해결되어야 한다. 본 연구에서는 최근 발사체 재사용을 위한 친환경 연료로 각광받고 있는 메탄을 사용하여 리세스를 가지는 동축형 분사기의 연소불안정 특징을 파악하였다. 이 과정에서 화염의 구조 및 불안정 모드 천이 현상의 원인 파악에 대한 상세 연구를 수행하였다. 또한, 연소불안정 연구의 최종 목표인 연소불안정 예측을 위하여 화염전달함수에 관한 연구도 수행하였다. 연소불안정 특징을 파악하기에 앞서 쌍안정 화염의 특성파악을 위하여 O/F 비 및 외부 섭동에 따른 화염 구조 파악을 위한 연소시험을 수행하였다. 그 결과 부착화염과 부상화염이 발생하였으며, 부상화염일 때 압력 및 열방출율 섭동이 더 강하게 발생하였다. O/F 비의 증가는 부상화염에서 부착화염으로의 천이를 야기하였고, 부착화염은 O/F 비의 변화에도 불구하고 부착화염의 상태를 유지하였다. 외부 음향 섭동은 그 세기에 따라 화염 구조에 다른 영향을 주었으며, 일반적으로 음향 섭동은 부상화염에서 부착화염으로의 천이를 야기하였으나, 매우 강한 섭동은 오히려 부착화염에서 부상화염으로의 천이를 야기하였다. O/F 비의 변화와 외부 음향 섭동은 산소와 메탄 사이의 속도차를 발생시키며, 속도차가 클수록 둘 사이의 강한 혼합이 발생하여 화염이 인젝터 쪽으로 당겨져 오게 되고, 결과적으로 부상화염에서 부착화염으로의 천이가 발생한다. 다만, 매우 강한 음향 섭동은 오히려 정상적인 화학 반응을 방해하며, 국소 소염을 야기하기 때문에 부착화염에서 부상화염으로의 천이를 야기시키는 것으로 판단되었다. 화염 구조 간의 천이 현상은 화염 구조 계측 및 continuous wavelet transform을 활용한 압력 신호를 통해 분석되었다. 다음으로, 음향 섭동 시험을 통해 연소실 후단에 닫힌 음향 경계를 형성시키는 것이 확인된 플러그 노즐을 사용하여 연소시험을 수행하였다. O/F 비의 변화에 따라 발생하는 불안정 주파수에 대한 모드 분석을 수행하였으며, 연소실 길이방향 공진 주파수의 1st, 3rd, 4th에 해당하는 불안정임을 확인하였다. 이에 대한 상세 연구를 위하여 각 O/F 조건에서 전체 시간 지연을 계측하였으며, 불안정 모드는 전체 시간 지연에 반비례하도록 천이되는 것을 확인하였다. 이러한 원인은 Rayleigh criterion에 의해 전체 시간 지연이 증가함에 따라 연소실 내부의 압력 섭동과 열방출율 섭동의 보강간섭이 발생하는 음향 모드가 낮은 모드로 천이되기 때문인 것으로 예측되었다. 또한, 일정한 O/F 비에서 연소실 길이를 증가시키면, 불안정 주파수는 연소실의 공진 주파수와 일치하도록 서서히 감소하다가 다음 모드로 천이되는 현상이 발생하였는데, 연소실 길이 변화 역시 Rayleigh criterion에 의해 연소실 내부의 압력 섭동과 열방출율 섭동 사이의 위상차 변화를 야기하여 보강간섭이 발생하는 음향 모드의 변화를 발생시키기 때문인 것으로 판단되었다. 또한, 각 O/F 비 조건에서 연소실 길이를 변화시켜감에 따라 가장 큰 압력 섭동이 발생하는 주파수를 연소불안정 주파수로 정의하고 분석한 결과 전체 시간 지연과 연소불안정 주파수는 반비례 관계가 있음을 확인하였다. 이는 시간 지연 분석기법에 따라 전체 시간 지연과 불안정 주파수의 곱이 일정한 값을 가질 때 이론적으로 연소실 내부의 압력 섭동과 열방출율 섭동 사이에 보강간섭이 발생하여 연소불안정이 발생하기 때문이며, 본 연구에서 측정된 전체 시간 지연과 불안정 주파수의 곱은 이론 값인 0.5와 일치하는 것을 확인하였다. 마지막으로 화염의 특성을 파악하여 연소불안정 예측에 활용될 수 있는 화염전달함수에 관한 연구를 수행하였다. 먼저, 쌍안정 화염의 화염전달함수를 측정한 결과 부상화염의 화염전달함수는 부착화염에 비해 큰 gain이 발생하였다. 화염전달함수의 gain은 동일한 외부 섭동에 따른 열방출율 섭동을 의미하므로, 부상화염이 외부 교란에 더 민감함을 나타낸다. 또한, 각 O/F 비에서 화염전달함수를 측정하였고, gain의 peak이 발생하는 주파수는 연소불안정 주파수와 거의 일치하는 것으로 확인되었다. 화염전달함수 gain의 peak은 화염의 내재적 불안정 주파수를 의미하며, 해당 주파수 섭동에 가장 큰 교란이 야기됨을 의미한다. 즉, 내재적 불안정 주파수와 동일한 공진주파수를 가지는 연소실에서는 해당 주파수 섭동의 공진 효과로 인해 화염의 떨림이 증폭되는 양의 피드백 현상이 발생하게 되어 연소불안정이 발생하기 때문에 화염전달함수 gain의 peak 주파수와 연소불안정 주파수는 일치하는 것으로 판단되었다. 또한, 측정된 화염전달함수 및 화염의 구조를 사용하여 연소불안정 예측을 수행한 결과 실험에서 발생하였던 불안정 모드 천이 현상 및 연소불안정 주파수가 유사하게 예측되는 것을 확인할 수 있었다. 상기 연구를 통하여 리세스를 가진 동축형 분사기에서 발생하는 비예혼합화염의 화염 구조 및 연소불안정에 대한 다양한 특성을 파악하였으며, 화염전달함수에 관한 연구도 수행되었다. 이러한 연구는 비예혼합화염을 활용한 연소시스템의 연소안정성 향상, 비예혼합화염의 구조 및 연소불안정 특성을 파악하기 위한 연구의 선행연구자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Although numerous studies have been conducted to solve the combustion instability, which is one of the biggest obstacles in the design process of propulsion engines and low NOx gas turbine combustors, a general solution for combustion instability has not been proposed. Previous studies have used equivalence ratio or oxidizer-to-fuel (O/F) ratios to determine the combustion characteristics, however, even with the constant O/F ratios, different flame shapes have been formed, resulting in different combustion characteristics. Therefore, the flame shape should also be considered in evaluating combustion instability. Furthermore, only a low and narrow range of modulation frequencies has been used to measure the flame transfer function (FTF) in previous research although the combustion instability occurs mainly in the high-frequency region. Therefore, a direct comparison between combustion instability and FTF was hard to be performed. Moreover, there are fewer studies on combustion instability characteristics of non-premixed methane-oxygen flames, used in launch vehicles, compared to those of premixed flames used in gas turbines. However, the combustion instability of non-premixed flame must be completely resolved in advance because the launch vehicles are hard to be stopped and improved after the launch. This paper explores the combustion instability characteristic of a recessed coaxial injector using methane, which has recently been spotlighted as an eco-friendly fuel for reusable launch vehicles. Also, the flame shapes and reason of combustion instability mode shifting phenomenon are investigated. Furthermore, a study on FTF is conducted to predict combustion instability, which is the final goal of the combustion instability research. Before investigating the combustion instability characteristics, the flame shapes are explored with varying O/F ratios and external acoustic modulation to understand the bistable flame characteristics. As a result, attached and detached flames occur, and detached flames exhibit stronger pressure and heat release rate perturbations, compared to attached flames. The bifurcation diagrams of the bistable flames, based on flame shapes, are generated by varying the O/F ratio and acoustic modulation strength under oxygen flow. These show that while an attached flame can not be lifted off from the injector rim by varying the velocity difference between oxygen and methane, it can be lifted off by high-strength acoustic forces. Conversely, a detached flame can be attached to the injector rim by increasing the velocity difference between oxygen and methane or with moderate acoustic modulation. Therefore, the velocity difference between oxygen and methane and the external modulation are primarily responsible for determining the flame shape. A large velocity difference causes the strong mixing between the oxygen and methane, which results in pulling the flame toward the injector, and finally causing the transition from detached to attached flames. However, the strong acoustic perturbation can interrupt the chemical reaction and cause local extinction, thus causing a transition from the attached to detached flames. The transitions between flame shapes are analyzed using the flame shape and pressure data. The continuous wavelet transform is applied to determine the frequency characteristics during the transitions. Then, combustion experiments are conducted using a plug nozzle that is confirmed to form a closed acoustic boundary at the downstream end of the combustor through acoustic perturbation experiments. A mode analysis is performed for instability frequency occurring at various O/F ratios. The instabilities are observed in the 1st, 3rd, and 4th harmonic modes of the longitudinal fundamental resonant frequency of the combustor. For intensive research into the instability, the total delay time is measured under each O/F ratio. As a result, instability mode shifts to lower mode as increasing the total delay time. Based on the Rayleigh criterion, the reason for the instability mode shift phenomenon is that the acoustics mode, where the constructive interference between the pressure and heat release rate perturbations inside the combustor occurs, is shifted to the lower mode. As increasing the combustor length at a fixed O/F ratio, the instability frequency gradually decreases to match the resonant frequency of the combustor and then transitions to the higher mode. This is because varying the combustor length results in a transition of acoustic modes where the constructive interference between the pressure and heat release rate perturbations occurs according to the Rayleigh criterion. Furthermore, at each O/F ratio, the combustion instability frequency is defined as a frequency where the strongest pressure perturbation occurs as varying the combustor length. As a result, the combustion instability frequency decreases as increasing the total delay time. According to the time-lag analysis, when the product of total delay time and instability frequency satisfies particular conditions (n - 0.5, n: positive integer), the combustion instability theoretically occurs owing to the constructive interference between the pressure and heat release rate perturbations. In this study, the strength of pressure perturbations is greatly amplified when the product of measured total delay time and instability frequency coincides with a theoretical value of 0.5. Finally, a study is conducted on the FTF which can be used to predict the combustion instability by understanding the flame characteristics. First, as a result of measuring the FTF of bistable flames, the FTF gain for the detached flame has a larger value than that for the attached flame. Since the FTF gain represents the heat release rate perturbations due to the constant external perturbation, FTF results can indicate that the detached flame is more sensitive to external disturbances. Furthermore, the FTF is measured at each O/F ratio, and the peak frequency of FTF gain almost coincides with the combustion instability frequency. The peak frequency of the FTF gain indicates the inherent instability frequency of the flame, which means that the strongest heat release rate perturbations occur at that frequency. If the resonant frequency of the combustor coincides with the inherent instability frequency, positive feedback, amplifying the flame oscillation, occurs due to the resonance of that frequency perturbation, which results in the combustion instability. Therefore, the peak frequencies of the FTF gain and the combustion instability frequencies well match. In addition, as a result of performing the combustion instability prediction using the measured FTFs and the flame shapes, the instability mode shifting phenomenon and the frequency of combustion instability are reasonably predicted compared to the experimental results. The collective understanding of flame shapes and combustion instability of non-premixed flames, formed in a recessed coaxial injector, is advanced based on the experimental approach. Furthermore, the instability prediction is also made using measured FTFs and flame shapes. Therefore, these results will serve as a reference for future studies on improving the combustion stability using non-premixed flames and on understanding the shapes and characteristics of non-premixed flames.