Experimental Study about Effect of the Flow rate on Combustion Instability in Partially Premixed Gas Turbine Combustor

Abstract

Recently, as concerns about environmental issues are emerging, much effort is being made to reduce the exhaust gases like NO, CO in the gas turbine industry. The most commonly used method is lean premixed combustion, which means that the combustion is occurring under oxidizer rich condition. The lean premixed combustion can reduce the exhaust gases, but there are disadvantages that the combustion instabilities, which affect reliability of the engine, is liable to occur. So, many of the studies about the combustion instability in the gas turbine is in progress. In this study, effects of the fuel and air flow rate on the combustion instability in a partially premixed gas turbine combustor was investigated using laser diagnostics techniques like OH planar laser chemiluminescence (OH-PLIF) and particle image velocimetry (PIV). When large-scale change of the flow rate occurred, frequency of the combustion instability changed from low frequency to high frequency. To explain this phenomenon, convective delay time, defined as the distance from nozzle to flame divided by exit velocity of the fuel-air mixture at the nozzle, was introduced. Under various equivalence ratio and mean injection velocity conditions, the relationship between the change of the instability frequency and the change of the convective delay time was investigated. In addition, the effect of the small-scale change of the flow rate was examined. When the combustion instability occurs, the pressure fluctuations in the combustor induce the small-scale change of the air and fuel flow rate in the nozzle. The changes of the injection velocity of the fuel and air due to the changes of the flow rate lead to variation of the fuel-air mixing ratio due to change of momentum ratio in jet in cross-flow. So this cyclic variation of the fuel-air mixing ratio made periodic alternation of the length of the unburned mixture which is composed of unburned fuel and air mixture in unstable flames. Furthermore, in partially premixed flames, the flame had longer delay time between pressure and heat release rate due to delay time for fuel and air mixing than the fully premixed flame. So, the partially premixed flame had lower instability frequency than the fully premixed flame. And it was also confirmed that the partially premixed flame had a more V-shaped flame structure than the fully premixed flame due to the more fluctuating delay time owing to the variation of the fuel-air mixing ratio.

최근 지구온난화로 인한 환경문제가 대두됨에 따라, 가스터빈 산업계에서는 NO, CO등 배기가스를 줄이기 위한 많은 노력을 기울이고 있다. 가스터빈에서 배기가스를 줄이기 위해 가장 많이 사용하는 방법이 희박예혼합방식의 연소방식이다. 하지만 희박예혼합연소 방식은 배기가스를 줄일 수 있다는 장점이 존재하지만 가스터빈의 하드웨어에 데미지를 주거나 작동 안정성에 영향을 줄 수 있는 연소불안정이 발생하기 쉽다는 단점이 존재한다. 따라서 가스터빈에서의 연소불안정 현상에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 부분예혼합 가스터빈 연소기에서 연료와 공기 유량의 변화가 연소불안정 현상에 어떠한 영향을 주는지 OH-PLIF, PIV와 같은 레이저 계측 방법을 통해 확인해보았다. 큰 폭으로 연료와 공기의 유량을 바꾼 경우에는 연소불안정 주파수가 낮은 주파수에서 높은 주파수로 변하는 현상이 확인되었고, 이 현상을 설명하기위해 노즐로부터 화염까지의 거리를 혼합기의 분사속도로 나눈 convective delay time의 개념을 도입하여 설명하였다. 여러 당량비, 평균유속 조건에서 실험을 진행하였고, convective delay time의 감소와 연소불안정 주파수의 변화를 연관지어 설명하였다. 또한 노즐에서의 작은 스케일의 유량 변화에 대한 영향도 관찰하였다. 연소불안정으로 인한 연소실 내부의 동압으로 인해 노즐에서는 연료와 공기의 미세한 유량변화가 발생하게 된다. 이때 유량변화로 인한 분사속도의 변화는 jet in crossflow에서의 momentum ratio를 변화시키게 되어 연료와 공기가 혼합되어 섞이는 정도를 바꾸게 된다. 따라서 유속변화로 인한 주기적인 연료와 공기 혼합의 정도의 변화는 미연소 영역의 길이의 변화로 이어지는 화염의 구조적인 특징을 확인할 수 있었다. 또한 부분예혼합화염의 경우, 예혼합화염과는 달리 연료와 공기가 섞이는데 필요한 추가적인 시간이 존재하기 때문에 상대적으로 압력 섭동과 열방출량 섭동 사이의 시간 차이가 더 크기 때문에 예혼합화염에 비해 낮은 연소불안정주파수를 가지는 것을 확인할 수 있었고, 연료와 공기가 섞이는데 필요한 시간이 주기적으로 변화하기 때문에 예혼합화염에 비해 화염의 위치변화가 커, 상대적으로 V형태에 더 가까운 화염의 구조를 가지는 것 또한 확인할 수 있었다.