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제안 방법
- 측정된 불안정 주파수의 유효성을 검증하기 위해 반복실험을 수행하였다. 각 실험조건 별로 11~13번의 반복실험을 수행하여 불안정 주파수를 결정하였다.
- 그 다음, 연소 응답 특성 중 하나인 화염전달함수를 도출하기 위해 OH-PLIF 이미지를 획득하여 열방출율을 측정하였다. 이를 위해 Nd-YAG laser(Continuum, Surelite-I), dye laser(Continuum, ND-6000), ICCD camera(Princeton Instruments, PI-MAX2) 등이 사용되었다.
- 따라서 본 연구에서는 연소실의 연료 조성에 따른 연소 특성을 파악하기 위해 실험 조건을 Table 1과 같이 설정하였다. 그리고 연소불안정이 가장 크게 나타난 실험 조건에서 화염전달함수를 도출하여 연소 응답 특성을 파악하였다.
- 본 연구에서는 Dynamic mode decomposition(DMD) 기법을 이용하여 연소불안정성을 평가하였다. 다양한 연료 조성에 따른 연소 실험 결과를 바탕으로, 기존의 FFT 해석 결과와 비교 검토하여 해석의 신뢰성을 확보하였다. 또한 화염전달함수를 도출하기 위해, 연소실의 OH 자발광 섭동 정보를 추출 하였다.
- 또한 각 주파수에 대응하는 섭동값(q' 또는 p' 등)을 추출할 수 있으므로, 이 기법을 이용하여 본 연구에 적용, 화염전달함수(FTF)를 도출하였다.
- 이렇게 정립된 기법을 기반으로 다양한 해석 결과에 대한 음향학적 모드 및 주파수,그리고 연소불안정성을 평가할 수 있다. 또한 비교적 쉽게 주파수에 대응하는 섭동값을 추출할 수 있으므로, 이 기법을 이용하여 본 연구에 적용, 연료 조성에 따른 연소불안정성을 평가하였고, 화염전달함수(FTF)를 도출하기 위한 섭동 데이터를 추출하였다. DMD 기법의 실험 적용 과정을 Fig.
- 다양한 연료 조성에 따른 연소 실험 결과를 바탕으로, 기존의 FFT 해석 결과와 비교 검토하여 해석의 신뢰성을 확보하였다. 또한 화염전달함수를 도출하기 위해, 연소실의 OH 자발광 섭동 정보를 추출 하였다. 이 섭동 정보를 이용하여 화염전달함수를 도출하였고, 가진 주파수에 따른 연소불안정성을 평가하였다.
- 먼저, 연료 조성에 따른 실험을 위해 총 5개의 실험 조건에서 연료 조성을 수소와 메탄의 비율을 25~75%까지 변화를 주었다. 당량비는 0.
- 모형 가스터빈에 대한 연소해석을 위해, GE7EA 연소기를 1/3 스케일로 축소한 노즐에 맞춰 장치를 구성하였다. 본 연구에서 사용한 가스터빈 연소기 및 분사기에 대한 개략도를 Fig.
- 본 연구에서 적용한 DMD 기법은 다양한 해석 또는 실험 결과에 대한 음향학적 모드 및 주파수, 그리고 연소불안정성을 평가할 수 있다. 또한 각 주파수에 대응하는 섭동값(q' 또는 p' 등)을 추출할 수 있으므로, 이 기법을 이용하여 본 연구에 적용, 화염전달함수(FTF)를 도출하였다.
- 먼저, 연료 조성에 따른 실험 결과를 Table 2에 나타내었다. 수소, 메탄 분율에 따른 압력신호를 기반으로 FFT 분석을 수행하였다.
- 각 연료조성에 따른 모드 주파수 결과를 FFT 결과와 비교분석 하였고, 각 실험조건에서 불안정성이 가장 많이 나타난 1000 Hz 대역에서의 차이는 약 6%로 나타났다. 연료의 조성변화에 따라 연소불안정성 평가 인자인 감쇠인자를 비교하였다. 비교 결과 실험조건 2가 가장 불안정한 조건으로 나왔으며, 실험조건 1과 5는 안정한 조건으로 나타났다.
- 연소기의 응답특성인 화염전달 함수를 파악하기 위한 연료가진 장치는 일정 간격으로 구멍이 난 디스크의 회전으로 유로의 면적을 변경시키는 siren 방식을 사용하였다. 가진 주파수는 50 Hz~1000 Hz의 범위를 갖고 있으며, input fluctuation은 평균 속도의 최대 10%로 제한하였다.
- 연소실의 음향학적 특성을 확인하기 위해 후단에 이동 가능한 플러그 노즐을 장착하였으며, 연소실 길이를 1110 mm~1410 mm까지 변경 가능하도록 설계하였다. 화염 가시화를 위하여 석영유리관(quartztube)을 설치하였고, 압력 및 온도 계측을 위한 11개의 압력센서와 4개의 열전대를 설치하였다.
- 위 실험 결과를 토대로 DMD 기법을 적용하여 유해주파수 및 연소불안정성을 평가하였다. 연소불안정성을 평가하기 위해 감쇠계수를 도출하였다.
- 또한 화염전달함수를 도출하기 위해, 연소실의 OH 자발광 섭동 정보를 추출 하였다. 이 섭동 정보를 이용하여 화염전달함수를 도출하였고, 가진 주파수에 따른 연소불안정성을 평가하였다.
- 음의 값을 갖는 감쇠계수는 공진모드가 진폭을 감쇠시킴을 의미하고, 반면에 양의 값을 갖는 감쇠계수는 공진 모드가 진폭을 증가시키며, 이것을 연소불안정이라고 간주할 수 있다. 이렇게 정립된 기법을 기반으로 다양한 해석 결과에 대한 음향학적 모드 및 주파수,그리고 연소불안정성을 평가할 수 있다. 또한 비교적 쉽게 주파수에 대응하는 섭동값을 추출할 수 있으므로, 이 기법을 이용하여 본 연구에 적용, 연료 조성에 따른 연소불안정성을 평가하였고, 화염전달함수(FTF)를 도출하기 위한 섭동 데이터를 추출하였다.
- 단, 앞에서와 달리 분모에서의 주파수는 100 Hz이나 분자에서의 주파수는 각 공진주파수가 된다. 즉, 100 Hz의 속도 섭동 가진에 의해 유발되는 공진주파수로 섭동하는 열방출율 구하여 그 열방출율과 속도섭동의 비를 구한 것이다.
- 측정된 불안정 주파수의 유효성을 검증하기 위해 반복실험을 수행하였다. 각 실험조건 별로 11~13번의 반복실험을 수행하여 불안정 주파수를 결정하였다.
- 연소실의 음향학적 특성을 확인하기 위해 후단에 이동 가능한 플러그 노즐을 장착하였으며, 연소실 길이를 1110 mm~1410 mm까지 변경 가능하도록 설계하였다. 화염 가시화를 위하여 석영유리관(quartztube)을 설치하였고, 압력 및 온도 계측을 위한 11개의 압력센서와 4개의 열전대를 설치하였다.
- 화염전달함수(FTF)를 도출하는 과정에서 DMD 기법을 이용하여 이득과 위상을 도출하였다. 분석 결과 100 Hz에서 이득 값이 가장 높게 나타났다.
대상 데이터
- 그 다음, 연소 응답 특성 중 하나인 화염전달함수를 도출하기 위해 OH-PLIF 이미지를 획득하여 열방출율을 측정하였다. 이를 위해 Nd-YAG laser(Continuum, Surelite-I), dye laser(Continuum, ND-6000), ICCD camera(Princeton Instruments, PI-MAX2) 등이 사용되었다. 이미지는 12,500 fps 및 512X256의 해상도로 촬영되었다.
- 이를 위해 Nd-YAG laser(Continuum, Surelite-I), dye laser(Continuum, ND-6000), ICCD camera(Princeton Instruments, PI-MAX2) 등이 사용되었다. 이미지는 12,500 fps 및 512X256의 해상도로 촬영되었다.
데이터처리
- 위 실험 결과를 토대로 DMD 기법을 적용하여 유해주파수 및 연소불안정성을 평가하였다. 연소불안정성을 평가하기 위해 감쇠계수를 도출하였다. 각 실험 조건에 대한 감쇠계수를 Fig.
이론/모형
- 가스터빈 연소기의 연소불안정성을 평가하기 위해 DMD 기법을 적용하였다. 각 연료조성에 따른 모드 주파수 결과를 FFT 결과와 비교분석 하였고, 각 실험조건에서 불안정성이 가장 많이 나타난 1000 Hz 대역에서의 차이는 약 6%로 나타났다.
- 본 연구에서는 Dynamic mode decomposition(DMD) 기법을 이용하여 연소불안정성을 평가하였다. 다양한 연료 조성에 따른 연소 실험 결과를 바탕으로, 기존의 FFT 해석 결과와 비교 검토하여 해석의 신뢰성을 확보하였다.
- 본 연구에서는 dynamic mode decomposition(DMD) 기법을 이용하여 OH-PLIF 기법으로 촬영한 OH의 radical intensity 이미지를 열방출 섭동값인 q’으로 추출하였다.
- 연소 불안정성을 평가하기 위해 가스터빈의 열음향 해석을 위하여 화염전달함수(Flame transfer function, FTF)를 적용하였다. 화염전달 함수는 연소실 내부의 속도섭동으로 인해 발생하는 열방출섭동의 동적 특성을 주파수 영역에서 표현한 방법이다[3,6].
- 열발생율의 섭동항을 정의하기 위한 방법으로, 가장 많이 사용되고 있는 n-τ 모델을 이용하여 화염전달함수를 아래와 같이 표현하였다.
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