The prediction of self-excited combustion instabilities in a can-annular gas turbine combustion system is a significant challenge, mainly because the instabilities originate from the acoustic interactions between adjacent combustors via a cross-talk region upstream of the first stage turbine nozzles. Detailed characterization of these instabilities requires a thorough understanding of engine-level dynamics. Until now, a comprehensive experimental examination of such a can-annular configuration had not been conducted. Here we present new experiments using four lean fully-premixed swirl-stabilized combustors connected via a full-annular cross-talk section. We demonstrate that the global fluctuations at limit cycles are either in-phase interactions (push-push modes) or one of two different forms of out-of-phase interactions (push-pull modes), subject to even and alternating equivalence ratio combinations. Under certain even conditions, the can-annular system undergoes in-phase synchronous modulations (Type I), giving rise to the formation of pressure antinodes at the inlets of the four combustors and in the cross-talk region. By contrast, out-of-phase interactions are sustained in the form of either an alternating pattern in four-coupled combustors (Type II) or a push-pull interaction in two opposite combustors only (Type III). The latter is dictated by strong out-of-phase fluctuations between two of the combustors and a pressure node-like condition – thermoacoustically decoupled from the global fluctuations – over the entire region of the other two combustors, experimentally demonstrating the existence of mode localization in can-annular thermoacoustic instabilities. We show that the mode clustering phenomenon is responsible for the excitation of closely-spaced multiple eigenmodes in the can-annular acoustic environment, and as a consequence the system can feature a mixed state with several distinct types of interaction patterns. By analyzing a large amount of experimental data acquired systematically for coupled two-combustor and four-can-annular configurations, we demonstrate that longitudinal-mode instabilities in a can-annular combustion system will preferentially emerge in the form of out-of-phase interactions.
The impact of rotational asymmetry on can-annular modal dynamics is still a largely open subject; here we use the same experimental setup to perform multiple independent analyses of the effect of broken rotational symmetry on large-scale pattern formations and modal dynamics of multiple eigenmodes. We demonstrate that the presence of rotational asymmetry can lead to fundamentally different dynamic states, including pairwise push-pull modes, spinning azimuthal instabilities, superposition modes, and strong mode localization, which are totally absent under rotationally symmetric conditions. Of particular importance is the experimental observation of spinning azimuthal instabilities in the annular cross-talk section, which are acoustically separate from flame-dynamics-driven standing wave motion in the flame tube sections. This leads to the coexistence of traveling and standing waves in the can-annular system. In conjunction with FEM-based Helmholtz simulations, we determine the origin of the azimuthal modes to be the simultaneous excitation of two different pairwise push-pull interaction modes at the same frequency – a phenomenon known as degenerate eigenmodes.
Previous experimental and numerical studies have focused on identifying the formation of large-scale interaction patterns and the modal dynamics of multiple eigenmodes. Since those investigations were primarily concerned with low-frequency interactions between adjacent combustors, there are currently no experimental observations that enable decisive discrimination between low- and high-frequency can-annular combustion instabilities. Here, we use pure hydrogen-air flame ensembles to trigger higher acoustic modes in four-coupled lean-premixed combustors, ultimately to understand the potential influence of self-excited instabilities on the spatiotemporal evolution of a can-annular system. The use of lean-premixed hydrogen-air flames enables measurements of previously unidentified phenomena, particularly in association with the excitation of high acoustic modes up to approximately 1.3 kHz. We demonstrate that self-excited standing azimuthal modes can be excited in the annular cross-talk section, particularly when the phase dynamics of the upstream flame tube sections are defined by alternating anti-phase oscillations (Type II). In this case, the temporal evolution of the can-annular system is governed by twofold degeneracy, incorporating an alternating push-pull mode in the longitudinal direction and a standing azimuthal mode in the circumferential direction at the same frequency. Based on experimental observations and Helmholtz simulations, we also show that a mixed state of synchronization and desynchronization can arise simultaneously as a result of symmetry breaking. The coexistence of coherent and incoherent motions is observed to be controlled by interactions between two closely spaced, but slightly misaligned, localized in-phase modes; this observation demonstrates experimentally the existence of a chiral state in can-annular modal dynamics. The present results, for the first time, reveal a variety of phenomena involved in the response of a can-annular combustion system to higher frequency acoustic perturbations.
Although can-to-can acoustic interactions have a prominent role in the development of modal dynamics and pattern formations in can-annular gas turbine combustion systems, the impact of unconventional pairing caused by the spatial asymmetry of a network with an odd number of combustors remains unclear. To address this fundamental question, we compare key aspects of thermoacoustic instabilities in four-coupled (N = 4) and five-coupled (N = 5) can-annular combustor configurations for uniform and non-uniform equivalence ratios. Using integrated analyses of experimental data and FEM-based Helmholtz simulations, we show that the modal dynamics of the even-N case are described by well-defined rotationally symmetric interaction patterns. Due to the presence of an unpaired combustor, however, the eigenmodes of the odd-N can-annular system are governed by regular two-fold degeneration, making the system more vulnerable to simultaneous excitation of multiple eigenmodes. This leads to the predominance of superposition modes, and in stark contrast to the behavior of the even-N system, their phase dynamics cannot be unequivocally determined to be either in-phase or out-of-phase interactions between networked combustors. Despite the formation of remarkably different inter-combustor interactions in the two cases, however, the entire set of instability data collapses into three distinct frequency regimes, suggesting the role of flame-acoustic interactions occurring within each combustor, namely intra-combustor interactions.
캔-환형 연소기 시스템에서 발생하는 연소불안정은 터빈 1단 노즐 상류에 존재하는 크로스톡 영역을 통한 연소기 간 음향 상호작용에 의해 비롯되어 이의 동특성 예측이 상당히 어렵다. 이러한 캔-환형 열음향 불안정성을 이해하려면 엔진 수준에서 나타나는 동특성에 대한 분석이 필요하지만, 현재까지 이에 대한 실험적인 연구가 수행되지 않았다. 본 논문에서는 네 개의 희박 예혼합 스월 안정화 연소기를 완전한 환형 형상의 크로스톡 영역으로 연결하여 캔-환형 연소기 시스템에서 발생하는 모드 동특성을 집중적으로 분석하였다. 회전 대칭성을 만족하는 입구 조건에서 시스템 한계 진동의 패턴은 정위상 상호작용(Type I)으로 불안정하거나 두 가지 다른 형태의 역위상 상호작용(Type II 그리고 Type III)으로 발생했다. 네 개의 연소기가 정위상 관계에 있는 푸시-푸시 모드(Type I)는 연소기 입구와 크로스톡 영역에 압력 안티노드를 유발하며 균등한 입구 조건에서만 나타났다. 역위상 상호작용 모드는 인접한 네 개의 연소기가 역위상 관계에 있는 푸시-풀 패턴(Type II)과 네 연소기 중 건너편에 존재하는 두 연소기에서만 푸시-풀 모드로 진동하고 나머지 두 연소기는 안정한 형태(Type III)로 발생했다. 만약 시스템이 Type III의 불안정 모드로 진동하는 경우, 강한 진폭이 특정 연소기에서만 발생하는데 이를 통해 모드 국소화 현상이 캔-환형 연소기 구조에 나타날 수 있음을 규명했다. 더불어 본질이 다른 여러 고유 모드들이 인접한 주파수에서 불안정한 거동을 보이며, 모드 군집화 현상이 지배적으로 발생했다. 방대한 실험 데이터를 기반으로 단일 연소기, 이중 연소기 그리고 사중 캔-환형 연소기 구조의 동특성을 분석하여, 주로 푸시-풀 형태의 길이 방향 불안정이 다중 연소기 시스템에 야기될 수 있음을 확인하였다.
그리고 회전 비대칭성이 캔-환형 연소 시스템의 동특성에 미치는 영향을 연구하였다. 동일한 사중 연소기 실험 장비를 사용하여 회전 대칭의 붕괴가 여러 고유 모드들의 상호작용 형태와 모드 동특성에 미치는 영향을 파악하였다. 회전 비대칭성으로 인해 짝을 짓는 푸시-풀 모드(Type IV), 방위 방향 회전 모드(Type V), 중첩 모드(Type VI) 그리고 강하게 국소화된 모드(Type VII)를 포함하여 회전 대칭 조건에서 나타나지 않은 여러 불안정 모드가 캔-환형 시스템에 발생했다. 가장 중요한 부분은 방위 방향 회전 모드가 캔-환형 연소기 시스템에서 나타났다는 것인데, 이 모드는 연소기 부분에서 발생하는 정상파로 인해 야기되며 전체 시스템이 정상파 모드와 회전 모드가 공존하는 상태로 진동함을 확인하였다. 더불어 3차원 유한요소법 기반의 고유치 해석을 통해 방위 방향 회전 불안정 모드가 축퇴된 푸시-풀 모드들의 중첩으로 인해 발생됨을 규명했다.
이전의 실험 및 수치적 연구들은 저주파 영역에서 발생하는 불안정 모드의 상호작용 형태 및 동특성을 파악하는 것에 중점을 두었기에, 아직까지 고주파 음향 상호작용에 대한 분석은 이루어진 바 없다. 이에 동일한 사중 캔-환형 연소기 시스템에서 다중 수소 화염을 이용하여 이전 메탄 실험보다 더 높은 주파수 영역에서 발생하는 동특성을 파악하였다. 캔-환형 시스템은 저주파 영역에서 나타나지 않은 현상들을 동반하며 최대 1.3 kHz에 해당하는 고차 모드에서 불안정했다. 특히 인접한 네 개의 연소기가 푸시-풀 모드(Type II)로 진동할 때, 크로스톡 영역에서 정상파 방위 불안정 모드가 함께 야기됨을 보였다. 이 경우 두 모드가 같은 주파수에 존재하며 축퇴된 거동을 보였고, 이들이 동시에 불안정함에 따라 전체 시스템은 복잡한 동적 특성을 보였다. 또한 유한요소법 기반의 고유치 해석을 이용하여 회전 대칭의 붕괴로 인해 캔-환형 시스템에서 동조와 비동조 상태가 공존할 수 있음을 확인하였다. 이러한 수치 및 실험적인 연구를 통해 고주파 영역의 음향 섭동에 의한 캔-환형 연소 시스템의 다양한 동적 거동과 현상들을 규명했다.
연소기 간의 음향 상호작용이 캔-환형 가스터빈 연소기의 모드 동특성 및 패턴 형성에 중요한 인자임에도 불구하고, 구조적으로 짝이 맞지 않는 홀수 개로 이루어진 연소 시스템의 불안정성은 분석된 바 없다. 이러한 근본적인 연구를 수행하기 위해, 홀수 개로 이루어진 오중 연소기 구조를 실험하였고 이를 짝수 개로 이루어진 사중 연소기 결과와 비교하여 두 구조에서 나타나는 열음향 불안정성의 주요한 차이점을 비교하였다. 짝수 개의 캔-환형 구조에서는 회전 대칭성을 보이는 상호작용 모드로 진동하지만, 짝이 맞지 않는 연소기의 존재로 인해 홀수 개로 이루어진 구조에서는 축퇴된 고유 모드들이 동시에 야기되면서 복잡한 모드 동특성을 보였다. 이와 같은 중첩된 모드들은 전체 시스템의 위상 동역학에 큰 영향을 주어 연소기 간의 위상 관계가 정위상 혹은 역위상으로 구분되지 않았고, 다양한 운용 조건에서 지배적으로 나타나면서 짝수 개의 연소기 구조에서 나타나는 결과와 가장 큰 차이점을 보였다. 두 개의 구조에서 나타나는 자발 불안정의 동적 특성은 확연하게 달랐음에도 불구하고, 연소기 내부에서 일어나는 화염-음향 상호작용의 영향으로 인해 전체적인 불안정은 동일한 세 가지 주파수 영역에서 발생했다.
