As the severity of the climate crisis resulting from global warming becomes increasingly evident, carbon neutrality has become a top global priority, significantly impacting not only international environmental regulations but also energy industry policies. Achieving carbon neutrality requires the decarbonization of energy sources in the power sector, as well as ensuring grid stability while accommodating a growing demand for electricity. In this context, low-carbon and carbon-free gas turbine power generation is expected to play a key role; however, the transition to next-generation carbon-free fuels (such as hydrogen and ammonia) must be preceded by innovations in combustion technology. This dissertation conducts a detailed analysis of gas turbine combustion phenomena using hydrogen, ammonia, and methane as fuels and also addresses the technical challenges encountered during the development of low-carbon and carbon-free gas turbine combustion systems. To mitigate flashback risk during hydrogen combustion, a combustor nozzle featuring sixty small-scale injectors with an inner diameter of 6.5 mm was employed and this setup was uniformly utilized for all experimental research to exclude the impact of nozzle geometry variations. To gain a comprehensive understanding of the combustion characteristics of these alternative fuels, experimental measurements and analyses were conducted utilizing dynamic pressure signals, OH*/CH*/NH2*/NH* chemiluminescence, OH planar laser-induced fluorescence (OH PLIF), and concentrations of NOx, CO, NH3, H2, O2 in the exhaust gases.
The fuel flexibility of gas turbine combustion systems plays a crucial role in enhancing the grid stability, particularly when integrated with renewable energy sources. However, variations in fuel composition give rise to several technical issues; thus, it is imperative to closely examine the combustion characteristics associated with the alternative fuels and to incorporate this understanding into the design of the combustion system. Based on this research background, the first study aims to investigate the combustion dynamics and emissions characteristics of lean-premixed clustered flames under different fuel composition conditions. Methane, propane, and hydrogen were used as fuels to encompass a broad spectrum of thermodynamic, transport, and combustion properties. The experimental results revealed that while the nitrogen oxide emissions are almost unaffected by the fuel composition due to the constant adiabatic flame temperature, the variation of fuel composition has a significant impact on self-excited instabilities, which tend toward higher frequency oscillations with increasing hydrogen concentration. From phase-resolved OH PLIF measurements for a 50/50 mixture of CH4 and H2, we identify the creation, evolution, and annihilation of an array of coherent vortical structures as the mechanism responsible for sound generation and flame surface modulations without strong interactions between adjacent flames. In contrast, the behavior of 50% C3H8 + 50% H2 case is primarily influenced by the periodic merging and separation of neighboring reactant jets, resulting in large-scale asymmetric oscillations in the transverse direction. Given the substantial change in transport properties, effective Lewis number-related interpretation provides a reasonable explanation for the different behaviors of a cluster of small-scale flames.
In order to achieve a reduction of over 50% in carbon emissions compared to pure methane, the fuel-flexible combustion system must operate with a hydrogen mole fraction of at least 80%. However, such operating conditions can induce technical issues related to high-frequency and high-amplitude combustion instabilities, which can negatively affect the overall engine system. Therefore, additional research and technical advancements are necessary to address these challenges. In line with these efforts, the second study experimentally investigated the effects of radial fuel staging on the combustion dynamics of clustered lean-premixed hydrogen/methane flames. Also, this study carefully examined the effects of flame asymmetry induced by staging on the emissions of nitrogen oxides and carbon monoxide. In conjunction with phase-averaged OH*/CH* chemiluminescence and OH PLIF flame imaging, we carried out extensive measurements over the full range of 0 to 100% H2/CH4 fuel staging conditions, including even/uneven blends of H2/CH4 fuels between inner and outer nozzle groups, partial/complete fuel split cases, and pure H2 or CH4 fuel for all constituent flames, under a constant thermal power condition of 78 kW. Our measurements demonstrated that whereas carbon monoxide concentrations are largely unaffected by the radial fuel staging conditions except under high and pure hydrogen percentage conditions, there exists a strong correlation between total nitrogen oxides emissions and overall adiabatic flame temperature. Integrated analyses of iso-contour instability maps revealed that a discontinuous mode transition takes place, where the intermediate-amplitude lower frequency oscillations associated with relatively low hydrogen concentration conditions give way to stronger, higher frequency instabilities under high hydrogen content conditions. While even-blend (non-staging) conditions are characterized by coherent oscillations of the constituent flames, the responses of clustered flames to radial fuel staging conditions are eccentric and complex, manifested as large-scale asynchronous modulations between inner- and outer-stage heterogeneous reaction zones. This observation suggests that in a multi-element injector environment spatiotemporal incoherence driven by inhomogeneous heat release can be used to neutralize self-excited pressure oscillations, by disrupting pressure-heat release coupling processes.
The large-scale direct utilization of two carbon-free fuels, ammonia and hydrogen, is currently attracting significant interest in the context of the development of new gas turbine combustion technologies, with paying close attention to the reduction of nitrogen oxides and unburned ammonia emissions. Motivated by recent observations that rich-premixed conditions tend to mitigate excessive NOx emissions from ammonia combustion, and that uniformly blended ammonia-hydrogen fuel/air mixtures tend to increase NOx production exponentially, here we propose a hybrid configuration of hydrogen-doped rich-premixed ammonia-air flames (inner stage) and lean-premixed pure hydrogen-air flames (outer stage) in a radially stratified primary reaction zone. This fuel staging scheme offers a possible mechanism for chemical kinetics-controlled NOx abatement and asymmetry-induced thermoacoustic instability suppression. The relevance and feasibility of the unconventional premixing approach are rigorously evaluated based on detailed measurements of exhaust gas concentrations and self-excited pressure fluctuations, in conjunction with OH*/NH2*/NH* chemiluminescence and OH PLIF imaging measurements. We observed that drastically different non-homogeneous reaction regions can be stably established in a comparatively compact combustion volume without producing negative flame stabilization effects – such as blowoff of less reactive ammonia flames and flashback of more reactive hydrogen flames. As compared with the uniform-blend baseline condition, the hybrid staging method is shown to significantly mitigate total nitrogen oxides emissions, from 7764 to 310 ppmvd (96% reduction), and achieving an approximately two-fold reduction in dynamic pressure amplitude. Interestingly, hydrogen-enriched rich-premixed ammonia flames are revealed to exhibit anomalous oscillatory states originating from the preferential diffusion of hydrogen molecules and reaction rate-dependent separation of reactive layers, enabling interacting non-homogeneous reaction zones with markedly different characteristic time scales to resist the growth of intense pressure perturbations.
지구온난화로 인한 기후위기의 심각성이 부각됨에 따라, 탄소중립이 범세계적인 패러다임으로 자리 잡으며 글로벌 환경 규제뿐만 아니라 에너지 산업 정책에도 중대한 영향을 미치고 있다. 탄소중립을 달성하기 위해 발전 부문의 에너지원 탈탄소화는 필수 과제이며, 전력수요 증가에 대응하면서 전력계통의 안정성을 확보하는 노력도 필요하다. 이러한 상황 속에서 저탄소/무탄소 가스터빈 발전이 핵심적인 역할을 할 것으로 전망되지만, 차세대 무탄소 연료(수소, 암모니아 등)로의 전환은 연소기술의 혁신이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 수소/암모니아/메탄 기반의 가스터빈 연소 현상을 면밀하게 분석하고, 저탄소/무탄소 가스터빈 연소시스템 개발 과정에서 직면하는 기술적 난제에 대한 해결 방안을 제시하기도 하였다. 참고로, 수소 전소 시 역화 발생을 미연에 방지하기 위해 소형 인젝터 60개로 구성된 가스터빈 연소시험 설비를 활용하였고, 이를 모든 실험적 연구에 동일하게 이용함으로써 노즐의 기하학적 구조 변화에 기인하는 영향을 배제하였다. 수소/암모니아/메탄 단일/혼합연료의 연소특성을 다각도에서 폭넓게 이해하기 위해 동압 신호, OH*/CH*/NH2*/NH* 자발광, OH 평면 레이저 유도 형광 (OH PLIF), 그리고 배기가스 내 NOx/CO/NH3/H2/O2 농도 등을 계측하여 분석에 활용하였다.
가스터빈 연소시스템의 연료다변화는 신재생에너지의 간헐성에 의한 불안정한 전력공급 문제를 해소할 수 있는 방안이다. 그러나 연료조성의 변화는 다양한 기술적 난제를 초래할 수 있으므로, 목표로 하는 연료조성 조건에 대한 연소특성을 면밀하게 파악하고 이를 연소시스템 설계에 반영하는 것이 중요하다. 이러한 연구 배경을 바탕으로, 첫 번째 연구에서는 희박-예혼합 군집화염의 연료다변화 특성을 연소진동과 주요 배기물질 배출 관점에서 심도 있게 분석하고자 하였다. 이를 위해 열역학적 성질과 연소특성이 상이한 메탄, 프로판, 수소를 연료로 사용하였으며, 수소/메탄/프로판 연료의 혼소 및 전소를 포함하는 광범위한 실험 조건에서 연구를 수행하였다. 실험 조건은 총 15개로 구성되고, 연료 조성비는 체적 기준으로 25% 간격으로 변한다. 실험 결과, 15% 산소 농도 기준으로 보정된 질소산화물 배출량은 모든 실험 조건에서 2 ppmvd 이하로 계측되었으며, 이는 동일 단열화염온도 조건에서는 연료조성의 변화가 질소산화물 생성에 미치는 영향이 미미함을 시사한다. 반면, 일산화탄소 농도는 메탄/프로판 조건에서 18 ppmvd로 비교적 높게 계측되었으나, 수소 몰분율이 증가함에 따라 급격히 감소하는 경향을 보였다. 연소진동 특성의 경우, 메탄/프로판 조건에서 길이방향 1차 음향모드에 해당하는 200 Hz대의 저주파 연소진동이 발생하며, 수소/메탄 및 수소/프로판 연료 조합에서는 길이방향 3-5차 음향모드가 여기되어 고주파의 압력섭동이 발생하는 특징을 보였다. 이는 혼합연료 내 수소 함량이 증가할수록 희박-예혼합 군집화염이 고주파 연소진동에 매우 취약해진다는 것을 의미한다. 또한 위상동기화 이미지 분석을 통해, 수소/메탄 혼소 조건에서 와류구조와 화염 간 상호작용이 전체 군집화염의 거동을 지배하는 반면, 수소/프로판 화염은 인접 화염 간 주기적인 병합과 분리에 의해 그 동적 특성이 결정됨을 실험적으로 규명하였다.
연료다변화 연소시스템에서 메탄 전소 대비 탄소 배출량을 절반 이상 줄이기 위해서는 최소 80% 이상의 수소 혼소율 적용이 필수적이다. 하지만 높은 수소 혼소율은 고주파 및 고진폭 연소진동 문제를 유발하여 엔진시스템 전반에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로, 이를 극복하기 위한 연구와 관련 기술 개발이 선행되어야 한다. 이와 같은 연구 배경으로, 두 번째 연구에서는 수소/메탄 혼소 조건에서 반경방향 다단연소가 희박-예혼합 군집화염의 연소진동 특성에 미치는 영향을 실험적으로 파악하였고, 다단연소로 인한 군집화염의 비대칭성이 질소산화물 및 일산화탄소 배출량에 미치는 영향도 면밀히 살펴보았다. 총 25개의 독립적인 실험 조건을 설정하였고, 모든 조건에서 연소진동, 질소산화물/일산화탄소 배출량, 화염구조에 관한 계측을 진행하여 방대한 실험 데이터를 확보하였다. 분석 결과, 시스템 내부로 공급되는 혼합연료의 수소 몰분율이 높아질수록 압력섭동의 진폭과 주파수가 비선형적으로 증가함이 확인되었고, 특히 군집화염의 비대칭 정도와 관계없이 50%의 수소 혼소율을 기점으로 시스템의 동적 특성이 비교적 낮은 진폭의 저주파 음향모드에서 고진폭의 고주파 모드로 천이하는 현상이 관찰되었다. 더 나아가, 내부와 외부 유로로 서로 다른 연료가 공급되는 경우, 두 영역에 형성된 예혼합 화염들 간의 상당한 반응성 차이로 전체 가스터빈 연소시스템에서 발생하는 음향장의 비동기화가 가능함을 실험적으로 증명하였다. 이는 군집화염의 비동기화로 인한 열 방출율 섭동의 위상 상쇄를 통해 연소진동 저감이 가능함을 시사한다. 질소산화물 농도는 다단연소의 방향성과 강도와 무관하게 전체 단열화염온도에 비례하여 증가하는 반면, 일산화탄소 배출량의 경우 극도로 높은 수소 혼소율 조건을 제외하고는 다단연소에 대한 민감도가 비교적 낮음을 확인하였다.
발전 부문에서 암모니아의 활용가치는 지속적으로 증가하고 있다. 암모니아는 저장성이 우수하여 수소 캐리어나 에너지 매개체로 활용될 수 있으며, 탄소를 포함하지 않는 가연성 물질이기에 무탄소 연료로도 이용 가능하다. 그러나 암모니아를 청정 에너지원으로 활용하기 위해서는 다양한 기술적 난제를 극복해야 한다. 특히, 암모니아의 현저히 낮은 반응성은 희박 날림과 같은 화염 안정성 문제를 유발하며, 암모니아 분자 내 질소 원자가 포함되어 있어 연소 시 다량의 질소산화물이 생성된다. 상술한 문제를 해결하기 위해서는 암모니아 연소에 적합한 새로운 연소기술 개발이 필수적이다. 이러한 연구 배경으로, 마지막 연구에서는 수소 혼소와 반경방향 다단연소를 결합한 새로운 연소기술을 개발하고 이를 가스터빈 연소시스템에 적용하여 암모니아 연소에서 발생하는 기술적 문제를 근본적으로 해결하고자 하였다. 이 기법은 수소/암모니아 혼소에 적용 가능한 반경방향 다단연소 기법으로, 동일 평면 내에서 과농-예혼합 암모니아 화염과 희박-예혼합 수소 화염이 공존하는 것이 특징이다. 극한의 질소산화물 배출 조건에서 해당 기법의 효과를 살펴보기 위해 암모니아 몰분율을 30%로 고정하고, 실제 발전용 가스터빈 연소기와 유사한 온도 환경을 형성시키기 위해 단열화염온도는 1800 K으로 유지하였다. 반응성이 현저하게 낮은 암모니아를 수소 기반 연소시스템에 곧바로 적용하였음에도 불구하고, 암모니아 화염은 주변 수소 화염의 존재로 인하여 덤프면에 안정적으로 부착 및 유지될 뿐 아니라 비교적 좁은 반응 영역 내에 형성되는 것을 관찰하였다. 배기가스 내 질소산화물의 농도는 7764에서 310 ppmvd로 감소하여 기준 조건 대비 96%의 감소율을 보였으며, 이와 동시에 연소진동의 강도는 반경방향 다단연소로 인한 대칭성 붕괴로 인해 약 절반 수준으로 감소함을 실험적으로 입증하였다. 특히, 내부 영역에 형성된 과농-예혼합 암모니아 화염에서 발생하는 미연소 암모니아와 새롭게 생성되는 상당한 양의 수소는 외부 영역의 과잉 공기와 반응하여 소모되는데, 이는 높은 연소효율을 확보할 수 있음을 의미한다. 추가적으로 화염의 거동을 분석한 결과, 소량의 수소가 첨가된 과농-예혼합 암모니아 화염은 수소 분자의 선호확산과 연료 간 반응속도 차이에 따른 반응층 분리로 인하여 변칙적인 거동을 보이는 것으로 나타났다. 이는 시간 스케일이 다른 반응 영역 간 상호작용을 통해 강한 압력 섭동을 제어할 수 있음을 시사한다.
