The concept of ‘symmetry breaking’ for the control of self-excited combustion dynamics is experimentally investigated in a lean-premixed, swirl-stabilized, two-nozzle, model gas turbine combustor. The present experimental investigation considers two fundamental asymmetries that are rarely explored in tandem – non-uniform fuel split and non-symmetric mean flow field. The equivalence ratio of each nozzle is varied between 0.57 and 0.73, including even and uneven fuel split conditions, and the structure of the mean flow field is altered by means of the swirl numbers of each nozzle, either $S_1=S_2$ or $S_1\neqS_2$, representing symmetric and non-symmetric mean flow structures, respectively. The bifurcation behavior of the system is then examined, with particular emphasis on the contributions of flame-flame and nozzle-flame interactions. A non-uniform fuel split is found to have a substantial effect on the system’s stability, for both symmetric and non-symmetric mean flame structures, but the stability maps differ remarkably. In the symmetric mean flow, the instability occurs in a concentrated region of approximately $(\phi_1,\phi_2)=(0.69,0.65), with asymmetrically distributed iso-contours about the even split line. In the non-symmetric case, on the other hand, the unstable region is divided into two regions with considerably lower amplitudes. There is a limit to the asymmetry-induced stability gain, since the instability occurs over a broader region in the stability map considered in the present investigation. Analysis of the present data also reveals an unexpected result, that there is no correlation between the limit cycle amplitude and the phase difference between pressure and heat release fluctuations. Instead, the phase relation bears some resemblance to the variation of frequency with respect to global equivalence ratio. These findings highlight that the presence of multiple interacting flames, as opposed to a single axisymmetric flame, allows the cause-and-effect relationship between heat release and pressure oscillation to be clearly defined, having a marked influence on the Rayleigh term. The experimental data presented in this paper will help to resolve uncertainties associated with flame interactions in the description of self-excited instabilities.
본 연구에서는 각 노즐의 스월 수 조합과 당량비 조건이 모형 가스터빈 연소기 내부의 상호 작용하는 스월 안정화 화염에 미치는 영향을 연구하였다. $(S_1,S_2)$=(0.45,0.45)의 대칭 스월 수 조합과 $(S_1,S_2)$=(0.75,0.45)의 비대칭 스월 수 조합일 때, 불안정한 두 화염 간 상호작용이 연소불안정에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 연소기 길이와 각 노즐의 당량비를 변화시키면서 광범위한 측정이 수행되었다. 연소기 길이는 1200 mm에서 1800 mm로 변화되었고, 각 노즐의 당량비는 0.57에서 0.73 사이로 변화되며 연소기 길이와 균등/ 비균등 연료 분배 조건이 연소 불안정의 성장에 미치는 영향이 면밀히 조사되었다. 화염 1과 화염 2에서 방출되는 열 방출율 응답은 전체 반응장의 열 방출율 응답과 개별적으로 측정되었다. 연구 결과, 연소기 길이가 변화함에 따라 1400 mm 부근에서 연소불안정이 시작되었으며 1600-1700 mm 범위에서 연소기가 가장 불안정하였고 연소불안정에 있어 Rayleigh criterion은 단지 필요조건임을 확인하였다. 다음으로, 대칭 스월 수 조합의 $\phi_1$과 $\phi_2$에 대한 압력 섭동의 진폭 크기를 바탕으로 표현된 연소불안정 분포도는 $(\phi_1,\phi_2)=(0.69,0.65)에서 연소기가 가장 불안정하다는 것을 나타내었다. 하지만, 비대칭 스월 수 조합의 연소불안정 분포도에서는 가장 불안정한 조건이 $(\phi_1,\phi_2)=(0.67,0.69)와 $(\phi_1,\phi_2)=(0.69,0.61)의 두 지점으로 분기되었다. 더불어, 연료 분배 조건에 대하여 대칭, 비대칭 스월 수 조합 모두 연소불안정 주파수와 압력 섭동과 열 방출율 응답 간 위상 차가 높은 상관 관계가 있음을 확인하였다. 또한, 서로 대응하지 않은 상류 속도 섭동과 개별 화염이 서로 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이는 화염-화염 간 상호작용 때문에 발생한 결과이다.