Low-frequency combustion dynamics of a liquid-fueled pilot diffusion flame in an aero-engine combustor were experimentally investigated. Extensive measurements were conducted to determine the key controlling parameters of low-frequency combustion instabilities of a prefilming airblast injector. Pilot equivalence ratio, combustor length, and inlet plenum length were varied, and their effects on the combustion instabilities were analyzed. Combustor length was changed between 1000 mm and 2500 mm to study the effect of combustor length change on instability frequency in the combustor system. Also, pilot equivalence ratio was varied between 2.5 and 7.0. This range is identical to a global equivalence ratio of 0.375~1.05. Inlet plenum length was varied between 250 and 450 mm. Our results reveal that multiple modes can be excited in 45~292 Hz, including the Helmholtz and the longitudinal mode. It has confirmed that Helmholtz mode was strongly coupled in the shortest combustor length and $2^{nd}$ longitudinal mode was strongly coupled in long combustor lengths. Also, mode shapes were calculated by using low-order acoustic network modeling. Predictions from modeling are in good agreement with the measurements. The inlet plenum has little effect on instability frequency of the $2^{nd}$ longitudinal mode because the plenum and the combustion chamber is acoustically decoupled, due to a large pressure drop across the nozzle. Furthermore, the system was unstable for pilot equivalence ratio below 6.0 despite the violation of the Rayleigh criterion.
본 연구에서는 항공용 가스터빈 엔진 연소기에서 나타나는 파일롯 확산 화염의 저주파 연소불안정 현상을 정량적으로 계측하였다. 공기충돌형 노즐이 갖는 저주파 연소불안정의 특성을 확인하기 위해서 연소기 길이 변화, 파일롯 당량비, 입구 플레넘 길이 등을 변화시키는 광범위한 실험을 진행하였다. 연소기 길이는 1000 mm에서 2500 mm까지 변화되었고, 파일롯 당량비는 2.5(전체 당량비 0.38)에서 7.0(전체 당량비 1.1)까지 변화되었으며, 입구 플레넘 길이는 250 mm에서 450 mm로 조절되었다. 화염의 열 방출율과 연소기 길이방향으로 압력섭동이 측정되었다. 연구 결과, 45~292 Hz 주파수 범위에서 연소불안정이 발생하였으며 길이방향 모드, 헬름홀츠 모드, 중첩 모드에 해당하는 것으로 밝혀졌다. 짧은 연소기 길이에서는 헬름홀츠 모드와, 긴 연소기 길이에서는 길이방향 2차 모드와 강력하게 결합하는 것을 확인하였다. 실험으로 계측된 모드형상은 음향네트워크 모델링의 결과와 일치하였다. 길이방향 2차 모드에서는 노즐에서의 강한 압력강하로 인해, 입구 플레넘과 연소기가 음향학적으로 분리되었다. 때문에 입구 플레넘이 변하여도 불안정 주파수는 변하지 않았다. 또한. 파일롯 당량비 6.0(전체 당량비 0.73) 이하일 때 열 방출율과 압력섭동이 동위상의 조건을 만족시키지 않아도 무시할 수 없는 압력섭동을 가질 수 있음을 보였다.
