Strong acoustic interactions between adjacent gas turbine combustors were experimentally investigated. Two identical model gas turbine combustors were connected via cross-talk area located at downstream, and we showed the combustion dynamics in response to different in equivalence ratios between two combustors including symmetric and asymmetric conditions. Our results demonstrate that the dynamics of the multiple combustors are manifested by a push-push, a push-pull, and a bimodal mode due to can-to-can interactions. The push-push mode induces a pressure anti-node in the cross-talk area, due to in-phase interactions. By contrast, the push-pull mode is manifested by out-of-phase interactions, leading to the formation of a pressure node in the cross-talk area. Especially, when a push-pull mode is excited in the system, the L2 and L3 modes become dominant in the cross-talk area, while the amplitude of L1 mode is decreased. Under marginally asymmetric conditions, the system features bimodal tones with a strong beating oscillation, which results from a combination of push-push and push-pull modes. Mode pairing process of two closely-spaced frequencies are revealed from the results of acoustic network modeling. The mode selection process between adjacent combustors is not directly determined by the local flame dynamics. In order to identify the state of system induced by instability modes with different nature, we performed the nonlinear time series analysis. In case of push-pull mode, a Period-3 attractor appears in the cross-talk area. By contrast, when a push-push mode is excited in the system, a Period-1 attractor occurs with a single frequency. The phase difference between several signals are locked, as a push-push or push-pull mode appears in the system. Under the bimodal oscillations, however, the $PLV$ is greatly decreased. The location of cross-talk area affects the dominant instability mode, but the instability frequency is clustered around 300 Hz. This implies that the instability frequencies are selectively amplified by the flame dynamics localized in each flame front zone.
본 연구에서는 인접 가스터빈 연소기 간의 강한 음향학적 상호작용을 실험적으로 연구하였다. 형상이 동일한 두 개의 연소기를 하류에 존재하는 크로스톡 영역으로 연결하고, 독립적으로 유량을 조절하여 대칭 및 비대칭 당량비 조건에서 시스템의 연소 동역학을 확인하였다. 연소기-연소기 간 음향 상호작용으로 인해 푸시-푸시, 푸시-풀 그리고 두 가지 모드가 공존하는 바이모달 모드가 나타남을 보였다. 푸시-푸시 모드는 인접 연소기 간의 동 위상 상호작용으로 인해 발생하는 불안정 모드로, 크로스톡 영역에 압력 안티 노드를 야기하였다. 이와는 반대로, 역 위상 상호작용이 존재하는 푸시-풀 모드에서는 크로스톡 영역에 압력 노드 점이 발생되었다. 특히 시스템이 푸시-풀 모드로 진동할 경우, 크로스톡 영역에서는 L2 및 L3모드가 더욱 지배적임에 따라 L1모드의 진폭 강도가 매우 감소함을 확인하였다. 두 연소기의 당량비에 약간의 비대칭성이 존재할 때, 주파수가 비슷한 두 가지 모드가 시스템에 동시에 나타나 강한 맥놀이 진동이 발생하였다. 인접한 두 주파수가 짝을 이루어 나타나는 점은 음향 네트워크 모델링의 결과에서도 확인할 수 있었다. 다양한 당량비 조합에 대해 실험을 진행하여, 국소 정보인 화염 동역학이 두 연소기의 불안정 모드 선택에 직접적인 영향을 주지 않음을 확인하였다. 본질이 서로 다른 불안정 모드로 인해 발생되는 시스템 동역학적 상태 변화를 파악하기 위해 비선형 시계열 분석을 진행하였다. 푸시-풀 모드의 경우, 크로스톡에서 Period-3의 어트랙터가 나타났다. 하지만 푸시-푸시 모드가 시스템 내에 발생할 때, 단일 주파수에서 진동하는 Period-1 어트랙터가 발생하였다. 시스템에 푸시-푸시 혹은 푸시-풀 모드가 존재할 때에, 주요 신호 간의 위상 차가 고정되어 인접 연소기가 동기화 되는 모습을 보였으나, 두 모드가 동시에 존재할 경우 $PLV$의 평균 값이 매우 낮아졌다. 크로스톡 위치에 따라 지배적인 모드가 달랐지만 불안정 주파수는 300 Hz 부근으로 고정되었다. 이는 불안정 주파수가 화염면의 국소 정보인 화염 동역학에 의해 선택적으로 증폭되었음을 의미한다.
