In response to energy system decarbonization, a small-scale multitube nozzle architecture capable of operating on high-hydrogen carbon-neutral fuels is expected to be widely used for Dry Low Emissions (DLE) gas turbine combustion systems. In this study, self-excited combustion instabilities in a mesoscale multinozzle array (6.5 mm i.d.) have been experimentally investigated in a lean-premixed tunable combustor operating with preheated methane and air. Sixty identical swirl injectors are divided into two groups - outer and inner stages - to form radially stratified reactant stoichiometry for the control of self-excited instabilities. Several measurement techniques, including dynamic pressure, global heat release rate, acoustic velocity, and emission gas sampling, are used to investigate the influence of radial fuel staging on self-excited instabilities and thermal NO$_X$/CO formation. In addition, CH* chemiluminescence imaging and OH Planar Laser-Induced Fluorescence (OH PLIF) are obtained to describe the global/local flame structures and dynamics of mesoscale multinozzle flames subjected to asymmetric fuel split condition.
The presence of radial fuel staging has a remarkable influence on the development of self-excited instabilities such as bifurcation patterns, limit cycle frequencies, and amplitude of pressure and heat release rate oscillations. In sixty mesoscale methane/air flames, strong self-excited oscillations occur under even split and outer enrichment conditions. Whereas inner fuel staging effectively mitigates high-amplitude oscillations, the production of thermal NO$_X$ and CO tends to increase relative to outer enrichment cases. It is caused by the presence of a high-temperature region in the center flames, which is generated by the combined effects of richer fuel streams and thermal insulation on the inner stage. By contrast, the flame temperature of outer fuel staging is presumed to be uniformly distributed, and pollutant emissions are therefore reduced. The results show that the optimization between instability amplitudes and emissions output should be carefully considered when fuel staging strategy is introduced in practical gas turbine engines.
CH* chemiluminescence images reveal that overall flame dynamics are strikingly different depending on the fuel split condition. Under even split and outer enrichment cases, large-scale flame surface deformations are induced by vigorous detachment/attachment movements, consistent with the aforementioned measurements of self-excited instabilities. The use of the inner fuel staging method was found, however, to limit the growth of large-amplitude heat release rate fluctuations since the center flames are securely anchored during the whole period of oscillation. OH PLIF measurements reveal that individual flames take on a turbulent jet-like flame structure, and their interactions strongly depend on the direction of radial fuel staging. The leaner streams merge into a single jet structure, whereas the richer reactant jets penetrate far downstream without noticeable interactions between adjacent flame fronts. The fuel staging-induced local flame structure eventually changes the collective motion of sixty flames, which plays a major role in the development of limit cycle oscillations. The present study suggests that the distribution pattern of the nozzle array, in combination with the radial fuel staging scheme, is the key to the control of the instabilities.
에너지 산업의 탈탄소화를 위한 노력으로, 높은 수소 분율에서도 운용이 가능한 다수의 소형 노즐 설계는 저공해 연소 시스템에 널리 채택되고 있다. 본 학위논문에서는 내경 6.5 mm의 메조스케일 다중 노즐 배열에서 희박 예혼합 메탄 화염의 연소 불안정 현상을 실험적으로 고찰하였다. 불안정 거동을 제어하기 위해 총 60개의 스월 노즐을 두 개 영역(외부와 내부)으로 분리했으며, 각 영역에서 메탄/공기 혼합물의 유량을 독립적으로 조절할 수 있도록 설계하였다. 동압 섭동, 열 방출률 섭동, 속도 섭동 및 배기가스 계측을 통해 반경방향 스테이징에 따른 자발 불안정의 발생과 NO$_X$/CO 배출 특성을 기술하였다. 또한, CH* 자발광 이미지와 OH 레이저 유도 형광법(OH PLIF)을 이용하여 메조스케일 다중 노즐 화염의 구조와 거동을 거시적/국부적으로 관찰하였다.
반경방향 스테이징은 시스템의 분기 패턴, 불안정 주파수, 압력 및 열 방출률 섭동의 진폭을 변화시키며 연소 불안정의 발생에 큰 영향을 미쳤다. 일반적으로 당량비 대칭 혹은 외부 당량비가 높은 조건에서 메조스케일 화염의 강한 불안정성이 나타났다. 내부 당량비가 높은 경우 고 진폭의 불안정 모드는 효과적으로 억제되는 반면, 열적 NO$_X$와 CO의 배출량은 이전 조건보다 증가하였다. 이는 내부에 비교적 과잉 연료가 공급됨과 동시에 외부로부터 단열 효과를 겪으면서 화염 중앙에 국부적 고온부를 형성하며 발생한 결과이다. 이에 반해 외부 당량비가 높은 경우, 화염은 비교적 균일한 온도분포를 나타내어 배기배출량이 감소된 것으로 사료된다. 이 결과는 실제 가스터빈 연소기에 반경방향 스테이징 기법이 적용될 때, 연소 불안정의 발생과 배기가스 생성 사이에서 적절한 운전 조건이 고려되어야 함을 의미한다.
CH* 자발광 이미지는 당량비 조합에 따라 전체 화염이 완전히 다른 움직임을 나타내는 것을 관찰하였다. 당량비 대칭 혹은 외부 당량비가 높은 경우, 화염은 유동 방향으로 분리와 부착을 반복하며 광범위한 화염 면의 변화를 발생시켰으며, 이는 앞서 계측한 자발 불안정 결과와 일치한다. 반면에 내부 당량비가 높은 경우, 화염 중앙부가 진동 주기 동안 안정적으로 고정되어 있어 열 방출률 섭동이 고 진폭으로 성장하는 것을 제한하였다. OH PLIF 이미지는 개별 화염 구조가 난류 제트 화염과 유사하며, 화염 간의 상호작용이 스테이징 방향에 따라 변화하는 것을 관측하였다. 비교적 낮은 당량비의 두 노즐은 화염면이 병합되며 단일 제트 구조를 형성하였고, 비교적 높은 당량비의 두 노즐은 반응물이 하류로 깊게 침투하며 인접 화염 간의 상호작용은 거의 나타나지 않았다. 당량비 조건에 따라 달라지는 국소 화염 구조는 결과적으로 전체 화염의 동적 거동을 변화시켰는데, 이는 메조스케일 다중 노즐 배열에서 연소 불안정의 발생에 지배적으로 작용하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 반경방향 스테이징 기법과 함께 다중 노즐의 분포 패턴이 연소 불안정성을 제어할 수 있는 핵심 요소임을 밝혔다.
