In a can-annular gas turbine combustion system, low-frequency self-excited combustion instabilities can arise from coupled interactions between adjacent can combustors, rather than from individual combustors. These interactions—in either a push–push or a push–pull mode –are caused by the presence of a cross-talk area upstream of the first stage turbine stator vanes. The mechanisms governing the selection and growth of the interaction modes are not well understood, particularly for systems with multiple oscillators (combustors). In this research, experimental observations of mutual synchronization between two coupled-combustors, each containing a lean-premixed swirl-stabilized turbulent flame, subjected to symmetric and asymmetric inlet boundary conditions are described. Our results reveal that when two combustors oscillating at different natural frequencies are connected via a cross-talk area, they can become mutually synchronized with each other, exhibiting global oscillations at a common frequency. The presence of cross-talk communication can excite strong oscillations in the coupled dual-combustor system, even when each combustor is individually stable in isolation. By contrast, for certain asymmetric inlet boundary conditions, coupling the two combustors together stops them from oscillating completely, even though each combustor in isolation oscillates in a large-amplitude limit cycle. In nonlinear dynamics, such mode suppression is known as amplitude death and is a classical feature of coupled self-excited oscillators, with potentially wider applications for passive control of combustion instabilities. A large set of experimental data are analyzed in non-dimensional domains, and it is demonstrated that the coupled mode is not defined by the phase difference between the heat release rate oscillations of the two combustors, but rather by the phase difference between their acoustic pressure fluctuations. Mode selection is found to be strongly correlated to the degree of asymmetry in the magnitude of the flames’ heat release rate oscillations in adjacent combustors. As well as providing the first experimental evidence of amplitude death in a combustion system, this study reveals a previously unrecognized role of combustor-to-combustor interactions in provoking self-excited combustion instabilities in multiple-combustor gas turbine systems.
The influence of non-identical flame transfer functions (FTFs) between adjacent combustors on the development of self-excited thermoacoustic oscillations was investigated experimentally. To create different FTFs, five different swirl nozzles are used, one with high swirl (HS) and four with low swirl (LS), all with different porosities. It was found that, compared with the LS FTFs, the HS FTF exhibits a smaller and flatter gain as well as a smaller phase difference. This behavior is attributed to differences in the flame structure and the stabilization mechanisms, namely an inner shear layer-stabilized diverging front in the HS case versus a detached reaction zone in the presence of a central jet with an outer swirl flow in the LS cases. Using two tunable lean-premixed combustors connected via a cross-talk section, it is shown that ( i ) symmetric FTF combinations (HS + HS or LS + LS) produce in-phase interactions, leading to push-push modes, but that ( ii ) asymmetric FTF combinations (HS + LS) produce out-of-phase interactions, leading to push-pull modes. Phase-resolved visualization of the asymmetric cases reveals that the inner shear layer-stabilized HS flame exhibits large angle fluctuations, whereas the aerodynamically stabilized LS flame is characterized by the periodic emergence of a bow-shaped front and an oval structure. For all the conditions tested, asymmetry in the FTFs leads to either ( i ) a completely stable state with negligible amplitude or ( ii ) a mildly unstable state with an amplitude lower than that of the equivalent symmetric cases.
The influence of non-identical FTFs was also tested in a full-annular cross-talk environment with four combustors in a variety of nozzle arrangements consisting of two injectors (HS and LS04), i.e. (HS, HS, HS, HS), (LS, HS, HS, HS), (LS, LS, HS, HS), (LS, HS, LS, HS), (LS, LS, LS, HS), and (LS, LS, LS, LS). Self-excited dynamics of four-couple combustors exhibited instability modes with a variety of phase patterns that are governed by either in-phase interaction leading to push-push mode, or out-of-phase interaction leading to alternating/2-can/pairwise push-pull modes. In particular, the pairwise arrangement of the injectors led to the excitations of alternating and pairwise push-pull modes, while the alternating arrangement promoted the excitations of 2-can push-pull modes.
캔-애뉼러 가스터빈 연소 시스템에서는 연소기 간의 상호작용에 의해서 저주파 연소불안정이 발생할 수 있다. 터빈 1단 노즐 상류에 존재하는 크로스톡 영역을 통해 인접 연소기가 상호작용하여 연소기 간에 정위상이나 역위상 관계가 발생한다. 이러한 상호작용 모드의 증폭과 모드 선택을 지배하는 메커니즘에 대해서는 아직 정확히 밝혀진 바가 없으며, 특히 다중 연소기 시스템에서 이 현상은 더더욱 알려진 바가 없다. 본 연구에서는 크로스톡 영역으로 연결된 두 연소기의 입구 음향 경계 조건이 서로 대칭 혹은 비대칭일 때 각 연소기의 희박 예혼합 스월 안정화 난류 화염에 의한 자발불안정 거동과 두 연소기 사이에 발생하는 상호 동조 현상을 기술하였다. 서로 다른 고유주파수를 지닌 두 연소기는 크로스톡 영역을 통해 상호 동조하여 동일한 주파수로 진동하였다. 단일 연소기 운전에서 안정했던 조건에서도 크로스톡 영역을 통한 상호작용으로 인해 이중 연소기 시스템에서 강한 진동이 발생하였다. 반면에 서로 입구 경계 조건이 다르지만 각각의 단일 연소기 운전에서 매우 강한 불안정이 발생했던 연소기들이 크로스톡 영역으로 연결되었을 때 진폭이 완전히 억제되기도 하였다. 비선형 동역학 이론에서“진폭 억제”라 칭하는 이 현상은 결합이 존재하는 두 개 이상의 자려진동자들 사이에서 발생하며, 다중 연소기 시스템에서 발생할 수 있는 연소불안정의 수동 제어에 활용될 수 있다. 방대한 양의 데이터를 무차원화하여 분석한 결과에서 두 연소기 간 열방출률 섭동의 위상 차이보다는 두 연소기 간 압력 섭동의 위상 차이가 크로스톡에 의해 발생하는 상호작용 모드를 더 명확히 정의한다는 것을 보였다. 두 연소기 간의 열방출률 섭동 진폭의 비대칭성은 정위상 혹은 역위상의 모드 선택과 강한 연관성이 있다는 것을 밝혔다. 이 연구 결과를 통해 다중 연소기 시스템에 자발 불안정이 발생할 때 인접 연소기 간 상호작용의 역할을 밝혔으며, 연소 시스템에서 발생한 “진폭 억제”의 실험적 증거를 최초로 보고하였다.
인접 연소기 사이에 비대칭적인 화염전달함수가 시스템의 자발불안정에 미치는 영향을 연구하였다. 서로 다른 화염전달함수를 위해서 센터바디가 존재하는 일반적인 강선회 노즐 한 개와 천공률이 다른 네 가지 저선회 노즐이 사용되었다. 화염전달함수 계측에서 강선회 노즐의 화염전달함수는 저선회 노즐에 비해 상대적으로 작은 게인 값을 보였고 위상 또한 작게 나타났다. 이러한 차이는 두 노즐의 화염 구조와 화염 안정화 메커니즘 차이로 인해 나타나는데, 강선회 노즐은 내부 전단층에 안정화되어 넓게 퍼지는 반면 저선회 노즐은 덤프면에서 부상하여 공기역학적으로 안정화되는 특징을 갖는다. 이전과 동일한 이중 연소기 시스템에서 실험을 통해 (1) 화염전달함수가 대칭인 경우에는 연소기 간 정위상 진동이 발생하여 푸쉬-푸쉬 모드가 나타나며 (2) 화염전달함수가 비대칭인 경우에는 연소기 간 역위상 진동이 발생하여 푸쉬-풀 모드가 나타남을 보였다. 강선회 노즐과 저선회 노즐이 각각 장착된 두 연소기 화염의 위상 동기화 이미지를 통해 불안정 조건에서 강선회 화염은 내부 전단층이 크게 섭동하는 것을 관측하였으며, 덤프면에서 부상한 저선회 화염은 활 모양과 구 모양의 화염 구조가 주기적으로 나타나는 것을 확인하였다. 모든 실험 조건에서 인접 연소기 간 비대칭적인 화염전달함수는 (1) 시스템의 상태를 매우 안정하게 하거나 (2) 불안정이 발생하더라도 각 인젝터의 대칭 화염전달함수 조건에 비해 줄어든 진폭을 보였다.
환형으로 연결된 크로스톡 영역을 통해 상호작용하는 네 개 연소기 시스템에서도 연소기 간 비대칭 화염전달함수의 영향을 조사하였다. HS과 LS04 인젝터들의 다양한 조합에서 자발불안정을 계측했을 때, 네 개 연소기가 정위상으로 진동하는 푸쉬-푸쉬 모드와 인접 연소기들이 역위상으로 진동하는 모드, 두 개의 인접 연소기 쌍들이 서로 역위상으로 진동하는 모드, 서로 반대편에 위치한 두 연소기가 서로 역위상으로 진동하는 모드 세 가지의 푸쉬-풀 모드가 발생하였다. 이 때 인젝터 조합을 HS과 LS 각각이 인접하게 두 개씩 배치하였을 때(LS, LS, HS, HS) 인접한 동일 FTF 연소기 간에 역위상 거동이 발생한 반면에, HS과 LS이 서로 인접하게 교차하여 배열했을 때(LS, HS, LS, HS) 서로 반대편 연소기 간에 역위상 거동이 발생했다. 실험 결과는 FTF의 비대칭이 다중 연소기 불안정 모드의 위상 패턴에 지배적인 영향을 미치지만 불안정의 제어에 반드시 도움을 주는 것은 아니라는 것을 확인하였다.
