Effects of Partial Premixing on Flame Structure and NOx Emission Characteristics in an Unstable Gas Turbine Combustor

불안정 가스 터빈 연소기에서 부분 예혼합이 화염구조와 NOx 배출 특성에 미치는 영향

Experiments were carried out in an atmospheric pressure, lab-scale gas turbine combustor to see the effect of partial premixing on unstable flame structure and Nox emission characteristics. The swirl angle is 45 deg., fuel-air mixing degrees were varied 0, 50 and 100% respectively at equivalence ratio ranging from 0.53 to 0.79. The evolution of phased-locked OH chemiluminescence images were acquired with an ICCD. NOx emission characteristics were also investigated at each experimental condition. The effect of the fuel-air mixing degree on the flame structure was obtained from phase-locked $OH^*$ images. And it was obtained from local heat release characteristics that the information about the region which the combustion instability was amplified or damped. It also could be confirmed that $\sigma$ has greatly influence on NOx emission characteristics at lean regimes. It would be expected that it could provide invaluable data for understanding the mechanism of combustion instability.

본 연구는 연료-공기 혼합정도가 불안정 화염 구조와 NOx 배출 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 대기압, 모형 가스 터빈 연소기에서 실험을 수행하였다. 선회각은 $45^{\circ}$이며, 연료-공기 혼합정도는 당량비 0.53에서 0.79 범위에서 0, 50, 100%로 변화시켰다. 화염구조를 파악하기 위해, 당량비 0.79에서 ICCD를 사용하여 위상 동기화된 OH 자발광 이미지를 취득하였다. NOx 배출은 각 상기 실험조건에서 NOx 분석기를 이용하여 취득하였다. 위상에 대한 $OH^*$ 이미지를 취득함으로써 연료-공기 혼합정도가 화염의 구조에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 또한 국소 열방출의 특성을 통해, 연료-공기 혼합정도에 따른 연소불안정이 발생하거나 소멸되는 영역에 대한 정보를 얻을 수 있었으며, 혼합정도에 따른 NOx 농도를 측정함으로써 희박 연소 영역에서는 $\sigma$가 커질수록 NOx 발생이 적음을 확인할 수 있었다. 이런 결과들은 연소불안정 현상의 메카니즘을 이해하는데 중요한 기초자료로 사용될 것으로 기대된다.