KR101138360B1 - Method of semi-active combustion control and apparatus thereof. - Google Patents

Method of semi-active combustion control and apparatus thereof. Download PDF

Info

Publication number
KR101138360B1
KR101138360B1 KR1020100038115A KR20100038115A KR101138360B1 KR 101138360 B1 KR101138360 B1 KR 101138360B1 KR 1020100038115 A KR1020100038115 A KR 1020100038115A KR 20100038115 A KR20100038115 A KR 20100038115A KR 101138360 B1 KR101138360 B1 KR 101138360B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
combustion
helmholtz resonator
dynamic pressure
internal cavity
combustion chamber
Prior art date
Application number
KR1020100038115A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20110118488A (en
Inventor
윤영빈
송진관
송재천
황정재
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020100038115A priority Critical patent/KR101138360B1/en
Publication of KR20110118488A publication Critical patent/KR20110118488A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101138360B1 publication Critical patent/KR101138360B1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/02—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using resonance
    • F01N1/023—Helmholtz resonators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2490/00—Structure, disposition or shape of gas-chambers
    • F01N2490/12—Chambers having variable volumes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Abstract

본 발명은 반능동형 연소 제어 방법 및 그 방법을 수행하는 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 연소 제어 방법은, 헬름홀츠 공진기가 장착된 연소실 내의 연소불안정 현상을 방지할 수 있도록 연소 상태를 제어하는 연소 제어 방법에 있어서, (a) 상기 연소실 내의 동압을 측정하는 단계; (b) 상기 측정된 동압 신호를 이용하여 주파수해석을 수행하는 단계; (c) 상기 주파수해석의 결과로부터 주요 주파수를 검출하는 단계; (d) 상기 검출된 주요 주파수 및 헬름홀츠 공진식을 이용하여, 상기 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적의 목표값을 계산하는 단계; (e) 상기 목표값의 내부 공동 체적을 추종할 수 있도록, 상기 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적을 능동적으로 조절하는 단계;를 포함하며, 상기 단계들이 실시간으로 처리되는 특징을 갖는다.
본 발명에 따르면, 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적을 능동적으로 실시간 조절할 수 있으므로, 작동영역의 변화가 생기는 경우에도 종래의 수동제어방식에 비하여 연소 상태를 더욱 안정적으로 제어할 수 있고, 종래의 능동제어방식에 비하여 작동기의 빠른 응답성에 대한 필요성이 감소될 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a semi-active combustion control method and an apparatus for performing the method, the combustion control method according to the invention, the combustion control to control the combustion state to prevent the combustion instability in the combustion chamber equipped with the Helmholtz resonator A method comprising: (a) measuring a dynamic pressure in the combustion chamber; (b) performing frequency analysis using the measured dynamic pressure signal; (c) detecting a principal frequency from the result of the frequency analysis; (d) calculating a target value of the internal cavity volume of the Helmholtz resonator using the detected main frequency and the Helmholtz resonant equation; (e) actively adjusting the internal cavity volume of the Helmholtz resonator so as to follow the internal cavity volume of the target value, wherein the steps are processed in real time.
According to the present invention, since the internal cavity volume of the Helmholtz resonator can be actively controlled in real time, the combustion state can be more stably controlled than the conventional manual control method even when a change in the operating area occurs, and the conventional active control method In comparison, there is an effect that the need for a quick response of the actuator can be reduced.

Description

반능동형 연소 제어 방법 및 그 방법을 수행하는 장치.{Method of semi-active combustion control and apparatus thereof.}Semi-active combustion control method and apparatus for performing the method.

본 발명은 연소 제어 방법 및 그 방법을 수행하는 장치에 관한 것으로서, 특히 작동영역의 변화가 생기는 경우에도 종래의 수동제어방식에 비하여 연소 상태를 더욱 안정적으로 제어할 수 있고, 종래의 능동제어방식에 비하여 작동기의 빠른 응답성에 대한 필요성이 감소될 수 있는 연소 제어 방법 및 장치에 한 것이다.The present invention relates to a combustion control method and an apparatus for performing the method, in particular, even in the event of a change in the operating area, it is possible to control the combustion state more stably than the conventional passive control method, and to the conventional active control method. Compared to the combustion control method and apparatus can be reduced compared to the need for a quick response of the actuator.

일반적으로, 연소기관은 연소불안정(combustion instability) 현상이 발생되지 않도록 설계되어야 하는데, 이러한 연소불안정 현상은, 안정적인 동력 발생을 방해하고, 불완전한 연소를 유발시키며, 종국에는 연소기관의 파괴까지도 유도할 수 있다.In general, combustion engines should be designed so that combustion instability does not occur, which can interfere with stable power generation, cause incomplete combustion, and eventually lead to destruction of the combustion engine. have.

이러한 연소불안정 현상은, 연소 챔버(combustion chamber) 내에서 발생하는 열방출섭동(heat release fluctuation)과 압력섭동(pressure fluctuation)이 서로 연동(coupling)되어 증폭되는 경우에 발생되는 것으로 알려져 있다.Such combustion instability is known to occur when heat release fluctuations and pressure fluctuations occurring in a combustion chamber are amplified by coupling with each other.

상술한 연소불안정 현상을 제어하는 방법은 크게 능동제어와 수동제어 방식으로 나뉘는데, 불안정한 압력섭동을 상쇄(Out-of-phase)시키는 동압신호를 실시간으로 발생시키는 작동기를 사용하는 방법이 능동제어의 일례이며, 헬름홀츠 공진기를 사용하는 방법이 수동제어의 일례다. 그러나 이러한 제어방법들에는 장점뿐만 아니라 치명적인 단점을 가지고 있다. 즉, 수동제어방식은 연소 제어 장치의 구조가 단순하다는 장점이 있으나, 좁은 주파수대역에서만 효과가 있고, 작동영역의 변화가 생기면 연소 제어의 효과가 불분명한 단점이 있다. 그리고 능동제어방식은 넓은 주파수대역에서 연소 제어의 효과가 있다는 장점이 있으나, 부적절한 제어(예를들면 In-phase 상태)가 되면 시스템을 더욱 더 불안정하게 할 수 있고, 연소불안정 주파수의 시간 크기(time-scale)의 차원과 같은 작동기(actuator)의 빠른 반응을 요구하기 때문에 결국 제어의 성공 여부는 작동기의 빠른 응답성에 좌우된다는 단점이 있으며, 연소 제어 장치의 구조가 복잡하다는 단점이 있다.The above-described method of controlling combustion instability is divided into active control and passive control. An example of active control is a method of using an actuator that generates a dynamic pressure signal that out-of-phase an unstable pressure fluctuation in real time. A method of using a Helmholtz resonator is an example of manual control. However, these control methods have not only advantages but also fatal disadvantages. That is, the passive control method has the advantage that the structure of the combustion control device is simple, but it is effective only in a narrow frequency band, there is a disadvantage that the effect of the combustion control is unclear if a change in the operating area occurs. Active control has the advantage of combustion control over a wide frequency band, but improper control (eg in-phase) can make the system more unstable and time-stable at unstable frequency. Because of the fast response of the actuator (actuator), such as the (scale-scale) dimensions, the success or failure of the control is ultimately dependent on the quick response of the actuator, and has the disadvantage that the structure of the combustion control device is complicated.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 작동영역의 변화가 생기는 경우에도 종래의 수동제어방식에 비하여 연소 상태를 더욱 안정적으로 제어할 수 있고, 종래의 능동제어방식에 비하여 작동기의 빠른 응답성에 대한 필요성이 감소될 수 있는 연소 제어 방법을 제공하기 위함이다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to control the combustion state more stably than the conventional passive control method, even when a change in the operating area occurs, compared to the conventional active control method actuator To provide a combustion control method that can reduce the need for fast response.

본 발명의 다른 목적은, 상술된 바와 같은 방법을 수행하는 연소 제어 장치를 제공하기 위함이다.Another object of the present invention is to provide a combustion control apparatus for performing the method as described above.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연소 제어 방법은, 헬름홀츠 공진기가 장착된 연소실 내의 연소불안정 현상을 방지할 수 있도록 연소 상태를 제어하는 연소 제어 방법에 있어서, (a) 상기 연소실 내의 동압을 측정하는 단계; (b) 상기 측정된 동압 신호를 이용하여 주파수해석을 수행하는 단계; (c) 상기 주파수해석의 결과로부터 주요 주파수를 검출하는 단계; (d) 상기 검출된 주요 주파수 및 헬름홀츠 공진식을 이용하여, 상기 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적의 목표값을 계산하는 단계; (e) 상기 목표값의 내부 공동 체적을 추종할 수 있도록, 상기 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적을 능동적으로 조절하는 단계;를 포함하며, 상기 단계들이 실시간으로 처리되는 특징을 갖는다.In order to achieve the above object, a combustion control method according to the present invention is a combustion control method for controlling a combustion state so as to prevent combustion instability in a combustion chamber equipped with a Helmholtz resonator, (a) measuring dynamic pressure in the combustion chamber; Making; (b) performing frequency analysis using the measured dynamic pressure signal; (c) detecting a principal frequency from the result of the frequency analysis; (d) calculating a target value of the internal cavity volume of the Helmholtz resonator using the detected main frequency and the Helmholtz resonant equation; (e) actively adjusting the internal cavity volume of the Helmholtz resonator so as to follow the internal cavity volume of the target value, wherein the steps are processed in real time.

또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연소 제어 장치는, 상술한 바와 같은 방법을 수행하며, 상기 연소실에 결합된 오리피스와 상기 오리피스에 연결된 내부 공동을 포함하는 상기 헬름홀츠 공진기를 구비하는 연소 제어 장치로서, 상기 헬름홀츠 공진기의 내부 공동에 왕복운동 가능하게 장착됨으로써, 그 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적을 조절하는 피스톤; 상기 피스톤의 왕복운동에 구동력을 제공하는 모터;를 구비하는 특징을 갖는다.In addition, a combustion control apparatus according to the present invention for achieving the above another object, performing the method as described above, a combustion having the Helmholtz resonator comprising an orifice coupled to the combustion chamber and an internal cavity connected to the orifice A control device comprising: a piston for reciprocatingly mounted in an internal cavity of the Helmholtz resonator, thereby adjusting an internal cavity volume of the Helmholtz resonator; And a motor providing a driving force to the reciprocating motion of the piston.

본 발명에 따르면, 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적을 능동적으로 실시간 조절할 수 있으므로, 작동영역의 변화가 생기는 경우에도 종래의 수동제어방식에 비하여 연소 상태를 더욱 안정적으로 제어할 수 있고, 종래의 능동제어방식에 비하여 작동기의 빠른 응답성에 대한 필요성이 감소될 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since the internal cavity volume of the Helmholtz resonator can be actively controlled in real time, the combustion state can be more stably controlled than the conventional manual control method even when a change in the operating area occurs, and the conventional active control method In comparison, there is an effect that the need for a quick response of the actuator can be reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 연소 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 도 1에 설명된 연소 제어 방법을 수행하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 헬름홀츠 공진기의 단면도이다.
도 4는 헬름홀츠 공진기가 장착되지 아니한 경우에 당량비에 따른 연소시의 동압을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 헬름홀츠 공진기가 장착되지 아니한 경우에 당량비 0.67에서 제1압력센서를 이용하여 측정된 동압의 시간응답을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 시간응답을 주파수해석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예인 연소 제어 방법을 약 20초 정도씩 2회 수행한 상태의 연소실 동압을 나타내는 도면이다.
도 8은 연소기 내의 화염이 안정된 상태로 연소하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7의 구간 III의 시간응답을 주파수해석한 결과를 나타내는 도면이다.1 is a flowchart illustrating a combustion control method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an apparatus for performing the combustion control method described in FIG. 1.
3 is a cross-sectional view of the Helmholtz resonator shown in FIG. 2.
4 is a diagram showing a result of measuring dynamic pressure during combustion according to an equivalence ratio when a Helmholtz resonator is not mounted.
5 is a diagram illustrating a time response of dynamic pressure measured using a first pressure sensor at an equivalence ratio of 0.67 when a Helmholtz resonator is not mounted.
FIG. 6 is a diagram illustrating a result of frequency analysis of the time response shown in FIG. 5.
7 is a view showing the combustion chamber dynamic pressure in a state in which a combustion control method according to an embodiment of the present invention is performed twice in about 20 seconds.
8 is a view showing a state in which the flame in the combustor burns in a stable state.
FIG. 9 is a diagram illustrating a result of frequency analysis of the time response of section III of FIG. 7.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 연소 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 2는 도 1에 설명된 연소 제어 방법을 수행하기 위한 장치를 나타내는 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 헬름홀츠 공진기의 단면도이다.1 is a flowchart illustrating a combustion control method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating an apparatus for performing the combustion control method described in FIG. 1. 3 is a cross-sectional view of the Helmholtz resonator shown in FIG. 2.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소 제어 방법은, 헬름홀츠 공진기가 장착된 연소실 내의 연소불안정 현상을 방지할 수 있도록 연소 상태를 실시간으로 제어하는 방법으로서, 동압 측정 단계(S10)와, 주파수해석 단계(S20)와, 주요 주파수 검출 단계(S30)와, 공진기의 체적 목표값 계산 단계(S40)와, 공진기의 체적 조절 단계(S50)를 포함하여 구성된다. 1 to 3, a combustion control method according to a preferred embodiment of the present invention is a method of controlling a combustion state in real time to prevent combustion instability in a combustion chamber equipped with a Helmholtz resonator. (S10), the frequency analysis step (S20), the main frequency detection step (S30), the volume target value calculation step (S40) of the resonator, and the volume adjustment step (S50) of the resonator.

먼저, 상기 연소 제어 방법을 구현하기 위한 연소 제어 장치를 설명하기로 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연소 제어 장치(100)는, 본체부(10)와, 헬름홀츠 공진기(20)와, 4개의 압력센서(31, 32, 33, 34)와, 온도센서(41)와, 모터제어기(50)와, 데이터 수집 기판(60)과, 컴퓨터(70)을 포함하여 구성된다.First, a combustion control apparatus for implementing the combustion control method will be described. As shown in FIG. 2, the combustion control device 100 includes a main body 10, a Helmholtz resonator 20, four pressure sensors 31, 32, 33, and 34, and a temperature sensor 41. ), A motor controller 50, a data collection board 60, and a computer 70.

상기 본체부(10)는, 일자형 파이프 형상으로서, 연소부(11)와, 전방부(12)와, 후방부(13)를 포함하여 구성된다.The main body portion 10 has a straight pipe shape and includes a combustion portion 11, a front portion 12, and a rear portion 13.

상기 연소부(11)는, 일자형 파이프 부재로서 연소실(Combustor)에 해당하는 부분이다. 이 연소부(11)의 일면에는 내부의 연소 상태를 관찰하기 위한 관찰창(16)이 장착되어 있으며, 내부의 동압(Dynamic Pressure)를 측정하기 위한 제3압력센서(33)가 장착되어 있다. 또한, 상기 연소부(11)의 내부에는 연소 화염(F)을 잡아 두기 위한 장치인 보염기(flame holder)(18)와 연료의 점화를 위한 점화기(미도시)가 장착되어 있다. 본 실시예에서, 상기 보염기(18)는 V자 홈통형(V-gutter type) 보염기가 사용되고 있다.The combustion section 11 is a portion corresponding to a combustion chamber as a straight pipe member. One surface of the combustion section 11 is equipped with an observation window 16 for observing the internal combustion state, and a third pressure sensor 33 for measuring the internal dynamic pressure. In addition, a flame holder 18, which is a device for holding a combustion flame F, and an igniter (not shown) for ignition of fuel are mounted inside the combustion unit 11. In the present embodiment, the V-gutter type insulator 18 is used.

상기 전방부(12)는, 일자형 파이프 부재로서, 상기 연소부(11)의 전방에 결합됨으로써 상기 연소부(11)의 내부와 연통된다. 이 전방부(12)에는 내부의 동압(Dynamic Pressure)를 측정하기 위한 제1압력센서(31)가 장착되어 있으며, 내부로 연료인 액화천연가스(LNG)를 분사하는 연료주입기(17)도 장착되어 있다. 또한, 상기 전방부(12)의 전단에는 외부 공기의 유입을 위한 부재인 유입구(14)가 장착되어 있다.The front part 12 is a straight pipe member and is connected to the front of the combustion part 11 so as to communicate with the inside of the combustion part 11. The front part 12 is equipped with a first pressure sensor 31 for measuring the internal dynamic pressure, and also has a fuel injector 17 for injecting liquefied natural gas (LNG) into the fuel. It is. In addition, an inlet 14, which is a member for introducing external air, is mounted at the front end of the front part 12.

상기 후방부(13)는, 일자형 파이프 부재로서, 상기 연소부(11)의 후방에 결합됨으로써 상기 연소부(11)의 내부와 연통된다. 이 후방부(13)에는 내부의 동압(Dynamic Pressure)를 측정하기 위한 제4압력센서(34)가 장착되어 있으며, 상기 후방부(13)의 후단에는 배기가스(exhaust gas)의 배출을 위한 부재인 배출구(15)가 장착되어 있다.The rear part 13 is a straight pipe member and is coupled to the rear of the combustion part 11 so as to communicate with the inside of the combustion part 11. The rear part 13 is equipped with a fourth pressure sensor 34 for measuring internal dynamic pressure, and a member for discharging exhaust gas at the rear end of the rear part 13. The phosphorus outlet 15 is mounted.

따라서, 상기 본체부(10)는, 상기 유입구(14)로부터 상기 배출구(15)까지가 연통된 파이프 형상의 구조를 가지게 된다.Therefore, the main body 10 has a pipe-shaped structure in which the inlet port 14 communicates with the outlet port 15.

상기 헬름홀츠 공진기(20)는, 헬름홀츠 공진(Helmholtz resonance) 현상을 이용하여 연소 안정을 구현하는 장치로서, 실린더(21)와, 피스톤(22)과, 모터(23)와, 오리피스(24)를 포함한다. The Helmholtz resonator 20 is a device that realizes combustion stability by using a Helmholtz resonance phenomenon, and includes a cylinder 21, a piston 22, a motor 23, and an orifice 24. do.

상기 실린더(21)는, 내부 공동(Cavity)(25)이 형성되어 있는 원통형 용기이다. 이 실린더(21)에는 내부 공동(25)의 동압(Dynamic Pressure)를 측정하기 위한 제2압력센서(32)와, 내부 공동(25)의 온도를 측정하기 위한 온도센서(41)가 장착되어 있다. 상기 온도센서(41)에 의하여 측정된 온도를 이용하여 상기 내부 공동(25)에 존재하는 유체의 음속(c)을 계산하게 된다.The cylinder 21 is a cylindrical container in which an internal cavity 25 is formed. The cylinder 21 is equipped with a second pressure sensor 32 for measuring the dynamic pressure of the internal cavity 25 and a temperature sensor 41 for measuring the temperature of the internal cavity 25. . The sound velocity c of the fluid present in the internal cavity 25 is calculated using the temperature measured by the temperature sensor 41.

상기 피스톤(22)은, 상기 실린더(21)의 내부 공동(25)에 왕복운동 가능하게 장착됨으로써, 그 실린더(21)의 내부 공동(25) 체적(V)을 조절하는 원판형 부재이다. 이 피스톤(22)의 일면에는 막대형 부재인 푸시로드(26)가 형성되어 있다.The piston 22 is a disk-shaped member that adjusts the volume V of the internal cavity 25 of the cylinder 21 by being reciprocally mounted in the internal cavity 25 of the cylinder 21. On one surface of the piston 22, a push rod 26, which is a rod-shaped member, is formed.

상기 모터(23)는, 상기 푸시로드(26)에 결합되어 상기 피스톤(22)의 왕복운동에 구동력을 제공하는 모터로서, 본 실시예에서는 스테핑 모터(stepping motor)가 사용되고 있다.The motor 23 is coupled to the push rod 26 and provides a driving force to the reciprocating motion of the piston 22. In this embodiment, a stepping motor is used.

상기 오리피스(24)는, 파이프형 부재로서, 일단부는 상기 전방부(12)의 측벽에 결합됨으로써 상기 전방부(12)의 내부와 연통되고, 타단부는 상기 실린더(21)에 결합됨으로써 상기 실린더(21)의 내부 공동(25)과 연통된다. 이 오리피스(24)는, 도3에 도시된 바와 같이, 그 유효길이(Ls)와, 내부 중공의 단면적(S)과, 내부 중공의 직경(d)에 의하여 형상이 결정된다. 상기 오리피스(24)의 직경(d)은 상기 실린더(21)의 직경보다 작게 형성되어 있다.The orifice 24 is a pipe-shaped member, one end of which is coupled to the side wall of the front part 12 to communicate with the inside of the front part 12, and the other end of the orifice 24 is coupled to the cylinder 21 to allow the cylinder. In communication with the internal cavity 25 of (21). As shown in Fig. 3, the orifice 24 is shaped by its effective length L s , the cross-sectional area S of the inner hollow, and the diameter d of the inner hollow. The diameter d of the orifice 24 is smaller than the diameter of the cylinder 21.

상기 모터제어기(50)는, 상기 모터(23)의 작동을 제어하는 신호를 발생시키는 장치로서, 실시간으로 상기 제어 신호를 발생시킬 수 있다.The motor controller 50 is a device for generating a signal for controlling the operation of the motor 23, and may generate the control signal in real time.

상기 데이터 수집 기판(60)은, 상기 4개의 압력센서(31, 32, 33, 34) 및 온도센서(41)로부터 측정된 신호를 수집하여 상기 컴퓨터(40)에 의한 처리가 가능한 신호로 변환하는 장치로서, 실시간으로 상기 신호를 변환시킬 수 있다.The data collection substrate 60 collects the signals measured from the four pressure sensors 31, 32, 33, and 34 and the temperature sensor 41 and converts the signals to signals that can be processed by the computer 40. As a device, it is possible to convert the signal in real time.

상기 컴퓨터(70)는, 상기 모터제어기(50) 및 데이터 수집 기판(60)과 연결되어 있는 계산 장치로서, 상기 데이터 수집 기판(60)으로부터 변환된 신호를 실시간으로 처리하여 각종 계산을 수행하여 그 결과를 그래픽으로 나타낼 수 있으며, 그 계산 결과에 기초하여 상기 모터제어기(50)를 제어하기 위한 제어 신호를 실시간으로 발생시킬 수 있는 장치이다. The computer 70 is a calculation device connected to the motor controller 50 and the data collection board 60. The computer 70 processes the signals converted from the data collection board 60 in real time to perform various calculations. The result can be displayed graphically, and a device capable of generating in real time a control signal for controlling the motor controller 50 based on the calculation result.

상술한 연소 제어 장치(100)는, 상기 유입구(14)로부터 공기를 공급하면서 상기 연료주입기(17)로부터 연료인 액화천연가스를 공급하게 되면, 상기 본체부(10)의 전방부(12)에서 공기와 액화천연가스가 서로 혼합되어 섞이게 되고, 이렇게 공기와 혼합된 액화천연가스는 상기 연소부(11)에서 상기 점화기(미도시)에 의하여 점화된 후 연소되며, 연소시에 발생되는 화염(F)은 상기 후방부(13) 방향으로 밀려나지 않도록 상기 보염기(18)에 의하여 위치가 유지되며, 상기 관찰창(16)을 통하여 외부의 작업자가 화염의 상태 및 내부의 연소 상태를 관찰할 수도 있다. 상술한 바와 같이 상기 연소부(11)에서 연소를 마친 배기가스는 상기 후방부(13)를 통과하여 상기 배출구(15)로 배출됨으로써, 일련의 연소 과정이 연속적으로 이루어진다.When the combustion control device 100 supplies the liquefied natural gas, which is fuel, from the fuel injector 17 while supplying air from the inlet port 14, the combustion control device 100 is provided at the front part 12 of the main body part 10. Air and liquefied natural gas are mixed and mixed with each other, and the liquefied natural gas mixed with air is burned after being ignited by the igniter (not shown) in the combustion unit 11, and a flame generated during combustion (F The position is maintained by the flame sprayer 18 so as not to be pushed toward the rear portion 13, the external worker may observe the state of the flame and the internal combustion state through the observation window 16. have. As described above, the exhaust gas after the combustion in the combustion unit 11 passes through the rear portion 13 and is discharged to the discharge port 15, whereby a series of combustion processes are continuously performed.

도 4에서는, 상기 헬름홀츠 공진기(20)가 장착되지 아니한 경우에 공기 대 연료의 질량비인 당량비(Equivalence ratio)에 따른 연소시의 동압을 상기 제1압력센서(31)를 이용하여 측정한 결과가 도시되어 있다. 일반적으로 연소불안정 영역에 대한 정의는 아직 여러 의견이 분분하다. 하지만 통상적으로 실제로 사용되고 있는 가스터빈엔진에서는, 측정된 동압이 연소실의 평균 연소압의 2% 이상의 섭동을 나타낼 때 연소불안정으로 판단하고 있고, 본 실시예에서도 평균 연소압 대비 2% 이상의 압력 섭동시에 속도 섭동이 유발되고, 연소실내에서 유동속도와 화염전파속도간의 상대적인 속도차이가 발생하게 되어 화염이 상기 전방부(12) 방향으로 역화(flashback)되는 것처럼 보이게 됨을 관찰하였다. 이러한 역화 현상은 연소가 불안정한 상태라고 판단할 수 있는 근거가 될 수 있으므로, 도 4에서도 연소의 안정과 불안정 상태를 구분 짓기 위한 경계선으로서 평균 연소압의 2% 섭동을 기준으로 수평방향의 점선으로 표시하였다. 본 실시예에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전 당량비 영역에서 연소불안정 현상이 발생할 수 있도록 상기 유입구(14)로 유입되는 공기 조건이나 상기 연료주입기(17)로부터 분사되는 연료의 조건을 설정하였다.4 shows a result of measuring dynamic pressure at combustion according to an equivalence ratio, which is a mass ratio of air to fuel, when the Helmholtz resonator 20 is not mounted, using the first pressure sensor 31. It is. In general, there are still many different opinions about the definition of combustion instability. However, in the gas turbine engine which is actually used, it is judged that combustion is unstable when the measured dynamic pressure shows a perturbation of 2% or more of the average combustion pressure in the combustion chamber. It was observed that perturbation was induced and a relative speed difference between the flow velocity and the flame propagation velocity occurred in the combustion chamber so that the flame appeared to flash back toward the front 12. Since such a backfire phenomenon may be the basis for judging that the combustion is unstable, in FIG. 4, it is indicated as a dotted line in the horizontal direction based on 2% perturbation of the average combustion pressure as a boundary for distinguishing the stable and unstable state of combustion. It was. In this embodiment, as shown in FIG. 4, the air condition flowing into the inlet 14 or the fuel injected from the fuel injector 17 is set so that combustion instability may occur in the entire equivalence ratio region. .

도 4에서 알 수 있듯이, 특히 가연한계(limit of flammability) 근처의 당량비 0.67에서는 상대적인 희박 연소 영역으로, 매우 높은 연소불안정현상이 발생함을 알 수 있다. 작동영역에서나 에너지 밀도면에서는 일반적이지는 않지만, 제어의 관점으로 볼 때 의미가 있으므로, 본 실시예에서는, 당량비 0.67 영역부근에서의 제어 효과를 검증하는 실험을 수행한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 당량비 0.67에서 제1압력센서(31)를 이용하여 측정된 동압은 매우 큰 진폭으로 진동하고 있음을 알 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 이러한 연소불안정 상태가, 상기 헬름홀츠 공진기(20)가 장착되지 않은 경우 뿐 아니라, 상기 헬름홀츠 공진기(20)가 상기 본체부(10)에 장착된 상태에서 상기 피스톤(22)이 최하 위치(V = 0)까지 내려온 경우에도 발생될 수 있는 연소 조건이 설정되어 있다.As can be seen from FIG. 4, it can be seen that a particularly high combustion instability occurs in the relative lean burn zone, especially at an equivalence ratio of 0.67 near the limit of flammability. Although not common in terms of operating area or energy density, it is meaningful from a control point of view. In this embodiment, an experiment is performed to verify the control effect near the equivalence ratio area of 0.67. As shown in FIG. 5, it can be seen that the dynamic pressure measured using the first pressure sensor 31 at the equivalent ratio 0.67 vibrates with a very large amplitude. On the other hand, in this embodiment, the combustion instability is not only when the Helmholtz resonator 20 is not mounted, but also when the piston 22 is mounted in the state where the Helmholtz resonator 20 is mounted on the main body 10. Combustion conditions are set which can be generated even when lowered to the lowest position (V = 0).

이하에서는, 상술한 바와 같이 연소불안정 조건이 설정된 연소 제어 장치(100)를 이용하여, 상기 연소부(11) 내에 발생한 화염의 연소 상태를 제어하는 방법의 일례를 설명하기로 한다.Hereinafter, an example of a method of controlling the combustion state of the flame generated in the combustion unit 11 by using the combustion control device 100 in which the combustion instability condition is set as described above will be described.

먼저, 상기 헬름홀츠 공진기(20)가 상기 본체부(10)에 장착된 상태에서 상기 피스톤(22)을 최하 위치(V = 0)에 위치시키고, 도 5와 같이 연소불안정 상태를 발생시킨 상황에서, 상기 압력센서(31, 32, 33, 34)들을 이용하여 연소실에 해당하는 상기 본체부(10)의 내부 동압을 실시간으로 측정하고, 측정된 동압은 상기 데이터 수집 기판(60)에 의하여 실시간으로 처리된 후 상기 컴퓨터(70)로 전송된다. 본 실시예에서는, 주로 제1압력센서(31) 또는 제2압력센서(32)의 측정값을 이용하는데, 측정된 동압은 도 5에 도시된 결과와 거의 유사하다. (동압 측정 단계 S10)First, in a state in which the Helmholtz resonator 20 is mounted on the main body 10 and the piston 22 is positioned at the lowest position (V = 0), and a combustion instability is generated as shown in FIG. 5, The internal dynamic pressure of the main body 10 corresponding to the combustion chamber is measured in real time using the pressure sensors 31, 32, 33, and 34, and the measured dynamic pressure is processed in real time by the data collection substrate 60. And then sent to the computer 70. In the present embodiment, mainly, the measured values of the first pressure sensor 31 or the second pressure sensor 32 are used, and the measured dynamic pressure is almost similar to the result shown in FIG. (Dynamic pressure measurement step S10)

이렇게 상기 제1압력센서(31)에 의하여 측정된 동압의 시간 영역의 응답은, 상기 컴퓨터(70)에서 실시간으로 고속푸리에변환(FFT; Fast Fourier Transform)을 통한 주파수해석이 수행됨으로써, 도 6과 같은 스펙트럼을 생성하게 된다. (주파수해석 단계 S20)Thus, the response of the time domain of the dynamic pressure measured by the first pressure sensor 31, the frequency analysis through the Fast Fourier Transform (FFT) in real time in the computer 70 is performed, as shown in FIG. Will produce the same spectrum. (Frequency analysis step S20)

한편, 상기 주파수해석의 결과를 살펴보면, 도 6에서 알 수 있듯이, 연소기에 해당하는 본체부(10)의 형상에 의해 결정되는 84 Hz의 1/4파장 모드(quarter-wave mode)와 168 Hz의 길이방향 모드(longitudinal mode)가 동시에 발생함을 알 수 있는데, 상기 모든 압력센서(31, 32, 33, 34)에서 84 Hz의 1/4파장 모드가 가장 큰 진폭으로 검출되므로, 상기 1/4파장 모드를 연소불안정을 유발하는 주요 주파수로 선정한다. 이러한 주요 주파수의 선정은 상기 컴퓨터(70)에 의하여 실시간으로 자동으로 수행된다. (주요 주파수 검출 단계 S30)On the other hand, looking at the results of the frequency analysis, as can be seen in Figure 6, the quarter-wave mode (84 Hz mode and 168 Hz mode of 84 Hz determined by the shape of the body portion 10 corresponding to the combustor It can be seen that the longitudinal mode occurs at the same time. Since the 1/4 wavelength mode of 84 Hz is detected at the largest amplitude in all the pressure sensors 31, 32, 33, and 34, the 1/4 Select the wavelength mode as the main frequency that causes combustion instability. The selection of these major frequencies is automatically performed in real time by the computer 70. (Main frequency detection step S30)

이렇게 연소불안정을 유발하는 주요 주파수가 선정되면, 상기 컴퓨터(70)에서는, 헬름홀츠 공진식인 아래의 식(1)을 이용하여 상기 헬름홀츠 공진기(20)의 내부 공동 체적(V)의 목표값이 실시간으로 계산된다.When the main frequency causing the combustion instability is selected in this way, in the computer 70, the target value of the internal cavity volume V of the Helmholtz resonator 20 is obtained in real time using Equation (1) below, which is a Helmholtz resonance. Is calculated.

Figure 112010026446221-pat00001
Figure 112010026446221-pat00001

여기서, ft는 헬름홀츠 공진기(20)의 동조주파수이며, 도 3에 도시된 바와 같이, c는 상기 오리피스(24)내 유체의 음속이며, S는 상기 오리피스(24) 단면적이며, V는 상기 실린더(21)와 피스톤(22)에 의하여 결정되는 헬름홀츠 공진기(20)의 내부 공동(25)의 체적이며, Ls는 상기 오리피스(24)의 유효길이로서 상기 오리피스(24)의 길이(L)와 질량보정인자의 합으로서 근사적으로 L+0.85d로 나타낼 수 있다.Here, f t is the tuning frequency of the Helmholtz resonator 20, as shown in Figure 3, c is the sound velocity of the fluid in the orifice 24, S is the cross-sectional area of the orifice 24, V is the cylinder 21 and a volume of the inner cavity 25 of the Helmholtz resonator 20 is determined by the piston (22), L s is the length (L) of the orifice (24) having an effective length of the orifice 24 and the It can be expressed as L + 0.85d as a sum of mass correction factors.

상기 헬름홀츠 공진식은, 헬름홀츠 공진 현상을 설명하는 식으로서, 이 현상은 물리적으로는 연소실에 해당하는 본체부(10) 내부의 음향파가 오리피스(24)를 통해서 헬름홀츠 공진기(20) 안으로 들어오면 입사파의 파형에 대한 새로운 역상 형태의 진동으로 변한 반사파가 나오게 되고, 동조주파수(ft)에 대한 위상 변이가 발생하여 상기 동조주파수(ft)와 같은 값을 가지는 상기 연소실 안의 음향파를 소멸시키는 현상을 말한다.The Helmholtz resonance equation describes the Helmholtz resonance phenomenon, which is an incident wave when the acoustic wave inside the main body 10 corresponding to the combustion chamber physically enters the Helmholtz resonator 20 through the orifice 24. the new phenomenon of reverse phase type, and get to the reflected wave has changed due to vibration of the tuning frequency the phase shift of the (f t) resulting from the decay of acoustic waves in the combustion chamber has a value such as the tuning frequency (f t) for the waveform Say

따라서, 상기 식(1)의 ft 값에 상기 주요 주파수 값을 대입하면, 상기 주요 주파수를 가지는 연소불안정 동압(음향파)을 효과적으로 흡수하기 위하여 상기 헬름홀츠 공진기(20)가 가져야 할 내부 공동 체적(V)의 목표값이 계산된다. (공진기의 체적 목표값 계산 단계 S40)Therefore, when the main frequency value is substituted for the f t value of Equation (1), the internal cavity volume that the Helmholtz resonator 20 should have in order to effectively absorb the combustion unstable dynamic pressure (acoustic wave) having the main frequency ( The target value of V) is calculated. (Volume target value calculation step S40 of the resonator)

이렇게 상기 공동 체적(V)의 목표값이 계산되면, 상기 피스톤(22)이 상기 목표값의 내부 공동 체적(V)을 추종하기 위하여 이동해야할 거리가 실시간으로 확정될 수 있으며, 그러한 피스톤(22)의 이동을 발생시킬 수 있도록 상기 컴퓨터(70)는 제어 신호를 생성시켜서 상기 모터제어기(50)에 전송하게 되고, 상기 모터제어기(50)는 상기 모터(23)를 제어하게 되며, 상기 모터(23)는 상기 푸시로드(26)를 통하여 상기 피스톤(22)의 운동을 능동적으로 실시간 제어하게 된다. When the target value of the cavity volume V is calculated in this way, the distance that the piston 22 must move to follow the internal cavity volume V of the target value can be determined in real time, and such a piston 22 The computer 70 generates a control signal and transmits the generated control signal to the motor controller 50. The motor controller 50 controls the motor 23 and the motor 23. ) Actively controls the movement of the piston 22 through the push rod 26 in real time.

이때, 본 실시예에서 상기 컴퓨터(70)는, 상기 연소실 내의 연소불안정의 정도에 비례하여 상기 체적의 조절 속도가 변화될 수 있도록 제어 신호를 생성하게 되는데, 상기 음압 측정 단계(S10)에서 측정된 연소실 내의 동압과 상기 헬름홀츠 공진기(20)의 내의 동압과의 위상차(φ)를 측정한 후, ｜90°-φ｜의 값이 20°이상으로 연소불안정의 정도가 심한 경우에는 상기 피스톤(22)이 5mm/s(제1속도)의 속도로 이동되고, ｜90°-φ｜의 값이 20°미만으로 비교적 연소불안정의 정도가 약한 경우에는 상기 피스톤(22)이 0.2mm/s(제2속도)의 속도로 이동된다. 여기서, ｜90°-φ｜의 값을 판단 기준으로 사용하는 이유는, 상기 주요 주파수와 동조주파수가 일치하는 때 즉 연소불안정의 정도가 가장 낮은 때에 상기 위상차(φ)가 90°의 값을 가진다는 아래의 식(2)에 기초한다. At this time, in the present embodiment, the computer 70 generates a control signal so that the adjustment speed of the volume can be changed in proportion to the degree of combustion instability in the combustion chamber, which is measured in the sound pressure measurement step (S10). After measuring the phase difference φ between the dynamic pressure in the combustion chamber and the dynamic pressure in the Helmholtz resonator 20, when the value of | 90 ° -φ | is greater than 20 ° and the degree of combustion instability is severe, the piston 22 When the piston 22 is moved at a speed of 5 mm / s (first speed) and the value of 9090 ° -φ is less than 20 ° and the degree of combustion instability is relatively low, the piston 22 is 0.2 mm / s (second Speed). The reason why the value of | 90 ° -φ | is used as a criterion is that the phase difference φ has a value of 90 ° when the main frequency and the tuning frequency coincide, that is, when the degree of combustion instability is the lowest. Is based on Equation (2) below.

Figure 112010026446221-pat00002
Figure 112010026446221-pat00002

여기서, 상기 ξ는 헬름홀츠 공진기(20)의 감쇠비이며, 상기 ωc는 연소불안정의 주요 주파수(rad/sec)이며, 상기 ωt는 동조주파수(rad/sec)이다. (공진기의 체적 조절 단계 S50)Here, ξ is the damping ratio of the Helmholtz resonator 20, ω c is the main frequency of combustion instability (rad / sec), and ω t is the tuning frequency (rad / sec). (Volume adjustment step S50 of the resonator)

상술한 단계들은 제어가 진행되는 동안 순차적으로 계속 반복하여 수행되는데, 도 7에는 상술한 연소 제어 방법을 약 20초 정도씩 2회 수행한 상태의 연소실 동압이 도시되어 있다. 여기서, 구간 I은 도 5와 마찬가지로 제어가 전혀 수행되지 않는 구간이고, 구간 II는 상기 피스톤(22)이 5mm/s(제1속도)의 속도로 이동되면서 제어가 수행되는 구간이며, 구간 III은 상기 피스톤(22)이 0.2mm/s(제2속도)의 속도로 이동되면서 제어가 수행되는 구간인데, 도 7에서 알 수 있듯이, 구간 I의 시간응답은 불안정한 상태를 보이고 있으며, 구간 II의 시간응답은 구간 I의 진폭보다 작은 진폭의 시간응답을 보임으로써 안정한 연소 상태를 나타내고 있음을 알 수 있고, 구간 III의 시간응답은 구간 II의 진폭보다 작은 진폭의 시간응답을 보임으로써 더욱 안정한 연소 상태를 나타내고 있으며, 제어가 없는 경우의 도 5와 비교할 때, 거의 동압의 진폭이 80% 내지 90%까지 감소되는 것을 알 수 있다. The above-described steps are repeatedly performed sequentially while the control is in progress. FIG. 7 shows the combustion chamber dynamic pressure in which the above-described combustion control method is performed twice for about 20 seconds. Here, section I is a section in which control is not performed at all as in FIG. 5, section II is a section in which control is performed while the piston 22 moves at a speed of 5 mm / s (first speed), and section III is As the piston 22 moves at a speed of 0.2 mm / s (second speed), the control is performed. As shown in FIG. 7, the time response of the section I shows an unstable state, and the time of the section II It can be seen that the response shows a stable combustion state by showing a time response of amplitude smaller than the amplitude of section I, and the time response of section III shows a more stable combustion state by showing a time response of amplitude smaller than the amplitude of section II. In comparison with FIG. 5 when there is no control, it can be seen that the amplitude of the dynamic pressure is reduced by 80% to 90%.

한편, 도 9에는 상기 구간 III의 시간응답을 주파수해석한 결과가 도시되어 있는데, 제어가 없는 경우의 주파수해석 결과인 도 6과 비교할 때, 84 Hz의 1/4파장 모드(quarter-wave mode)의 진폭이 거의 80% 정도 감소되는 것을 알 수 있으며, 나머지 모드의 진폭은 거의 검출되지 않는다는 것도 알 수 있다.On the other hand, Fig. 9 shows the result of frequency analysis of the time response of the section III, when compared with Fig. 6 which is the result of frequency analysis in the absence of control, a quarter-wave mode of 84 Hz (quarter-wave mode) It can be seen that the amplitude of is reduced by almost 80%, and the amplitude of the remaining modes is hardly detected.

상기 연소 제어 방법은, 헬름홀츠 공진기(20)의 내부 공동(25) 체적(V)을 능동적으로 실시간 조절할 수 있으므로, 연소기의 작동영역의 변화가 생기는 경우에도 체적이 고정된 종래의 헬름홀츠 공진기에 비하여 연소 상태를 더욱 안정적으로 제어할 수 있다는 장점이 있다.In the combustion control method, since the volume V of the inner cavity 25 of the Helmholtz resonator 20 can be actively controlled in real time, the combustion volume is combusted compared to a conventional Helmholtz resonator having a fixed volume even when a change in the operating area of the combustor occurs. The advantage is that the state can be controlled more reliably.

또한, 상기 연소 제어 방법은, 수동제어방식인 헬름홀츠 공진기를 이용하고 있으므로, 헬름홀츠 공진기를 이용하지 않는 종래의 능동제어방식과 비교하여 작동기가 느리게 작동하더라도 비슷한 정도의 연소안정성을 달성할 수 있는 바, 빠른 응답성을 구비한 작동기의 필요성이 적다는 장점이 있다.In addition, since the combustion control method uses a Helmholtz resonator, which is a manual control method, similar combustion stability can be achieved even if the actuator operates slowly compared to a conventional active control method that does not use a Helmholtz resonator. The advantage is that there is little need for an actuator with fast response.

그리고, 상기 연소 제어 방법은, 연소실 내의 연소불안정의 정도에 비례하여 상기 헬름홀츠 공진기(20)의 내부 공동(25) 체적(V)의 조절 속도가 변화될 수 있으므로, 연소불안정의 정도가 큰 경우에는 상기 체적(V)의 조절 속도를 증가시키고 연소불안정의 정도가 상대적으로 작은 경우에는 상기 체적(V)의 조절 속도를 감소시킬 수 있는 바, 연소불안정 정도에 따라서 작동기인 모터(23)의 구동 속도를 효율적으로 조절할 수 있다는 장점이 있다.In addition, in the combustion control method, since the adjustment speed of the volume V of the internal cavity 25 of the Helmholtz resonator 20 may be changed in proportion to the degree of combustion instability in the combustion chamber, when the degree of combustion instability is large, When the speed of adjustment of the volume V is increased and the degree of combustion instability is relatively small, the speed of adjustment of the volume V can be reduced, and the driving speed of the motor 23 as an actuator depends on the degree of combustion instability. Can be controlled efficiently.

한편, 상기 연소 제어 방법은, 연소불안정의 정도가 상기 음압 측정 단계(S10)에서 측정된 연소실 내의 동압과 상기 헬름홀츠 공진기(20)의 내의 동압과의 위상차(φ)에 의하여 결정되므로, 1/4파장 모드와 길이방향 모드 등 다중의 모드가 존재하는 실제 연소 상황하에서 동압의 진폭이 튀는 현상이 있는 경우에도, 연소실 내의 연소불안정의 정도가 정확히 결정될 수 있다는 장점이 있다.On the other hand, in the combustion control method, the degree of combustion instability is determined by the phase difference (φ) between the dynamic pressure in the combustion chamber measured in the sound pressure measurement step (S10) and the dynamic pressure in the Helmholtz resonator 20, 1/4 Even when there is a phenomenon in which the amplitude of dynamic pressure splashes under actual combustion conditions in which multiple modes such as a wavelength mode and a longitudinal mode exist, there is an advantage that the degree of combustion instability in the combustion chamber can be accurately determined.

또한, 상기 연소 제어 방법은, 상기 주파수해석 단계(S20)가 고속푸리에변환(FFT)을 통하여 수행되어 신속하게 주파수해석이 이루어지므로, 다른 주파수해석 방법에 비하여 실시간 제어가 더욱 용이하다는 장점이 있다.In addition, the combustion control method, because the frequency analysis step (S20) is performed through a fast Fourier transform (FFT) to perform a frequency analysis quickly, there is an advantage that the real-time control is easier than the other frequency analysis method.

본 실시예에서는, 상기 공진기의 체적 조절 단계(S50)의 연소불안정의 정도가, 상기 음압 측정 단계(S10)에서 측정된 연소실 내의 동압과 상기 헬름홀츠 공진기(20)의 내의 동압과의 위상차(φ)에 의하여 결정되고 있으나, 상기 음압 측정 단계(S10)에서 측정된 연소실 내의 동압의 진폭의 크기를 기준으로 결정될 수도 있음은 물론이다. 즉, 상기 음압 측정 단계(S10)에서 측정된 연소실 내의 동압의 진폭이, 연소실의 평균 연소압의 10% 이상의 과도한 섭동을 나타내는 경우에는 상기 피스톤(22)이 5mm/s(제1속도)의 속도로 이동되고, 연소실의 평균 연소압의 10% 미만의 비교적 작은 섭동을 나타내는 경우에는 상기 피스톤(22)이 0.2mm/s(제2속도)의 속도로 이동되도록 구성될 수 있다. In this embodiment, the degree of combustion instability in the volume control step (S50) of the resonator is a phase difference (φ) between the dynamic pressure in the combustion chamber measured in the sound pressure measurement step (S10) and the dynamic pressure in the Helmholtz resonator 20 Although it is determined by, but may be determined based on the magnitude of the amplitude of the dynamic pressure in the combustion chamber measured in the sound pressure measurement step (S10) of course. That is, when the amplitude of dynamic pressure in the combustion chamber measured in the sound pressure measurement step S10 indicates excessive perturbation of 10% or more of the average combustion pressure of the combustion chamber, the piston 22 has a speed of 5 mm / s (first speed). And the piston 22 may be configured to move at a speed of 0.2 mm / s (second speed) when exhibiting a relatively small perturbation of less than 10% of the average combustion pressure of the combustion chamber.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.The technical scope of the present invention is not limited to the contents described in the above embodiments, and the equivalent structure modified or changed by those skilled in the art can be applied to the technical It is clear that the present invention does not depart from the scope of thought.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 연소 제어 장치 10 : 본체부
11 : 연소부 12 : 전방부
13 : 후방부 14 : 유입구
15 : 배출구 16 : 관찰창
17 : 연료주입기 20 : 헬름홀츠 공진기
21 : 실린더 22 : 피스톤
23 : 모터 24 : 오리피스
25 : 내부 공동 26 : 푸시로드
31, 32, 33, 34 : 압력센서 41 : 온도센서
50 : 모터제어기 60 : 데이터 수집 기판
70 : 컴퓨터[Description of Reference Numerals]
100: combustion control device 10: main body
11 combustion part 12 front part
13: rear 14: inlet
15 outlet 16: observation window
17: fuel injector 20: Helmholtz resonator
21: cylinder 22: piston
23: motor 24: orifice
25: internal cavity 26: push rod
31, 32, 33, 34: pressure sensor 41: temperature sensor
50: motor controller 60: data acquisition board
70: computer

Claims (7)

헬름홀츠 공진기가 장착된 연소실 내의 연소불안정 현상을 방지할 수 있도록 연소 상태를 제어하는 연소 제어 방법에 있어서,
(a) 상기 연소실 내의 동압을 측정하는 단계;
(b) 상기 측정된 동압 신호를 이용하여 주파수해석을 수행하는 단계;
(c) 상기 주파수해석의 결과로부터 주요 주파수를 검출하는 단계;
(d) 상기 검출된 주요 주파수 및 헬름홀츠 공진식을 이용하여, 상기 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적의 목표값을 계산하는 단계;
(e) 상기 목표값의 내부 공동 체적을 추종할 수 있도록, 상기 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적을 능동적으로 조절하는 단계;
를 포함하며, 상기 단계들이 실시간으로 처리되는 것을 특징으로 하는 연소 제어 방법.A combustion control method of controlling a combustion state to prevent combustion instability in a combustion chamber equipped with a Helmholtz resonator,
(a) measuring the dynamic pressure in the combustion chamber;
(b) performing frequency analysis using the measured dynamic pressure signal;
(c) detecting a principal frequency from the result of the frequency analysis;
(d) calculating a target value of the internal cavity volume of the Helmholtz resonator using the detected main frequency and the Helmholtz resonant equation;
(e) actively adjusting the internal cavity volume of the Helmholtz resonator to follow the internal cavity volume of the target value;
And the steps are processed in real time. 제 1항에 있어서,
상기 (e) 단계는, 상기 연소실 내의 연소불안정의 정도에 비례하여 상기 체적의 조절 속도가 변화되는 것을 특징으로 하는 연소 제어 방법.The method of claim 1,
In the step (e), the control speed of the volume is changed in proportion to the degree of combustion instability in the combustion chamber. 제 2항에 있어서,
상기 (e) 단계는, 상기 체적의 조절 속도가 제1속도로 조절되는 제1조절단계와, 상기 체적의 조절 속도가 제2속도로 조절되는 제2조절단계를 구비하며,
상기 제1속도가 상기 제2속도보다 큰 것을 특징으로 하는 연소 제어 방법.The method of claim 2,
The step (e) includes a first adjustment step of adjusting the volume control speed at a first speed, and a second adjustment step of adjusting the volume control speed at a second speed,
And said first speed is greater than said second speed. 제 2항에 있어서,
상기 (e) 단계의 연소불안정의 정도는, 상기 (a) 단계에서 측정된 연소실 내의 동압의 진폭으로 결정되는 것을 특징으로 하는 연소 제어 방법.The method of claim 2,
The degree of combustion instability of step (e) is determined by the amplitude of dynamic pressure in the combustion chamber measured in step (a). 제 2항에 있어서,
상기 (e) 단계의 연소불안정의 정도는, 상기 (a) 단계에서 측정된 연소실 내의 동압과 상기 헬름홀츠 공진기의 내의 동압과의 위상차에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 연소 제어 방법.The method of claim 2,
The degree of combustion instability in step (e) is determined by the phase difference between the dynamic pressure in the combustion chamber and the dynamic pressure in the Helmholtz resonator measured in step (a). 제 1항에 있어서,
상기 (b) 단계의 상기 주파수해석은 고속푸리에변환을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 연소 제어 방법.The method of claim 1,
The frequency analysis of step (b) is characterized in that the combustion control method is carried out through a fast Fourier transform. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하며, 상기 연소실에 결합된 오리피스와 상기 오리피스에 연결된 내부 공동을 포함하는 상기 헬름홀츠 공진기를 구비하는 연소 제어 장치로서,
상기 헬름홀츠 공진기의 내부 공동에 왕복운동 가능하게 장착됨으로써, 그 헬름홀츠 공진기의 내부 공동 체적을 조절하는 피스톤;
상기 피스톤의 왕복운동에 구동력을 제공하는 모터;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 제어 장치.A combustion control device comprising the Helmholtz resonator performing the method of any one of claims 1 to 6 and comprising an orifice coupled to the combustion chamber and an internal cavity connected to the orifice,
A piston which is reciprocally mounted in the inner cavity of the Helmholtz resonator, thereby adjusting the volume of the inner cavity of the Helmholtz resonator;
A motor providing a driving force to the reciprocating motion of the piston;
Combustion control device comprising a.
KR1020100038115A 2010-04-23 2010-04-23 Method of semi-active combustion control and apparatus thereof. KR101138360B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100038115A KR101138360B1 (en) 2010-04-23 2010-04-23 Method of semi-active combustion control and apparatus thereof.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100038115A KR101138360B1 (en) 2010-04-23 2010-04-23 Method of semi-active combustion control and apparatus thereof.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110118488A KR20110118488A (en) 2011-10-31
KR101138360B1 true KR101138360B1 (en) 2012-04-26

Family

ID=45032080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100038115A KR101138360B1 (en) 2010-04-23 2010-04-23 Method of semi-active combustion control and apparatus thereof.

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101138360B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101327440B1 (en) 2012-09-13 2013-11-08 서울대학교산학협력단 Method of analyzing combustion state
KR101411763B1 (en) 2012-08-30 2014-06-25 한국전력공사 Combustor for controlling combustion instability and control method using the same
KR101466503B1 (en) * 2013-09-05 2014-11-28 한밭대학교 산학협력단 Apparatus for detecting combustor instability and method thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990049960A (en) * 1997-12-16 1999-07-05 양재신 Variable Helmholtz Resonators
US20020000343A1 (en) 2000-05-26 2002-01-03 Paschereit Christian Oliver Apparatus for damping acoustic vibrations in a combustor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990049960A (en) * 1997-12-16 1999-07-05 양재신 Variable Helmholtz Resonators
US20020000343A1 (en) 2000-05-26 2002-01-03 Paschereit Christian Oliver Apparatus for damping acoustic vibrations in a combustor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101411763B1 (en) 2012-08-30 2014-06-25 한국전력공사 Combustor for controlling combustion instability and control method using the same
KR101327440B1 (en) 2012-09-13 2013-11-08 서울대학교산학협력단 Method of analyzing combustion state
KR101466503B1 (en) * 2013-09-05 2014-11-28 한밭대학교 산학협력단 Apparatus for detecting combustor instability and method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110118488A (en) 2011-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10995703B2 (en) Systems and methods for improving operation of pulse combustors
RU2569786C2 (en) Resonator for pressure oscillations damping in combustion chamber and method for combustion system control
JP6541586B2 (en) Knocking detection method, ignition timing control method and control system for internal combustion engine
Albrecht et al. Instability control by premixed pilot flames
KR101138360B1 (en) Method of semi-active combustion control and apparatus thereof.
US20180202660A1 (en) Mitigating instability by actuating the swirler in a combustor
Kim et al. Experimental study on combustion instability and attenuation characteristics in the lab-scale gas turbine combustor with a sponge-like porous medium
JP2015068346A (en) Method for determining temperature inside combustor, and control unit
Zhou et al. Passive suppression of self-excited combustion instabilities in liquid spray flame using microperforated plate
Sliphorst et al. Combustion instability coupling mechanisms between acoustics and LOx/CH4 spray flames
JPH09269107A (en) Apparatus and method for combustion vibration suppression
Lacava et al. Pulsating combustion characteristics of a spray flame in a Rijke tube with two different atomizers
JP2005048638A (en) Combustion vibration analysis method and its device, and analysis program using the same
US11578681B2 (en) Systems and methods for anti-phase operation of pulse combustors
Latour et al. Effects of fuel composition on azimuthal combustion instabilities in an annular combustor equipped with spray injectors
KR101327440B1 (en) Method of analyzing combustion state
JPH08226338A (en) Combustion vibration control device for combustor
Lee Combustion instability mechanisms in a lean premixed gas turbine combustor
Paschereit et al. Flow-acoustic interactions as a driving mechanism for thermoacoustic instabilities
Chen et al. Experimental studies and modeling of acoustic instabilities in a gas turbine model combustor
Soundararajan et al. Effect of Different Fuels on Combustion Instabilities in an Annular Combustor
CN109339977A (en) Scramjet engine and active control method for stabilizing and self-sustaining knocking thereof
CN114008311B (en) Device and method for controlling an ignition device with a fuel feed prechamber in an internal combustion engine
JP3529924B2 (en) Combustor vibration suppression device
Caceres et al. New experimental setup for thermoacoustic instabilities investigation in two-phase flow swirled combustion

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150226

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160128

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170403

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee