KR101327440B1 - Method of analyzing combustion state - Google Patents

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윤영빈
김민기
윤지수
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서울대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for analyzing combustion state which analyzes combustion state in a combustion chamber by using a plurality of dynamic pressure measurement sensors measuring dynamic pressure at a plurality of spots of a combuster constituted by including the combustion chamber and a flame sensing sensor sensing flame in the combustion chamber. The plurality of dynamic pressure measurement sensors are installed at multiple spots of the combuster respectively, and the flame sensing sensor is installed at least one spot of the combustion chamber. The method for analyzing combustion state includes: (a) a combustion state measuring step of measuring dynamic pressure vibration and flame vibration of the combuster, by using the plurality of dynamic pressure measuring sensors and the flame sensing sensor; (b) a combustion stability judgment step of judging combustion instability by using the dynamic pressure vibration and the flame vibration measured in (a) step; and (c) a combustion instability mode determining step of determining combustion instability mode by comparing the amplitude of an acoustic resonance wave calculated according to the geometric shape of the combuster with the amplitude of the dynamic pressure vibration at the plurality of spots of the combuster measured in (a) step, if the combustion instability state is judged in (b) step. According to the present invention, it is easy to judge combustion instability in real-time and to grasp combustion instability reason easily, and a combuster operating more stably can be developed by changing design specification of the combuster.

Description

연소 상태 분석 방법 {Method of analyzing combustion state}{Method of analyzing combustion state}

본 발명은 연소 상태 분석 방법에 관한 것으로서, 특히 실시간으로 연소 불안정 여부를 판단하고 연소 불안정 원인을 파악하기 용이한 연소 상태 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a combustion state analysis method, and more particularly, to a combustion state analysis method that is easy to determine whether combustion instability in real time and to determine the cause of the combustion instability.

본 발명은 교육과학기술부 및 서울대학교 산학협력단의 중견연구자지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제고유번호: 0498-20110009, 과제명: 석탄가스화 복합발전용 가스터빈 연소기의 연소불안정 및 배기배출물 특성에 대한 실험적 연구]The present invention is derived from the research conducted as part of the support project for middle researchers of the Ministry of Education, Science and Technology and Seoul National University Industry-Academic Cooperation Group. [Project No. 0404-20110009, Title: Experimental Study on Combustion Instability and Exhaust Emission Characteristics of Gas Turbine Combustor for Coal Gasification Combined Cycle]

일반적으로, 연소기관은 연소불안정(combustion unstability) 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 unstability 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, 연소실(combustion chamber) 내에서 발생하는 열방출진동(heat release fluctuation)과 압력진동(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.

즉, 비정상적인 열방출파의 국소적인 변화가, 연소실의 음향파와 서로 상호작용함으로써, 특정 주파수의 압력진동이 발생하게 된다. 이러한 압력진동은 연료/공기 혼합부의 압력진동을 발생시키게 되고, 이러한 연료/공기 혼합부의 압력진동이 다시 연소시 발생하는 열방출파의 진동을 만들어 연소 불안정 현상으로 발전하게 된다. That is, the local change of the abnormal heat emission wave interacts with the acoustic wave of the combustion chamber, so that pressure vibration of a specific frequency occurs. The pressure vibration generates pressure vibrations of the fuel / air mixture, and the pressure vibrations of the fuel / air mixture produce vibrations of heat emission waves generated during combustion, and thus develop into combustion instability.

이때, 이러한 연소불안정 현상은 소위 레일리 기준(Rayleigh criterion)으로 판단하게 되는데, 원칙적으로 상기 열방출진동파와 압력진동파의 위상차가 90°이내이면 연소불안정이 발생하며, 상기 열방출진동파와 압력진동파의 위상차가 180°에 가깝게 되면 두 개의 진동파가 서로 상쇄되기 때문에 불안정이 발생되지 않는다고 알려져 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 연소실 내에서 발생하는 열방출진동(heat release fluctuation)과 압력진동(pressure fluctuation)이 서로 같은 위상으로(in phase) 연동(coupling)되어 증폭되는 경우에는 연소가 불안정(unstable)한 상태가 되며, 상기 열방출진동과 압력진동이 서로 다른 위상으로(out of phase)되어 연동되어 감쇠되는 경우에는 연소가 안정(Stable)한 상태가 된다.At this time, the combustion instability is determined by the so-called Rayleigh criterion. In principle, combustion instability occurs when the phase difference between the heat emission vibration wave and the pressure vibration wave is within 90 °, and the heat emission vibration wave and the pressure vibration wave It is known that when the phase difference of is close to 180 °, instability does not occur because the two oscillating waves cancel each other out. For example, as shown in FIG. 1, when the heat release fluctuation and the pressure fluctuation generated in the combustion chamber are amplified by being in phase with each other, the combustion is amplified. When the heat emission vibration and the pressure vibration are interlocked out of phase and attenuated, the combustion is stable.

따라서, 연소실 내의 연소 상태를 정확하게 판단하는 것은, 이러한 연소불안정 상태를 예방하고 제어하기 위하여 선행되어야 할 중요한 사항이며, 본 발명은 이러한 연소 상태를 판단하는 방법에 관한 것이다.Therefore, accurately determining the combustion state in the combustion chamber is an important matter to be preceded in order to prevent and control such a combustion instability state, and the present invention relates to a method of determining such a combustion state.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 실시간으로 연소 불안정 여부를 판단하고 연소 불안정 원인을 파악하기 용이하도록 개선된 연소 상태 분석 방법을 제공하기 위함이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide an improved combustion state analysis method for determining whether combustion instability in real time and to determine the cause of combustion instability.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연소 상태 분석 방법은, 연소실을 포함하여 구성되는 연소기의 복수 지점에서의 동압을 측정하는 복수 개의 동압 측정 센서와, 상기 연소실 내의 화염을 감지하는 화염 감지 센서를 이용하여 상기 연소실 내의 연소 상태를 분석하는 연소 상태 분석 방법으로서, 상기 복수개의 동압 측정 센서는 상기 연소기의 복수 지점에 각각 설치되고, 상기 화염 감지 센서는 상기 연소실의 적어도 하나의 지점에 설치되어 있고, 상기 연소 상태 분석 방법은, (a) 상기 복수 개의 동압 측정 센서와 화염 감지 센서를 이용하여, 상기 연소기의 동압진동 및 화염진동을 측정하는 연소 상태 측정 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 측정된 동압진동 및 화염진동을 이용하여 연소 불안정 여부를 판단하는 연소 안정성 판단 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 연소 불안정 상태로 판단되면, 상기 연소기의 기하학적 형상에 따라 계산된 음향학적 공진파의 진폭과, 상기 (a) 단계에서 측정된 상기 연소기의 복수 지점에서의 동압진동의 진폭을, 서로 비교하여 연소 불안정 모드를 결정하는 연소 불안정 모드 결정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a combustion state analysis method according to the present invention includes a plurality of dynamic pressure measurement sensors for measuring dynamic pressure at a plurality of points of a combustor including a combustion chamber, and a flame detection sensor for detecting a flame in the combustion chamber. A combustion state analysis method for analyzing a combustion state in the combustion chamber by using the plurality of dynamic pressure measuring sensors are respectively provided at a plurality of points of the combustor, the flame detection sensor is provided at at least one point of the combustion chamber, The combustion state analysis method may include: (a) a combustion state measuring step of measuring dynamic pressure vibration and flame vibration of the combustor by using the plurality of dynamic pressure sensors and flame detection sensors; (b) a combustion stability determination step of determining whether combustion is unstable using dynamic pressure vibration and flame vibration measured in step (a); (c) If it is determined that the combustion instability in step (b), the amplitude of the acoustic resonance wave calculated according to the geometry of the combustor, and dynamic pressure vibration at multiple points of the combustor measured in step (a) The combustion instability mode determining step of determining the combustion instability mode by comparing the amplitude of each other, characterized in that it comprises a.

여기서, 상기 (b) 단계는, 상기 화염 감지 센서에 인접하도록 배치된 상기 동압 측정 센서들 중에서, 최대 진폭의 동압을 측정한 최대 진폭 동압 측정 센서를 선택하는 최대 진폭 동압 측정 센서 선택 단계; 상기 최대 진폭 동압 측정 센서가 측정한 동압진동과, 상기 화염 감지 센서가 측정한 화염진동을 시간 영역에서 함께 도시하는 연소 상태 도시 단계; 상기 연소 상태 도시 단계에서 도시된 동압진동과 화염진동 간의 위상차를 계산하는 위상차 계산 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The step (b) may include selecting a maximum amplitude dynamic pressure measurement sensor for selecting a maximum amplitude dynamic pressure measurement sensor that measures the dynamic pressure of the maximum amplitude among the dynamic pressure measurement sensors disposed to be adjacent to the flame detection sensor; A combustion state showing step of simultaneously showing dynamic pressure vibration measured by the maximum amplitude dynamic pressure measurement sensor and flame vibration measured by the flame detection sensor in a time domain; And a phase difference calculation step of calculating a phase difference between the dynamic pressure vibration and the flame vibration shown in the combustion state drawing step.

여기서, 상기 (c) 단계에서는, 상기 음향학적 공진파가 1차원 음향이론에 의하여 계산되는 것이 바람직하다.In the step (c), it is preferable that the acoustic resonance wave is calculated by one-dimensional acoustic theory.

여기서, 상기 (a), (b), (c) 단계들은 실시간으로 수행되는 것이 바람직하다.Here, the steps (a), (b) and (c) are preferably performed in real time.

여기서, 상기 (c) 단계에서는, 상기 (a) 단계에서 측정된 상기 연소기의 복수 지점에서의 동압진동의 진폭과 위상을 함께 고려하여 연소 불안정 모드를 결정하는 것이 바람직하다.Here, in the step (c), it is preferable to determine the combustion instability mode in consideration of the amplitude and phase of the dynamic pressure vibration at the plurality of points of the combustor measured in the step (a).

본 발명에 따르면, 복수 개의 동압 측정 센서와 화염 감지 센서를 이용하여 연소기의 동압진동 및 화염진동을 측정하는 연소 상태 측정 단계와, 상기 연소 상태 측정 단계에서 측정된 동압진동 및 화염진동을 이용하여 연소 불안정 여부를 판단하는 연소 안정성 판단 단계와, 상기 연소기의 기하학적 형상에 따라 계산된 음향학적 공진파의 진폭과, 상기 연소 상태 측정 단계에서 측정된 상기 연소기의 복수 지점에서의 동압진동의 진폭을, 서로 비교하여 연소 불안정 모드를 결정하는 연소 불안정 모드 결정 단계를 포함함으로써, 실시간으로 연소 불안정 여부를 판단하고 연소 불안정 원인을 파악하기 용이하다는 효과가 있다.According to the present invention, a combustion state measuring step of measuring dynamic pressure and flame vibration of a combustor using a plurality of dynamic pressure measuring sensors and a flame detecting sensor, and combustion using dynamic pressure vibration and flame vibration measured in the combustion state measuring step The combustion stability determination step of determining whether the instability, the amplitude of the acoustic resonance wave calculated according to the geometry of the combustor, and the amplitude of the dynamic pressure vibration at the plurality of points of the combustor measured in the combustion state measurement step, Comparing with the combustion instability mode determining step for determining the combustion instability mode, there is an effect that it is easy to determine the combustion instability in real time and to determine the cause of the combustion instability.

도 1은 연소불안정 현상이 발생하게 되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 상태 분석 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 도 2에 설명된 연소 상태 분석 방법을 수행하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 연소 안정 상태에서, 동압진동 및 화염진동을 시간 영역에서 도시하는 도면이다.
도 5는 연소 불안정 상태에서, 동압진동 및 화염진동을 시간 영역에서 도시하는 도면이다.
도 6은 연소 안정 상태에서, 동압진동 및 화염진동의 진폭을 연소기 위치에 따라 도시하는 도면이다.
도 7은 연소 불안정 상태에서, 동압진동 및 화염진동의 진폭을 연소기 위치에 따라 도시하는 도면이다.
도 8은 1st 모드 연소 불안정 상태에서, 음향학적 공진파의 진폭과 동압진동의 진폭을 연소기 위치에 따라 함께 도시하는 도면이다.
도 9는 2nd 모드 연소 불안정 상태에서, 음향학적 공진파의 진폭과 동압진동의 진폭을 연소기 위치에 따라 함께 도시하는 도면이다.
도 10은 1st 모드 연소 불안정 상태에서, 음향학적 공진파의 진폭과 동압진동의 진폭과 위상을 연소기 위치에 따라 함께 도시하는 도면이다.1 is a view for explaining the principle that the combustion instability phenomenon occurs.
2 is a flowchart illustrating a combustion state analysis method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an apparatus for performing the combustion state analysis method described in FIG. 2.
4 is a diagram showing dynamic pressure and flame vibration in the time domain in a combustion stable state.
FIG. 5 is a diagram showing dynamic pressure and flame vibration in a time domain in a combustion instability state. FIG.
FIG. 6 is a diagram showing the amplitudes of dynamic pressure and flame vibration in accordance with the combustor position in the combustion stable state. FIG.
Fig. 7 is a diagram showing the amplitudes of dynamic pressure and flame vibration in accordance with the combustor position in a combustion instability state.
8 is a diagram showing the amplitude of the acoustic resonance wave and the amplitude of the dynamic pressure vibration in accordance with the combustor position in the 1st mode combustion instability state.
FIG. 9 is a diagram showing the amplitude of acoustic resonance waves and the amplitude of dynamic pressure vibration in accordance with the combustor position in a 2nd mode combustion instability state.
10 is a diagram showing the amplitude of the acoustic resonance wave and the amplitude and phase of the dynamic pressure vibration according to the combustor position in the 1st mode combustion instability state.

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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 상태 분석 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 3은 도 2에 설명된 연소 상태 분석 방법을 수행하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a combustion state analysis method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram illustrating an apparatus for performing the combustion state analysis method described in FIG. 2.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소 상태 분석 방법은, 연소실(10) 내의 연소 상태를 판단하는 방법으로서, 센서 설치 단계(S100)와, 연소 상태 측정 단계(S200)와, 연소 안정성 판단 단계(S300)와, 연소 불안정 모드 결정 단계(S400)를 포함하여 구성된다. 2 to 3, the combustion state analysis method according to a preferred embodiment of the present invention, a method for determining the combustion state in the combustion chamber 10, the sensor installation step (S100) and the combustion state measurement step (S200) ), A combustion stability determination step (S300), and a combustion instability mode determination step (S400).

먼저, 상기 연소 상태 분석 방법을 수행하기 위한 연소기(100)를 설명하기로 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연소기(100)는, 연소실(10)과, 전단 흡기부(20)와, 후단 배기부(30)를 포함하여 구성된다.First, the combustor 100 for performing the combustion state analysis method will be described. As shown in FIG. 3, the combustor 100 includes a combustion chamber 10, a front intake unit 20, and a rear end exhaust unit 30.

상기 연소실(10)은, 내부에서 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 연소되는 연소실(combustion chamber)로서, 일자형 파이프 형상을 가지며, 일단부에는 내부의 연소 상태를 관찰하기 위한 관찰창(11)이 결합되어 있다.The combustion chamber 10 is a combustion chamber in which a mixer in which air and fuel are mixed is combusted. The combustion chamber 10 has a straight pipe shape, and an observation window 11 for observing an internal combustion state is coupled to one end thereof. It is.

상기 관찰창(11)에는, 상기 연소실(10) 내의 화염을 감지하는 1개의 화염 감지 센서(FL)가 창착되어 있다.One flame detection sensor FL for detecting a flame in the combustion chamber 10 is mounted in the observation window 11.

상기 화염 감지 센서(FL)는, 상기 연소실(10) 내의 화염이 발하는 광량을 측정함으로써, 상기 연소실(10) 내의 화염이 방출하는 열방출진동(heat release fluctuation)을 실시간으로 측정할 수 있는 센서이다.The flame detection sensor FL is a sensor capable of measuring in real time the heat release fluctuation emitted by the flame in the combustion chamber 10 by measuring the amount of light emitted by the flame in the combustion chamber 10. .

상기 연소실(10)의 복수 지점에는, 내부의 동압(Dynamic Pressure)를 측정하기 위하여 6 개의 동압 측정 센서(DP6, DP7, DP8, DP9, DP10, DP11)가 장착되어 있다.Six dynamic pressure measuring sensors DP6, DP7, DP8, DP9, DP10, and DP11 are attached to the plurality of points of the combustion chamber 10 in order to measure internal dynamic pressure.

상기 전단 흡기부(20)는, 외부로부터 공기와 연료를 공급받아 상기 연소실(10)로 공급하는 부분으로서, 상기 연소실(10)의 일단부에 결합되어 상기 연소실(10)과 연통되어 있다.The shear intake unit 20 is a portion for receiving air and fuel from the outside and supplying the combustion chamber 10 to the combustion chamber 10, and is coupled to one end of the combustion chamber 10 to communicate with the combustion chamber 10.

상기 전단 흡기부(20)의 복수 지점에는, 내부의 동압(Dynamic Pressure)를 측정하기 위하여 5 개의 동압 측정 센서(DP1, DP2, DP3, DP4, DP5)가 장착되어 있다.Five dynamic pressure measurement sensors DP1, DP2, DP3, DP4, and DP5 are attached to the plurality of points of the front end intake unit 20 to measure internal dynamic pressure.

상기 11개의 동압 측정 센서(DP)들은, 실시간으로 상기 연소실(10) 및 전단 흡기부(20) 내의 압력진동(pressure fluctuation)을 측정할 수 있는 센서이다.The eleven dynamic pressure measuring sensors DP are sensors capable of measuring pressure fluctuations in the combustion chamber 10 and the front air intake 20 in real time.

상기 후단 배기부(30)는, 상기 연소실(10)에서 연소된 배기가스(exhaust gas)가 배출되는 부분으로서, 상기 연소실(10)의 타단부에 결합되어 상기 연소실(10)과 연통되어 있다.The rear end exhaust part 30 is a portion through which exhaust gas combusted in the combustion chamber 10 is discharged, and is coupled to the other end of the combustion chamber 10 to communicate with the combustion chamber 10.

이하에서는, 상술한 바와 같이 상기 연소기(100)를 이용하여, 상기 연소실(10)내에 발생한 화염의 연소 상태를 분석하는 방법의 일례를 설명하기로 한다.Hereinafter, an example of a method of analyzing the combustion state of the flame generated in the combustion chamber 10 by using the combustor 100 as described above will be described.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 동압 측정 센서(DP)들과 화염 감지 센서(FL)를 상기 연소실(10) 및 전단 흡기부(20)의 복수 지점에 설치한다. 여기서, 상기 연소실(10)과 상기 전단 흡기부(20)의 경계가 x = 0 mm 인 지점이 되며, 상기 연소실(10)의 우측 말단이 x = 1000 mm 인 지점이 되며, 상기 전단 흡기부(20)의 좌측 말단이 x = -470 mm 인 지점이 된다. (센서 설치 단계 S100)First, as shown in FIG. 3, the dynamic pressure measurement sensors DP and the flame detection sensor FL are installed at a plurality of points of the combustion chamber 10 and the shear intake unit 20. Here, the boundary between the combustion chamber 10 and the shear intake 20 is a point where x = 0 mm, the right end of the combustion chamber 10 is a point where x = 1000 mm, the shear intake ( The left end of 20) is the point where x = -470 mm. (Sensor installation step S100)

이렇게 상기 동압 측정 센서(DP)들과 화염 감지 센서(FL)을 설치 한 후, 상기 복수 개의 동압 측정 센서(DP)들과 화염 감지 센서(FL)를 이용하여, 상기 연소기(100)의 동압진동 및 화염진동을 동시에 실시간으로 측정하고, 측정 기록을 컴퓨터(미도시)에 기록해 둔다. (연소 상태 측정 단계 S200)After installing the dynamic pressure measuring sensors DP and the flame detection sensor FL, the dynamic pressure vibration of the combustor 100 is performed using the plurality of dynamic pressure measuring sensors DP and the flame detection sensor FL. And flame vibration are simultaneously measured in real time, and the measurement record is recorded in a computer (not shown). (Burn state measurement step S200)

이어서, 상기 연소 상태 측정 단계(S200)에서 측정된 동압진동 및 화염진동을 이용하여 연소 불안정 여부를 판단하는 연소 안정성 판단 단계(S300)가 수행되는데, 본 실시예에서, 상기 연소 안정성 판단 단계(S300)는, 레일리 기준(Rayleigh criterion)을 이용하며, 최대 진폭 동압 측정 센서 선택 단계(S310)와, 연소 상태 도시 단계(S320)와, 위상차 계산 단계(S330)를 포함한다.Subsequently, a combustion stability determination step (S300) of determining whether combustion is unstable using dynamic pressure vibration and flame vibration measured in the combustion state measurement step (S200) is performed. In this embodiment, the combustion stability determination step (S300) is performed. ) Uses a Rayleigh criterion, and includes a maximum amplitude dynamic pressure sensor selection step S310, a combustion state drawing step S320, and a phase difference calculation step S330.

상기 최대 진폭 동압 측정 센서 선택 단계(S310)는, 상기 화염 감지 센서(FL)에 인접하도록 배치된 상기 동압 측정 센서(DP5, DP6)들 중에서, 최대 진폭의 동압을 측정한 최대 진폭 동압 측정 센서를 선택하는 단계로서, 본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 5번째 동압 측정 센서(DP5)가 최대 진폭을 나타내고 있으므로, 5번째 동압 측정 센서(DP5)가 최대 진폭 동압 측정 센서가 선택된다. In the selecting of the maximum amplitude dynamic pressure measuring sensor (S310), among the dynamic pressure measuring sensors DP5 and DP6 arranged to be adjacent to the flame detection sensor FL, the maximum amplitude dynamic pressure measuring sensor having measured the maximum pressure dynamic pressure is measured. As the step of selecting, since the fifth dynamic pressure measurement sensor DP5 shows the maximum amplitude as shown in FIG. 4, the fifth amplitude dynamic pressure measurement sensor DP5 is selected as the maximum amplitude dynamic pressure measurement sensor.

이어서, 상기 연소 상태 도시 단계(S320)가 수행되는데, 상기 연소 상태 도시 단계(S320)는, 상기 5번째 동압 측정 센서(DP5)가 측정한 동압진동과 상기 화염 감지 센서(FL)가 측정한 화염진동을 시간 영역에서 함께 도시하는 단계로서, 이 단계를 수행하면 도 4 또는 도 5와 같은 그래프가 도시된다. Subsequently, the combustion state diagram step S320 is performed, and the combustion state diagram step S320 includes dynamic pressure vibration measured by the fifth dynamic pressure sensor DP5 and flame measured by the flame detection sensor FL. This is a step of showing the vibrations together in the time domain, and performing this step results in a graph as shown in FIG. 4 or 5.

이어서, 상기 위상차 계산 단계(S330)가 수행되는데, 상기 위상차 계산 단계(S330)는, 상기 연소 상태 도시 단계(S320)에서 도시된 동압진동과 화염진동 간의 위상차(φ)를 계산하는 단계이다.Subsequently, the phase difference calculation step S330 is performed, and the phase difference calculation step S330 is a step of calculating a phase difference φ between the dynamic pressure vibration and the flame vibration shown in the combustion state showing step S320.

이렇게 계산된 상기 열방출진동파와 압력진동파의 위상차(φ)가, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 180°에 가깝게 되면 두 개의 진동파가 서로 상쇄되기 때문에 안정한 상태가 되며, 상기 열방출진동파와 압력진동파의 위상차(φ)가, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이 90°이내이면 두 개의 진동파가 서로 상승작용을 일으켜 연소불안정이 발생하게 되므로, 상기 위상차(φ)로부터 상기 연소기(100)의 연소 불안정 여부를 판단한다. When the phase difference φ of the heat emission vibration wave and the pressure vibration wave calculated in this way is close to 180 ° as shown in FIGS. 4 and 6, the two oscillation waves cancel each other and thus become stable. When the phase difference φ of the vibration wave and the pressure vibration wave is within 90 ° as shown in Figs. 5 and 7, the two vibration waves synergize with each other, causing combustion instability. The combustion instability of the combustor 100 is determined.

여기서, 도 6 및 도 7은 동압진동 및 화염진동의 진폭을 상기 연소기(100)의 수평방향 위치(x)에 따라 도시한 도면인데, 도 6에서는 상기 동압 측정 센서(DP5)의 진폭 값과 상기 화염 감지 센서(FL)의 진폭 값이 서로 많이 이격되어 큰 위상차(φ)가 존재하는 것을 알 수 있고, 도 7에서는 상기 동압 측정 센서(DP5)의 진폭 값과 상기 화염 감지 센서(FL)의 진폭 값이 서로 인접한 값을 가져 작은 위상차(φ)가 존재하는 것을 알 수 있다. (연소 안정성 판단 단계 S300)6 and 7 illustrate amplitudes of dynamic pressure vibration and flame vibration according to the horizontal position x of the combustor 100. In FIG. 6, amplitude values of the dynamic pressure measuring sensor DP5 and It can be seen that a large phase difference φ exists because the amplitude values of the flame detection sensor FL are spaced apart from each other. In FIG. 7, the amplitude value of the dynamic pressure measurement sensor DP5 and the amplitude of the flame detection sensor FL are shown. It can be seen that a small phase difference φ exists because the values have values adjacent to each other. (Combustion stability judgment step S300)

마지막으로, 상기 연소 안정성 판단 단계(S300) 단계에서 연소 불안정 상태로 판단되면, 상기 연소기(100)의 기하학적 형상에 따라 계산된 음향학적 공진파(AC)의 진폭과, 상기 연소 상태 측정 단계(S200) 단계에서 측정된 상기 연소기(100)의 복수 지점에서의 동압진동의 진폭을, 도 8 또는 도 9에 도시된 바와 같이 함께 도시하고, 상기 동압 측정 센서(DP)가 측정한 동압진동이 상기 음향학적 공진파(AC)의 진동을 얼마나 잘 추종하지는 판단함으로써, 연소 불안정 모드를 결정하게 된다.Finally, when it is determined that the combustion instability state in the combustion stability determination step (S300), the amplitude of the acoustic resonance wave (AC) calculated according to the geometry of the combustor 100, and the combustion state measurement step (S200) The amplitude of dynamic pressure vibration at multiple points of the combustor 100 measured at step) is shown together as shown in FIG. 8 or 9, and the dynamic pressure vibration measured by the dynamic pressure measurement sensor DP is the sound. By determining how well the vibration of the mechanical resonance wave AC is followed, the combustion instability mode is determined.

여기서, 상기 음향학적 공진파(AC)는 1차원 음향이론에 의하여 계산되는데, 본 실시예에서는 아래의 식이 사용되고 있다.Here, the acoustic resonance wave AC is calculated by one-dimensional acoustic theory. In the present embodiment, the following equation is used.

(1) 상기 연소실(10) 부분의 음향학적 공진파(AC) 계산 공식 (1) Acoustic resonance wave (AC) calculation formula of the combustion chamber 10 part

Figure 112012074277947-pat00001
Figure 112012074277947-pat00001

여기서, x는 상기 동압 측정 센서(DP)가 부착된 위치로서, 0 mm 내지 1000 mm의 값을 가지며, A5 는 5번째의 동압 측정 센서(DP5)가 측정한 동압진동의 진폭이며, XD5는 5번째의 동압 측정 센서(DP5)의 부착 위치이며, L1은 상기 연소실(10)의 길이로서 1000mm 이며, λ는 상기 음향학적 공진파(AC)의 파장이다.Here, x is a position where the dynamic pressure sensor DP is attached, and has a value of 0 mm to 1000 mm, A 5 is the amplitude of dynamic pressure vibration measured by the fifth dynamic pressure sensor DP5, and X D5. Is the attachment position of the fifth dynamic pressure measuring sensor DP5, L1 is 1000 mm as the length of the combustion chamber 10, and λ is the wavelength of the acoustic resonance wave AC.

(2) 상기 전단 흡기부(20) 부분의 음향학적 공진파(AC) 계산 공식(2) Acoustic resonance wave (AC) calculation formula of the front end intake section 20

Figure 112012074277947-pat00002
Figure 112012074277947-pat00002

여기서, x는 상기 동압 측정 센서(DP)가 부착된 위치로서,-470 mm 내지 0 mm의 값을 가지며, A4 는 4번째의 동압 측정 센서(DP4)가 측정한 동압진동의 진폭이며, XD4는 4번째의 동압 측정 센서(DP4)의 부착 위치이며, L2는 상기 전단 흡기부(20)의 길이로서 470mm 이며, λ는 상기 음향학적 공진파(AC)의 파장이다.Here, x is a position where the dynamic pressure sensor DP is attached, has a value of -470 mm to 0 mm, A 4 is the amplitude of dynamic pressure vibration measured by the fourth dynamic pressure sensor DP4, and X D4 is an attachment position of the fourth dynamic pressure measuring sensor DP4, L2 is 470 mm as the length of the front end intake section 20, and λ is the wavelength of the acoustic resonance wave AC.

따라서, 상기 음향학적 공진파(AC) 계산 공식을 이용하여 상기 연소기(100)의 수평방향 위치(x)에 따라, 상기 음향학적 공진파(AC)의 진폭 곡선과 상기 동압 측정 센서(DP)이 측정한 동압진동의 진폭 곡선을 함께 도시한 후, 상기 동압 측정 센서(DP)이 측정한 동압진동이 어떤 음향학적 공진파(AC)를 추종하는지를 판단하면 연소 불안정 모드를 결정할 수 있다.Therefore, according to the horizontal position (x) of the combustor 100 using the acoustic resonance wave (AC) calculation formula, the amplitude curve of the acoustic resonance wave (AC) and the dynamic pressure measuring sensor (DP) After the amplitude curves of the measured dynamic pressure vibrations are shown together, a combustion instability mode may be determined by determining which acoustic resonance wave AC the dynamic pressure vibration measured by the dynamic pressure sensor DP follows.

즉, 상기 동압 측정 센서(DP)이 측정한 동압진동이, 도 8에 도시된 바와 같이 1st 모드(1st Longitudinal mode)의 음향학적 공진파(AC) 진폭 곡선을 추종한다면, 연소 불안정 모드가 1st 모드임을 알 수 있고, 만약 상기 동압 측정 센서(DP)이 측정한 동압진동이, 도 9에 도시된 바와 같이 2nd 모드(2nd Longitudinal mode)의 음향학적 공진파(AC) 진폭 곡선을 추종한다면, 연소 불안정 모드가 2nd 모드임을 알 수 있게 된다. That is, if the dynamic pressure vibration measured by the dynamic pressure sensor DP follows the acoustic resonance wave AC curve of the 1st longitudinal mode as shown in FIG. 8, the combustion instability mode is the 1st mode. If the dynamic pressure vibration measured by the dynamic pressure sensor DP follows the acoustic resonance wave AC curve of the 2nd longitudinal mode, as shown in FIG. Notice that the mode is 2nd mode.

한편, 본 실시예에서는, 이러한 연소 불안정 모드 결정 과정에서, 도 8 또는 도 9에 도시된 상기 동압 측정 센서(DP)이 측정한 동압진동의 진폭 곡선이 신뢰할 수 있는 측정값인지를 판단하기 위하여, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 동압 측정 센서(DP)이 측정한 동압진동의 위상값(PD)을 추가로 고려하고 있다. In the present embodiment, in order to determine whether the amplitude curve of dynamic pressure vibration measured by the dynamic pressure sensor DP shown in FIG. 8 or 9 is a reliable measurement value in the process of determining the combustion instability mode, As shown in FIG. 10, the phase value PD of dynamic pressure vibration measured by the dynamic pressure sensor DP is further considered.

즉, 도 10에서 알 수 있듯이, 상기 1번째 동압 측정 센서(DP1)의 위상과 5번째 동압 측정 센서(DP5)의 위상이 대략 180°의 차이를 보이고, 상기 7번째 동압 측정 센서(DP7)의 위상과 11번째 동압 측정 센서(DP11)의 위상이 대략 180°의 차이를 보이는 바, 도 8에 도시된 상기 동압 측정 센서(DP)이 측정한 동압진동의 진폭 곡선이 신뢰할 수 있는 측정값이란 걸 알 수 있다. (연소 불안정 모드 결정 단계 S400)That is, as can be seen in Figure 10, the phase of the first dynamic pressure measurement sensor DP1 and the phase of the fifth dynamic pressure measurement sensor DP5 show a difference of approximately 180 °, and the seventh dynamic pressure measurement sensor DP7 The phase and the phase of the eleventh dynamic pressure measuring sensor DP11 show a difference of approximately 180 °, indicating that the amplitude curve of the dynamic pressure vibration measured by the dynamic pressure measuring sensor DP shown in FIG. 8 is a reliable measurement value. Able to know. (Combustion Instability Mode Determination Step S400)

본 실시예에서는, 상기 연소 상태 측정 단계(S200)와 연소 안정성 판단 단계(S300) 및 연소 불안정 모드 결정 단계(S400)가, 실시간으로 수행되고 있다.In the present embodiment, the combustion state measurement step S200, the combustion stability determination step S300, and the combustion instability mode determination step S400 are performed in real time.

상술한 연소 상태 분석 방법은, 상기 복수 개의 동압 측정 센서(DP)와 화염 감지 센서(FL)를 이용하여, 상기 연소기(100)의 동압진동 및 화염진동을 동시에 측정하는 연소 상태 측정 단계(S200)와, 상기 연소 상태 측정 단계(S200)에서 측정된 동압진동 및 화염진동을 이용하여 연소 불안정 여부를 판단하는 연소 안정성 판단 단계(S300)를 포함하고 있으므로, 소위 레일리 기준(Rayleigh criterion)을 사용하여 실시간으로 연소 불안정 여부를 판단할 수 있는 장점이 있다.In the combustion state analysis method described above, a combustion state measurement step of simultaneously measuring dynamic pressure vibration and flame vibration of the combustor 100 using the plurality of dynamic pressure measurement sensors DP and flame detection sensors FL (S200). And, since the combustion stability measurement step (S300) for determining whether the combustion instability using the dynamic pressure and flame vibration measured in the combustion state measurement step (S200), so-called Rayleigh criterion in real time There is an advantage that can determine whether the combustion instability.

그리고, 상기 연소 상태 분석 방법은, 상기 연소 안정성 판단 단계(S300)에서 연소 불안정 상태로 판단되면, 상기 연소기(100)의 기하학적 형상에 따라 계산된 음향학적 공진파(AC)의 진폭과, 상기 연소 상태 측정 단계(S200)에서 측정된 상기 연소기(100)의 복수 지점에서의 동압진동의 진폭을, 서로 비교하여 연소 불안정 모드를 결정하는 연소 불안정 모드 결정 단계(S400)를 포함하고 있으므로, 단순히 연소 불안정 여부를 판단함에 그치지 않고, 실시간으로 연소 불안정 원인을 파악할 수 있는 장점이 있다.In addition, the combustion state analysis method, when it is determined that the combustion instability in the combustion stability determination step (S300), the amplitude of the acoustic resonance wave (AC) calculated according to the geometry of the combustor 100, and the combustion Since it comprises a combustion instability mode determining step (S400) for determining the combustion instability mode by comparing the amplitude of the dynamic pressure vibration at a plurality of points of the combustor 100 measured in the state measurement step (S200), simply combustion instability In addition to determining whether or not, there is an advantage that can determine the cause of the combustion instability in real time.

따라서, 상기 연소기(100)의 연소 불안정 원인, 즉 연소 불안정 모드를 파악하게 되면, 상기 연소실(10)의 형상, 상기 전단 흡기부(20)의 형상, 연료 분사 위치 등의 설계 사항을 변경하여 더욱 안정적으로 작동하는 연소기(100)를 개발하고, 상기 연소기(100)가 최적의 상태를 유지할 수 있도록 정비하는 것이 용이해진다는 장점이 있으며, 운전자가 연료와 공기의 혼합비율을 실시간으로 조절하거나 연료와 공기가 혼합된 혼합기의 분사량을 실시간으로 조절하여 운전 환경을 변경함으로써, 실시간으로 연소 불안정 상태를 연소 안정 상태로 전환시킬 수 있는 장점도 있다.Therefore, when the cause of the combustion instability of the combustor 100, that is, the combustion instability mode is identified, the design matters such as the shape of the combustion chamber 10, the shape of the shear intake unit 20, the fuel injection position, and the like are further changed. It is advantageous to develop a combustor 100 that operates stably and to maintain the combustor 100 to maintain an optimal state, and the driver may adjust the mixing ratio of fuel and air in real time or By changing the operating environment by adjusting the injection amount of the air-mixed mixer in real time, there is an advantage that can be converted into a combustion stable state in a combustion instability state in real time.

그리고, 상기 연소 상태 분석 방법은, 상기 연소 불안정 모드 결정 단계(S400)에서 상기 음향학적 공진파(AC)가 1차원 음향이론에 의하여 계산되므로, 상기 음향학적 공진파(AC)를 신속하게 계산할 수 있으므로, 실시간으로 연소 불안정 모드를 결정할 수 있는 장점이 있다.In the combustion state analysis method, since the acoustic resonance wave AC is calculated by the one-dimensional acoustic theory in the combustion instability mode determination step S400, the acoustic resonance wave AC can be quickly calculated. Therefore, there is an advantage that can determine the combustion instability mode in real time.

또한, 상기 연소 상태 분석 방법은, 상기 연소 불안정 모드 결정 단계(S400)에서, 상기 연소 상태 측정 단계(S200)에서 측정된 상기 연소기(100)의 복수 지점에서의 동압진동의 진폭과 위상을 함께 고려하여 연소 불안정 모드를 결정하고 있으므로, 상기 동압진동의 진폭만을 고려할 때와 비교하여, 더욱 신뢰도 높은 연소 불안정 모드의 결정이 가능하다는 장점이 있다. In addition, the combustion state analysis method, in the combustion instability mode determination step (S400), considering the amplitude and phase of the dynamic pressure vibration at a plurality of points of the combustor 100 measured in the combustion state measurement step (S200) together. Therefore, since the combustion instability mode is determined, there is an advantage that a more reliable combustion instability mode can be determined as compared with only considering the amplitude of dynamic pressure vibration.

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 : 연소기 10 : 연소실
11 : 관찰창 20 : 전단 흡기부
30 : 후단 배기부 DP : 동압 측정 센서
FL : 화염 감지 센서 AC : 음향학적 공진파[Description of Reference Numerals]
100: combustor 10: combustion chamber
11: observation window 20: shear intake
30: exhaust stage DP: dynamic pressure sensor
FL: Flame Detection Sensor AC: Acoustic Resonance Wave

Claims (5)

연소실을 포함하여 구성되는 연소기의 복수 지점에서의 동압을 측정하는 복수 개의 동압 측정 센서와, 상기 연소실 내의 화염을 감지하는 화염 감지 센서를 이용하여 상기 연소실 내의 연소 상태를 분석하는 연소 상태 분석 방법으로서,
상기 복수개의 동압 측정 센서는 상기 연소기의 복수 지점에 각각 설치되고, 상기 화염 감지 센서는 상기 연소실의 적어도 하나의 지점에 설치되어 있고,
상기 연소 상태 분석 방법은,
(a) 상기 복수 개의 동압 측정 센서와 화염 감지 센서를 이용하여, 상기 연소기의 동압진동 및 화염진동을 측정하는 연소 상태 측정 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 측정된 동압진동 및 화염진동을 이용하여 연소 불안정 여부를 판단하는 연소 안정성 판단 단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 연소 불안정 상태로 판단되면, 상기 연소기의 기하학적 형상에 따라 계산된 음향학적 공진파의 진폭과, 상기 (a) 단계에서 측정된 상기 연소기의 복수 지점에서의 동압진동의 진폭을, 서로 비교하여 연소 불안정 모드를 결정하는 연소 불안정 모드 결정 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 상태 분석 방법.A combustion state analysis method for analyzing a combustion state in a combustion chamber by using a plurality of dynamic pressure measurement sensors for measuring dynamic pressure at a plurality of points of a combustor including a combustion chamber and a flame detection sensor for detecting a flame in the combustion chamber,
The plurality of dynamic pressure measuring sensors are respectively provided at a plurality of points of the combustor, the flame detection sensor is provided at at least one point of the combustion chamber,
The combustion state analysis method,
(a) a combustion state measuring step of measuring dynamic pressure vibration and flame vibration of the combustor using the plurality of dynamic pressure measuring sensors and the flame detecting sensor;
(b) a combustion stability determination step of determining whether combustion is unstable using dynamic pressure vibration and flame vibration measured in step (a);
(c) If it is determined that the combustion instability in step (b), the amplitude of the acoustic resonance wave calculated according to the geometry of the combustor, and dynamic pressure vibration at multiple points of the combustor measured in step (a) A combustion instability mode determining step of comparing the amplitudes of each other to determine a combustion instability mode;
Combustion state analysis method comprising a. 제 1항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 화염 감지 센서에 인접하도록 배치된 상기 동압 측정 센서들 중에서, 최대 진폭의 동압을 측정한 최대 진폭 동압 측정 센서를 선택하는 최대 진폭 동압 측정 센서 선택 단계;
상기 최대 진폭 동압 측정 센서가 측정한 동압진동과, 상기 화염 감지 센서가 측정한 화염진동을 시간 영역에서 함께 도시하는 연소 상태 도시 단계;
상기 연소 상태 도시 단계에서 도시된 동압진동과 화염진동 간의 위상차를 계산하는 위상차 계산 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 상태 분석 방법.The method of claim 1,
The step (b)
A maximum amplitude dynamic pressure sensor selection step of selecting a maximum amplitude dynamic pressure measurement sensor measuring dynamic pressure of maximum amplitude among the dynamic pressure measurement sensors arranged to be adjacent to the flame detection sensor;
A combustion state showing step of simultaneously showing dynamic pressure vibration measured by the maximum amplitude dynamic pressure measurement sensor and flame vibration measured by the flame detection sensor in a time domain;
A phase difference calculation step of calculating a phase difference between the dynamic pressure vibration and the flame vibration shown in the combustion state drawing step;
Combustion state analysis method comprising a. 제 1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서는,
상기 음향학적 공진파가 1차원 음향이론에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 연소 상태 분석 방법.The method of claim 1,
In the step (c),
Combustion state analysis method characterized in that the acoustic resonance wave is calculated by the one-dimensional acoustic theory. 제 1항에 있어서,
상기 (a), (b), (c) 단계들은 실시간으로 수행되는 것을 특징으로 하는 연소 상태 분석 방법.The method of claim 1,
(A), (b) and (c) are combustion state analysis method, characterized in that performed in real time. 제 1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서는, 상기 (a) 단계에서 측정된 상기 연소기의 복수 지점에서의 동압진동의 진폭과 위상을 함께 고려하여 연소 불안정 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 연소 상태 분석 방법.The method of claim 1,
In the step (c), the combustion instability mode characterized in that the combustion instability mode is determined in consideration of the amplitude and phase of the dynamic pressure vibration at the plurality of points of the combustor measured in the step (a).
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