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연소 진동의 피드백 제어(Feedback control of combustion oscillations)

전문가 제언: □ 초음속 비행기는 일반 비행일 때에 엔진만 켜는데 음속 이하의 속도이고 어떤 상황이 벌어지면 추가로 애프터버너(after burner)를 켜 순식간에 초음속으로 비행한다. 애프터버너를 켜면 속도는 증가하나 연료가 엄청나게 소모되기 때문에 고속성을 목적으로 설계되어 있는 로켓엔진은 제어가 어려우며 고체로켓은 한번 점화하면 연소종료 때까지 제어하기가 곤란하나 액체로켓은 추진제의 공급을 억제 또는 정지시켜 필요한 속도로 제어할 수 있다.

□ 비행기 애프터버너에서부터 로켓엔진(rocket engine)에 이르기까지 연소기의 불안정성이 발생하는 것은 낮은 NOx(nitrogen oxide)방출을 위해 예비 혼합된 연료를 사용하는 가스터빈(gas turbine)의 발생 주파수 및 압력과 대기 온도가 낮아짐에 따라 연소 진동의 크기가 증가한다. 희박한 예비 혼합 연소기에서는 연소튜닝이 적절히 이루어지지 않은 경우에 연소 불안정에 기인한 높은 연소 진동의 발생과 함께 NOx 배출량이 높아질 가능성이 있다.

□ 연소 진동은 가스터빈 연소기에만 한정된 것이 아니라 비행기 엔진의 애프터버너, 로켓모터(rocket motor), 전진압(ram압력)을 이용하여 압축된 공기 속에 연료를 분사하여 점화·연소시켜 속력을 얻는 제트엔진의 램제트(ramjet), 보일러(boiler), 화로(furnace) 등에서 발생된다. 연소 진동은 불안정한 열 방출과 음파 결합에 의해 발생되고 불안정한 연소는 결과적으로 음향원이 되고 연소기는 높게 공명하게 되는 경향이 있다. 연소 진동에 영향을 미치는 인자로서 버너노즐(burner nozzle)로 공급되는 연료 유량을 균등화하기 위한 연소튜닝과 연소모드 전환 시에 연료라인에 연료를 미리 공급하는 것이 화염 안정에 효과가 있다.

□ 능동 피드백 제어는 음파와 불안정 열 방출사이의 결합을 차단하고 작동기는 일부 시스템 인자를 변경하여 측정 신호에 응답하는 것의 목적은 불안정한 열 방출과 음파가 각각 상호 작용하여 감쇄를 유도하도록 제어기를 설계하는 것이다. 현재는 로버스트 제어(robust control)와 능동 제어와 같은 좀 더 시스템적인 접근이 시도되고 있다. Rijke형 예비 혼합 맥동 연소기는 연소 진동의 발생으로 연소가 맥동적으로 될 때에 연소실과 배기가스의 온도가 현저히 감소하는 것은 맥동에 의하여 유체가 교란됨으로 열전달율이 증가되기 때문이며 화염은 맥동에 의하여 그 길이가 짧아지고 화염 온도의 강하에 의하여 NOx의 배출이 현저히 감소한다.

저자: Dowling, AP; Morgans, AS
자료유형: 학술정보