Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt vòng đơn - Đại học Cincinnati

Khám phá động lực học khí động học và khí thải qua điều tra thực nghiệm. Phân tích chi tiết hiệu suất và tác động môi trường.

Trường ĐH

University of Cincinnati

Chuyên ngành

Aerospace Engineering

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

191

Thời gian đọc

29 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tóm tắt của tác giả

Trích nguyên văn từ luận án

The present work investigates the aerodynamics, dynamics and emissions of a Single Cup Combustor Sector. The Combustor resembles a real Gas Turbine Combustor with primary, secondary and dilution zones (also known as fuel rich dome combustor). The research is initiated by studying the effect of the combustor front end geometry on the flow field. Two different exit configurations (one causes a sudden expansion to the swirling flow while the other causes a gradual expansion), installed in a dump combustor, are tested using LDV. The results reveal that the expanding surface reduces the turbulence activities, eliminates the corner recirculation zone and increases the length of the CRZ appreciably. An asymmetry in the flow field is observed due to the asymmetry of the expanding surface. To study the effect of chamber geometry on the flow field, the dome configuration is tested in the combustor sector with the primary dilution jets blocked. The size of the CRZ is reduced significantly (40 % reduction in the height). With active primary jets, the CRZ is reconstructed in 3D by conducting several PIV measurements off-center. The confinement appears to significantly influence the shape of the CRZ such that the area ratio is similar for both the confinement and the CRZ (approximately 85%). The primary jets considerably contribute to the heat release process at high power conditions. Also, the primary jets drastically impact the flow field structure. Therefore, the parameters influencing the primary jets are studied using PIV (pressure drop, jets size, off- centering, interaction with convective cooling air, jet blockage and fuel injection). This study is referred to as a jet sensitivity study. The results indicate that the primary jets can be used effectively in controlling the flow field structure. A pressure drop of 4.6% result in ii similar flows with no noticeable effect on the

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Nghiên cứu thực nghiệm khí động học buồng đốt lò đốt
Số trang:
191 trang
Trường:
University of Cincinnati
Chuyên ngành:
Aerospace Engineering
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Nghiên cứu thực nghiệm khí động học buồng đốt lò đốt

Nghiên cứu khí động học buồng đốt đóng vai trò cốt lõi trong tối ưu hóa hiệu suất lò đốt công nghiệp. Phương pháp thực nghiệm cung cấp bức tranh chi tiết về cấu trúc dòng chảy bên trong buồng cháy. Mô hình thực nghiệm buồng đốt dạng vòng đơn mô phỏng chính xác ba vùng phản ứng chính gồm sơ cấp, thứ cấp và pha loãng. Việc thay đổi hình học vòm đốt tạo ra những biến đổi sâu sắc trong trường khí động. Cấu hình mở rộng dần giúp hạn chế tối đa các dao động hỗn loạn không mong muốn. Dạng hình học này triệt tiêu hoàn toàn vùng tuần hoàn góc vốn gây tổn thất động năng dòng chảy. Chiều dài vùng tuần hoàn trung tâm tăng lên đáng kể, hỗ trợ duy trì ngọn lửa liên tục. Các kết quả đo đạc thực nghiệm thiết lập nền tảng khoa học vững chắc cho việc thiết kế buồng đốt thế hệ mới. Toàn bộ dữ liệu khí động học thu được cho phép nâng cao hiệu suất cháy tổng thể. Các kỹ sư có thể dự đoán chính xác ứng xử của dòng khí dưới nhiều điều kiện tải khác nhau.

1.1. Cấu trúc mô hình thực nghiệm buồng đốt dạng vòng đơn

Mô hình thực nghiệm buồng đốt dạng vòng đơn được thiết kế với cấu tạo hình học tương đồng động cơ tuabin khí thực tế. Buồng đốt tích hợp hệ thống tạo xoáy đầu vào nhằm tăng cường khả năng hòa trộn nhiên liệu với dòng khí nén. Thiết kế phân chia ba vùng chức năng gồm vùng sơ cấp duy trì phản ứng cháy, vùng thứ cấp bổ sung oxy và vùng pha loãng làm mát dòng khí thoát. Các lỗ phun tia khí sơ cấp bố trí đối xứng trên thành buồng đốt nhằm tạo ra trường dòng chảy ổn định. Khi chặn các tia khí sơ cấp, kích thước vùng tuần hoàn trung tâm giảm tới 40% về chiều cao. Sự hiện diện của các tia khí sơ cấp kích hoạt khả năng điều khiển cấu trúc dòng xoáy theo ý muốn. Mô hình cho phép khảo sát toàn diện sự biến thiên của dòng khí trước khi bước vào giai đoạn phản ứng hóa học phức tạp.

1.2. Tác động của hình học vòm buồng đốt đến vùng tuần hoàn

Hình học lối ra của vòm buồng đốt ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái dòng xoáy. Hai cấu hình lối ra gồm mở rộng đột ngột và mở rộng dần được đưa vào thử nghiệm so sánh chi tiết. Bề mặt mở rộng dần làm suy giảm cường độ nhiễu loạn cục bộ tại khu vực lân cận vòm đốt. Cấu trúc này triệt tiêu hoàn toàn các vùng xoáy góc nhỏ không mong muốn. Chiều dài vùng tuần hoàn trung tâm được kéo dài dọc theo trục buồng đốt. Hiện tượng bất đối xứng của dòng khí phát sinh do đặc điểm hình học không đồng đều của vòm đốt mở rộng. Vùng tuần hoàn mở rộng giúp ổn định ngọn lửa khi vận hành ở dải tải trọng cao. Việc hiệu chỉnh độ dốc bề mặt vòm đốt là giải pháp hiệu quả để kiểm soát vị trí neo ngọn lửa và tối ưu hóa quá trình cháy.

II. Đo đạc trường vận tốc và áp suất dòng khí xoáy lò đốt

Đo lường chính xác trường vận tốc và áp suất là nhiệm vụ trọng tâm nhằm tối ưu hóa khí động học buồng đốt. Động lực học dòng khí bên trong buồng đốt phụ thuộc chặt chẽ vào mức sụt áp qua vòm cấp khí. Mức giảm áp 4.6% duy trì tính tương đồng của trường dòng chảy mà không làm thay đổi kích thước vùng tuần hoàn. Kỹ thuật quang học hiện đại ghi nhận chi tiết phân bố vận tốc tức thời và vận tốc trung bình tại nhiều mặt cắt. Sự phân bố áp suất tĩnh quyết định hướng di chuyển của các dòng xoáy thứ cấp. Vùng áp suất thấp tại tâm buồng đốt đóng vai trò hút khí nóng ngược trở lại gốc ngọn lửa. Dòng khí làm mát đối lưu dọc thành buồng tương tác mạnh với các tia khí sơ cấp dù tỷ lệ động lượng chỉ đạt 1:100. Cân bằng trường vận tốc giúp buồng đốt vận hành êm ái và đạt hiệu suất nhiệt cao nhất.

2.1. Ứng dụng kỹ thuật đo dòng chảy PIV trong buồng đốt

Kỹ thuật đo dòng chảy PIV hai chiều và ba chiều được triển khai để ghi nhận trường vận tốc với độ phân giải không gian cao. Phương pháp sử dụng các hạt tán xạ ánh sáng kích thước micromet chuyển động đồng tốc cùng dòng khí. Nguồn laser kép xung ngắn chiếu sáng các mặt cắt khảo sát bên trong buồng đốt trong suốt. Máy ảnh quang học tốc độ cao chụp ảnh liên tiếp để thuật toán phân tích tương quan dịch chuyển hạt. Dữ liệu từ kỹ thuật đo dòng chảy PIV cho phép tái tạo cấu trúc 3D của vùng tuần hoàn trung tâm. Tỷ lệ diện tích của vùng tuần hoàn trung tâm so với tiết diện buồng đốt đạt xấp xỉ 85%. Phương pháp quang học này hoàn toàn không xâm lấn, đảm bảo trường dòng chảy giữ nguyên trạng thái tự nhiên vốn có.

2.2. Phân tích trường vận tốc và áp suất tại các vùng xoáy

Trường vận tốc và áp suất tại các vùng xoáy xác định mức độ hòa trộn nhiên liệu và không khí. Vùng tuần hoàn trung tâm tạo ra gradient áp suất âm lớn dọc trục, hình thành dòng chảy ngược mạnh mẽ. Tại vùng ranh giới giữa dòng xoáy chính và vùng tuần hoàn, các lớp cắt vận tốc sinh ra nhiễu loạn cao. Vùng thức phía sau bốn tia khí sơ cấp xuất hiện các cấu trúc xoáy đôi đối xứng. Khi tăng lưu lượng phun nhiên liệu, kích thước vùng thức phía bên trái có xu hướng thu hẹp liên tục. Trong khi đó, vùng thức phía bên phải duy trì kích thước tương đối ổn định. Sự mất đối xứng về vận tốc này lý giải nguyên nhân xuất hiện các dao động áp suất cục bộ trong buồng đốt.

III. Phân tích động lực học dòng khí và phân bố nhiệt độ lò

Động lực học dòng khí giữ vai trò quyết định đối với trường nhiệt và phân bố nhiệt độ lò đốt. Cường độ tương tác giữa các tia khí sơ cấp và dòng xoáy vòm đốt chi phối tốc độ giải phóng nhiệt năng. Khi vận hành ở dải công suất cao, phản ứng cháy diễn ra mãnh liệt ngay tại vùng sơ cấp. Sự đồng đều của phân bố nhiệt độ lò đốt ngăn ngừa hiện tượng ứng suất nhiệt phá hủy thành buồng đốt. Các tia khí sơ cấp kích thước lớn chi phối hoàn toàn dòng chảy tại cả vùng sơ cấp và vùng thứ cấp. Ngược lại, các tia khí nhỏ chỉ tác động cục bộ tại khu vực lân cận vòm đốt. Tồn tại một đường kính tới hạn của tia khí mà vượt qua đó, ảnh hưởng của tia khí lên vùng thứ cấp giảm thiểu rõ rệt. Việc kiểm soát dòng khí giúp ngọn lửa cháy ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

3.1. Ảnh hưởng của tia khí sơ cấp đến phân bố nhiệt độ lò đốt

Tia khí sơ cấp đóng vai trò cung cấp oxy bổ sung và tái định hình phân bố nhiệt độ lò đốt. Độ lệch tâm của tia khí dù chỉ ở mức một độ cũng làm thay đổi cấu trúc dòng chảy rõ rệt. Hiện tượng này dẫn tới sự lệch pha của ngọn lửa và tạo ra các điểm nóng cục bộ trên thành buồng đốt. Dòng khí làm mát đối lưu dọc vách buồng tương tác với tia khí sơ cấp, làm biến đổi góc xâm nhập của dòng oxy. Khi phun nhiên liệu lưu lượng cao, động lượng tia nhiên liệu làm biến dạng cả vùng sơ cấp lẫn vùng thứ cấp. Quá trình hòa trộn khí - nhiên liệu diễn ra không đồng đều nếu vị trí tia khí sơ cấp bị xô lệch. Việc căn chỉnh chính xác hình học tia khí đảm bảo nhiệt độ ngọn lửa phân bố đều khắp không gian lò.

3.2. Kiểm soát dao động âm học và mất ổn định cháy dòng khí

Mất ổn định cháy phát sinh từ sự ghép nối đồng pha giữa dao động áp suất âm học và tốc độ tỏa nhiệt. Động lực học dòng khí phức tạp tại vùng lân cận tia khí sơ cấp bên trái là nguồn gốc gây mất ổn định. Hệ thống thu nhận tín hiệu âm thanh sử dụng micro nhạy áp kết hợp máy ảnh tốc độ cao để ghi nhận tần số kích động. Phổ tần số dao động được xác lập dưới các mức chênh áp và tỷ lệ nhiên liệu khác nhau. Khi kích thước vùng xoáy dao động tuần hoàn, ngọn lửa bị rung giật mạnh dẫn tới nguy cơ tắt lửa cục bộ. Điều chỉnh cấu trúc khí động học vòm đốt và định vị lại tia khí sơ cấp giúp triệt tiêu các tần số cộng hưởng nguy hiểm. Giải pháp này giúp duy trì trạng thái cháy êm dịu và an toàn tuyệt đối.

IV. Kiểm soát nồng độ khí NOx và CO phát thải từ lò đốt

Kiểm soát nồng độ khí NOx và CO là mục tiêu quan trọng hàng đầu trong công tác bảo vệ môi trường công nghiệp. Nồng độ khí NOx hình thành chủ yếu theo cơ chế nhiệt Zeldovich tại các vùng có nhiệt độ ngọn lửa vượt ngưỡng 1800 Kelvin. Trong khi đó, nồng độ khí CO xuất hiện do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do thiếu hụt oxy cục bộ. Cấu trúc khí động học buồng đốt tác động trực tiếp đến thời gian lưu và độ đồng đều của hỗn hợp cháy. Tối ưu hóa trường dòng khí giúp loại bỏ các vùng quá nhiệt cục bộ, từ đó giảm thiểu sản sinh NOx nhiệt. Đồng thời, dòng khí xoáy mạnh mẽ tăng cường thời gian tiếp xúc giữa CO và oxy dư để chuyển hóa hoàn toàn thành CO2. Sự cân bằng giữa hai thành phần phát thải này phản ánh chất lượng thiết kế của buồng đốt.

4.1. Cơ chế hình thành và tối ưu nồng độ khí NOx và CO

Cơ chế phát sinh nồng độ khí NOx và CO có mối quan hệ đánh đổi trực tiếp trong buồng đốt nhiên liệu. Khi nâng cao nhiệt độ buồng đốt để oxy hóa hoàn toàn khí CO, lượng khí NOx nhiệt có xu hướng tăng vọt theo hàm mũ. Ngược lại, việc hạ thấp nhiệt độ ngọn lửa nhằm giảm NOx thường dẫn đến hiện tượng cháy dở dang và làm tăng lượng CO thoát ra. Thiết kế buồng đốt dạng giàu nhiên liệu ở vòm và nghèo nhiên liệu ở vùng sau là giải pháp giải quyết triệt để vấn đề này. Vùng sơ cấp giàu nhiên liệu ức chế hình thành NOx nhờ nồng độ oxy tự do thấp. Tiếp theo, các tia khí thứ cấp bổ sung oxy nhanh chóng để hoàn tất quá trình oxy hóa CO mà không làm tăng vọt nhiệt độ.

4.2. Điều chỉnh hệ số không khí thừa nhằm giảm thiểu khí thải

Điều chỉnh hệ số không khí thừa là biện pháp vận hành then chốt để kiểm soát phát thải khí thải lò đốt. Hệ số không khí thừa quá thấp làm thiếu oxy, dẫn tới nồng độ CO và bồ hóng tăng cao đột biến. Khi hệ số không khí thừa quá cao, thể tích dòng khí tăng làm giảm nhiệt độ buồng đốt và gây tổn thất nhiệt theo khói thải. Tỷ lệ không khí thừa tối ưu duy trì ở mức 1.1 đến 1.25 tùy theo loại nhiên liệu sử dụng. Phân phối lưu lượng không khí hợp lý qua các tầng vòm đốt và lỗ pha loãng giúp duy trì hệ số này ổn định. Việc kiểm soát chính xác lượng khí cấp giúp buồng đốt đạt hiệu suất năng lượng cao nhất và đáp ứng tiêu chuẩn khí thải.

V. Đánh giá phát thải khí thải lò đốt với công nghệ CEMS

Đánh giá phát thải khí thải lò đốt đòi hỏi các phương pháp quan trắc chính xác, liên tục và tự động. Hệ thống giám sát khí thải liên tục CEMS đóng vai trò là công cụ giám sát môi trường chuẩn mực cho các nhà máy hiện đại. Thiết bị phân tích tự động trích xuất mẫu khí khói để xác định nồng độ các chất ô nhiễm theo thời gian thực. Các thông số đo bao gồm NOx, CO, SO2, bụi và nồng độ oxy dư trong khói thải. Dữ liệu quan trắc CEMS phản ánh ngay lập tức mọi biến động trong quá trình đốt cháy và biến thiên của dòng khí. Khi kết hợp dữ liệu CEMS với mô hình thực nghiệm buồng đốt, các kỹ sư có thể chẩn đoán chính xác tình trạng vận hành của thiết bị. Giám sát liên tục giúp phát hiện sớm các sự cố kỹ thuật và tối ưu hóa chi phí vận hành.

5.1. Ứng dụng hệ thống giám sát khí thải liên tục CEMS lò đốt

Hệ thống giám sát khí thải liên tục CEMS được lắp đặt trực tiếp trên ống khói sau buồng đốt và các thiết bị xử lý khí. Hệ thống bao gồm đầu dò lấy mẫu có sấy nhiệt, đường ống dẫn khí gia nhiệt, cụm phân tích quang học và bộ xử lý dữ liệu. Kỹ thuật hấp thụ hồng ngoại không tán xạ NDIR và quang phổ tán sắc vi sai DOAS cho kết quả đo nồng độ khí NOx và CO với độ chính xác cao. Dữ liệu đo được chuẩn hóa về điều kiện tiêu chuẩn và truyền trực tiếp về trung tâm điều khiển nhà máy. CEMS giúp các đơn vị vận hành chứng minh sự tuân thủ nghiêm ngặt các quy định pháp luật về môi trường. Thiết bị hỗ trợ tự động cảnh báo khi phát thải vượt ngưỡng cho phép.

5.2. Đồng bộ hóa dữ liệu khí động học và quan trắc phát thải

Đồng bộ hóa dữ liệu khí động học và kết quả quan trắc phát thải khói tạo ra bước đột phá trong quản lý lò đốt. Dữ liệu trường vận tốc và áp suất từ các phép đo thực nghiệm giúp hiệu chỉnh các thuật toán dự báo phát thải. Khi phát hiện nồng độ CO hoặc NOx tăng đột biến qua hệ thống CEMS, người vận hành có thể tra cứu ngay nguyên nhân từ sự mất ổn định của dòng khí. Sự suy giảm kích thước vùng tuần hoàn hoặc lệch tâm tia khí sơ cấp thường là nguồn gốc gây tăng phát thải. Việc liên kết hai nguồn dữ liệu giúp đưa ra quyết định điều chỉnh góc cánh xoáy hoặc lưu lượng khí cấp kịp thời. Phương pháp này nâng cao độ tin cậy và đảm bảo buồng đốt luôn vận hành trong vùng tối ưu.

Mục lục chi tiết luận án

TÓM TẮT
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC HÌNH VẼ
1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Ổn định ngọn lửa và sự tạo thành vùng hoàn lưu trung tâm (CRZ)
1.1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước và cường độ của CRZ
1.1.1.1. Ảnh hưởng của số xoáy
1.1.1.2. Ảnh hưởng của số Reynolds
1.1.1.3. Ảnh hưởng của việc lắp đặt vòi phun
1.1.1.4. Buồng đốt thực tế và ảnh hưởng của các tia pha loãng
1.2. Ảnh hưởng của áp suất lên sự hình thành NOx
1.3. Các kỹ thuật giảm phát thải NOx
1.4. Động lực học và sự hình thành các bất ổn định cháy
2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC CỐC TẠO XOÁY TRONG BUỒNG ĐỐT DUMP
2.1. Thiết lập thực nghiệm, quy trình và điều kiện thử nghiệm
2.1.1. Cốc tạo xoáy và đoạn thử nghiệm
2.1.2. Điều kiện thử nghiệm, thu thập dữ liệu và lưới đo
2.2. Kết quả và thảo luận
2.2.1. Các phép đo trên mặt phẳng nằm ngang (X-Y) cho cả hai cấu hình
2.2.2. Các phép đo trên mặt phẳng thẳng đứng (X-Z) cho cả hai cấu hình
2.2.2.1. Vận tốc trục và thành phần dao động nhiễu loạn
2.2.2.2. Vận tốc hướng tâm và thành phần dao động nhiễu loạn
2.2.3. Các phép đo trên mặt phẳng thẳng đứng (Y-Z) cho cả hai cấu hình
2.2.3.1. Vận tốc trục và thành phần dao động nhiễu loạn
2.2.3.2. Vận tốc tiếp tuyến và thành phần dao động nhiễu loạn
2.2.4. Ảnh hưởng của sự giới hạn không gian lên trường dòng chảy
3. CHƯƠNG 3: KHÍ ĐỘNG HỌC BUỒNG ĐỐT DẠNG VÒNG ĐƠN (SAC)
3.1. Thiết lập thực nghiệm, quy trình và điều kiện thử nghiệm
3.1.1. Bộ tạo xoáy và buồng đốt SAC
3.1.2. Điều kiện thử nghiệm, thu thập dữ liệu và lưới đo
3.2. Kết quả và thảo luận
3.2.1. Đo dòng trung bình tại mặt phẳng giữa SAC bằng LDV
3.2.2. Dòng phản ứng và dòng không phản ứng
3.3. Nghiên cứu cấu trúc dòng chảy bằng PIV
3.3.1. Ảnh hưởng của độ giảm áp lên cấu trúc dòng chảy
3.3.2. Đo PIV tức thời tại mặt phẳng giữa SAC ở độ giảm áp 4%
3.3.3. Đo PIV lệch tâm ở độ giảm áp 4%
3.4. Ảnh hưởng của việc chặn một phần dải tia pha loãng sơ cấp
3.5. Ảnh hưởng của việc chặn các lỗ làm mát phía dưới các tia pha loãng sơ cấp
3.6. Ảnh hưởng của sự lệch tâm tia sơ cấp lên trường dòng chảy
3.7. Ảnh hưởng của kích thước tia sơ cấp lên trường dòng chảy
4. CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CÁC BẤT ỔN ĐỊNH CHÁY TRONG PHÂN ĐOẠN SAC
4.1. Thiết lập thực nghiệm, quy trình và điều kiện thử nghiệm
4.1.1. Cốc tạo xoáy và phân đoạn SAC
4.1.2. Điều kiện thử nghiệm và thu thập dữ liệu
4.2. Kết quả và thảo luận
5. CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG CỦA PHUN NHIÊN LIỆU ĐẾN TRƯỜNG DÒNG CHẢY VÀ HÒA TRỘN
5.1. Thiết lập thực nghiệm, quy trình và điều kiện thử nghiệm
5.1.1. Cốc tạo xoáy và phân đoạn SAC
5.1.2. Điều kiện thử nghiệm, thu thập dữ liệu và lưới đo
5.2. Kết quả và thảo luận
6. CHƯƠNG 6: NGHIÊN CỨU PHÁT THẢI VÀ GIẢM PHÁT THẢI BẰNG PHUN NƯỚC
6.1. Thiết lập thực nghiệm, quy trình và điều kiện thử nghiệm
6.1.1. Cốc tạo xoáy và phân đoạn SAC
6.1.2. Điều kiện thử nghiệm và thu thập dữ liệu
6.2. Kết quả và thảo luận
6.2.1. Đo đạc thành phần khí tại tâm lối ra phân đoạn SAC
6.2.2. Phân bố đường đồng mức thành phần khí tại lối ra phân đoạn SAC
DANH MỤC KÝ HIỆU
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Experimental investigations of aerodynamics dynamics and emissions

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (191 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

UNIVERSITY OF CINCINNATI Date: 14-Jan-2010 I, Bassam Abd El-Nabi , hereby submit this original work as part of the requirements for the degree of: Doctor of Philosophy in Aerospace Engineering It is entitled: Single Annular Combustor: Experimental investigations of Aerodynamics, Dynamics and Emissions Student Signature: Bassam Abd El-Nabi This work and its defense approved by: Committee Chair: San-Mou Jeng, PhD San-Mou Jeng, PhD Milind Jog, PhD Milind Jog, PhD Mustafa Furhan Andac, PhD Mustafa Furhan Andac, PhD Shaaban Abdallah, PhD Shaaban Abdallah, PhD 3/8/2010 447 Single Annular Combustor: Experimental investigations of Aerodynamics, Dynamics and Emissions A thesis submitted to the Division of Graduate Studies and Research of the University of Cincinnati in partial fulfillment of the requirements for the degree of DOCTORATE OF PHILOSOPHY (Ph.) in the Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics of the College of Engineering March 2010 by Bassam Sabry Mohammad B., Mechanical Engineering, Cairo University, Egypt M., Mechanical Engineering, Cairo University, Egypt M., Nuclear Engineering, Missouri University of Science and Technology, USA Committee Chair: Dr. San-Mou Jeng i Abstract The present work investigates the aerodynamics, dynamics and emissions of a Single Cup Combustor Sector. The Combustor resembles a real Gas Turbine Combustor with primary, secondary and dilution zones (also known as fuel rich dome combustor). The research is initiated by studying the effect of the combustor front end geometry on the flow field.

Two different exit configurations (one causes a sudden expansion to the swirling flow while the other causes a gradual expansion), installed in a dump combustor, are tested using LDV. The results reveal that the expanding surface reduces the turbulence activities, eliminates the corner recirculation zone and increases the length of the CRZ appreciably. An asymmetry in the flow field is observed due to the asymmetry of the expanding surface. To study the effect of chamber geometry on the flow field, the dome configuration is tested in the combustor sector with the primary dilution jets blocked.

The size of the CRZ is reduced significantly (40 % reduction in the height). With active primary jets, the CRZ is reconstructed in 3D by conducting several PIV measurements off-center. The confinement appears to significantly influence the shape of the CRZ such that the area ratio is similar for both the confinement and the CRZ (approximately 85%). The primary jets considerably contribute to the heat release process at high power conditions.

Also, the primary jets drastically impact the flow field structure. Therefore, the parameters influencing the primary jets are studied using PIV (pressure drop, jets size, off- centering, interaction with convective cooling air, jet blockage and fuel injection). This study is referred to as a jet sensitivity study. The results indicate that the primary jets can be used effectively in controlling the flow field structure.

A pressure drop of 4.6% result in ii similar flows with no noticeable effect on the size of the CRZ and the four jets wake regions. On the other hand, the results show that the primary jets are very sensitive to perturbations. The cooling air interacts with the primary jet and influences the flow field although the momentum ratio has an order of magnitude of 100:1. The results also show that the big primary jets dictate the flow field in the primary zone as well as the secondary zone.

However, relatively smaller jets mainly impact the primary zone. Also, the results point to the presence of a critical jet diameter beyond which the dilution jets have minimum impact on the secondary region. The jet off-centering shows significant effect on the flow field though it is on the order of 1. The jet sensitivity study provides the combustion engineers with useful methods to control the flow field structure, an explanation for observed flow structure under different conditions and predictable flow field behavior with engine aging.

All results obtained from the jet sensitivity study could be explained in terms of jet opposition. Hence, similar results are expected under reacting conditions even though the results presented here are obtained under isothermal conditions. The fuel injection is also shown to influence the flow field. High fuel flow rate is shown to have very strong impact on the flow field and thus results in a strong distortion of both the primary and secondary zones.

The jets wake regions are shown to change in size with fuel injection. The left jet wake region continuously reduces in size with fuel injection while the right jet wake region does not. This offers a possible explanation for the observed combustion instabilities in the left primary jet region. The combustion instabilities are studied using a microphone, high speed camera and regular cameras.

The frequency spectrum for the sector is established at different pressure drops (2, 4 and 6%) as well as different pre-heat temperatures (200, 400 and 600F). The iii acoustic spectrum suggests that there are three frequencies of concern (280, 400 and 600 HZ). The high frequency appears to be related to the combustor ¼ longitudinal wave. The 280 Hz is due to a rotating instability while the 400 Hz is related to the primary jets.

The emissions emanating from the combustor are studied using FTIR at pressure drop of 4% and different power conditions. The sector emissions characteristics are determined. Water injection is also used to control the pollutant emissions. Water fuel ratio of 100% and 50% results in a corresponding reduction in the NOx concentration with 50% and 22% (at high power conditions).

No noticeable effects are observed on the NOx and CO at low power conditions. A high degree of homogeneity in the emissions contours is observed at the combustor exit at low power conditions (equivalence ratio of 0. However, this homogeneity is noticeably reduced at high power conditions (equivalence ratio of 0. iv v Acknowledgment All thanks are due to ALLAH (God) and may His peace and blessings be upon all His messengers and prophets including Moses, Jesus and Mohammad.

It was only through ALLAH's help and support that this work was accomplished. I can never thank Him enough for all the blessing He bestowed upon me throughout my life and I seek His forgiveness for all my shortcomings. I would like to especially recognize and express my gratitude to my advisor, Dr. It is certainly through his support, guidance and encouragement that this work is complete.

He trusted me and gave me a room to make my own decisions. Jeng was always ready to give advice anytime. Jeng is one of the best things that happened in my life. Jeng taught me the basics of research, how to interact with people, how to think differently and how to solve problems.

Also, my deepest appreciation to Dr. Abdallah Shabaan, Dr. Millind Jog and Dr. Gurhan Andac for their time and effort as my committee members.

I am also very thankful to the people at GE aviation. This work was not possible without their help and support. Special thanks to all my colleagues at the Combustion Research Lab. Jun Cai taught me how to use and setup the PIV, LDV and FTIR systems.

Curt Fox offered a great deal of help. He is the kind of person who would help you do anything, anytime in a timely manner! Also, I am very thankful to Samir, Fumi, and Kao. They helped me in experimental setup as well as running the experiments. I would especially like to thank my Mom and Dad.

I achieved this work because of their prayers. My father supported me financially since I arrived to the United States. He paid a vii huge amount of money to help me earn my degree. May ALLAH reward them for what they have done.

Finally, there is a single person who has had a greater effect on this work than anyone else, and that is my wife. She has been patient and she supported and encouraged me. She was taking care of the family duties to provide me with the environment and the time necessary to complete this effort. We have four kids and there was no chance for me to earn my degree if she didn’t sacrifice her time and effort.

viii “Read: In the name of thy Lord Who createth, Createth man from a clot, Read: And thy Lord is the Most Bounteous, Who teacheth by the pen, Teacheth man that which he knew not.” -Quran (20:114) “My Lord! Advance me in knowledge.” -Quran (96:1-5) vi Table of Contents Acknowledgment. vii Table of Contents. ix List of Figures .1 Flame stabilization and Generation of CRZ .4 Factors influencing the CRZ Size and strength .1 Swirl Number Effects .3 Reynolds Number Effects.4 Nozzle Insertion Effects .5 Realistic combustion chambers and effect of dilution jets .2 Effect of pressure on NOx generation .3 NOx reduction techniques .3 Dynamics and generation of Combustion Instabilities .1 Experimental setup, procedure and test conditions .1 Swirl Cup and test section.4 Test conditions, data acquisition and measurement Grid .2 Results and Discussions .1 Horizontal plane (X-Y) measurements for both configurations .2 Vertical plane (X-Z) measurements for both configurations .1 Axial velocity and turbulent fluctuating component .2 Radial velocity and turbulent fluctuating component.3 Vertical plane (Y-Z) measurements for both configurations .1 Axial velocity and turbulent fluctuating component .2 Tangential velocity and turbulent fluctuating component .4 Confinement effect on the flow field .1 Experimental setup, procedure and test conditions .1 Swirler and SAC Combustor .4 Test conditions, data acquisition and measurement grid .2 Results and Discussions .1 Mean flow measurements at the SAC mid plane using LDV .2 Reacting flow vs.1 Effect of pressure drop on the flow structure .2 Instantaneous PIV at SAC mid plane at pressure drop of 4.3 PIV off center measurements at pressure drop of 4.4 Effect of partially blocking the primary dilution jets strip .5 Effect of blocking the cooling holes underneath the primary dilution jets 97 3.6 Effect of primary jets off centering on the flow field .7 Effect of primary jet size on the flow field .1 Experimental setup, procedure and test conditions .1 Swirl cup and SAC Sector .3 Test conditions and data acquisition .2 Results and Discussions .1 Experimental setup, procedure and test conditions .1 Swirl cup and SAC Sector .3 Test conditions, data acquisition and measurement grid .2 Results and Discussions .1 Experimental setup, procedure and test conditions .1 Swirl cup and SAC Sector .3 Test conditions and data acquisition .2 Results and Discussions .1 Species Measurements at the center of the SAC sector exit .2 Species Contours at the SAC sector exit. 163 x List of Figures 1.1 Typical coaxial Axial and radial swirlers.2 Typical Swirl cup arrangement with counter rotating radial swirlers.3 Typical SAC Combustor with swirl cup.4 CFM56 swirl cup assembly.5 Illustration of Ideal and Real combustion emissions [61].6 Order of magnitude of Gas Turbine Combustion emissions [61].7 Typical pollutant formation trends as function of the equivalence ratio [12].8 Typical variation of the equilibrium and thermal NOx vs.9 Illustration of the effect of residence time on thermal NOx.10 DLN combustor concepts [61].11 Multiple point LDI combustor developed by NASA [114].12 Illustration of LP, RQL and LDI concepts [94].13 Severity of Carbon Monoxide intoxications [115].14 Illustration of generation and growth of pressure oscillations known as thermo-acoustic instabilities [126].1 Different configurations of the swirl cup under investigation .2 Rectangular Plexi-glass chamber (dump combustor) .3 Schematic of the Experimental facility to study the dump combustor Aerodynamics .4 Special flanges and adapters to allow installation of swirl cups to the vertical rig .5 Laser Doppler Velocimetry system provided by Artium Technologies .6 LDV setup on the vertical rig (plexi-glass chamber) .7 Measurements Coordinate system for both configurations .8 Axial velocity contours in the horizontal plane (configuration 1) .9 Axial velocity contours in the horizontal plane (base configuration) .10 Contours of the Root Mean Square of the axial velocity in the horizontal plane for configuration one .11 Contours of the Root Mean Square of the axial velocity in the horizontal plane for the base configuration.12 Axial velocity profiles in the X-Z plane (Config.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Bassam Sabry Mohammad (2010). Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt [Luận án tiến sĩ, University of Cincinnati]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-giao-thong-van-tai/nghien-cuu-thuc-nghiem-dong-luc-hoc-khi-dong-va-khi-thai-lo-dot-vong-don

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt" nghiên cứu về vấn đề gì?

Khám phá động lực học khí động học và khí thải qua điều tra thực nghiệm. Phân tích chi tiết hiệu suất và tác động môi trường.

Luận án "Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại University of Cincinnati. Năm bảo vệ: 2010.

Luận án "Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt" thuộc chuyên ngành Aerospace Engineering. Danh mục: Kỹ Thuật Giao Thông Vận Tải.

Luận án "Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt" có bao nhiêu trang?

Luận án "Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt" có 191 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Nghiên cứu thực nghiệm động lực học khí động và khí thải lò đốt" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter