بهبود مصرف سوخت و کاهش تولید آلاینده‌ها در محفظه احتراق میکروتوربین گاز ارتقایافته براساس تغییر هندسی محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

عضو هیات علمی / گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات تهران، دانشگاه آزاد اسلامی

چکیده

مقاله حاضر به بررسی اثر تغییرات هندسی محدود در عملکرد محفظه احتراق یک میکروتوربین گاز ارتقایافته خاص می‌پردازد. سوخت مورد استفاده در این محفظه گاز متان است. هدف از این‌کار، بهبود عملکرد محفظه از نظر مصرف سوخت و نیز کاهش آلاینده‌های NO و CO2 است. به این‌منظور، ابتدا براساس محاسبات مربوط، یک محفظه احتراق برای موتور ارتقایافته طراحی شد و بعد از آن، با ایجاد تغییراتی در حجم نواحی احتراق اولیه (PZ) و رقیق‌سازی (DZ)، دو هندسه دیگر به‌وجود آمد. سپس، با استفاده از تحلیل عددی سه- بعدی، عملکرد احتراق در هر سه هندسه مورد آزمایش و ارزیابی واقع شد. برای شبیه‌سازی عددی از مدل برهم‌کنش PDF و مدل آشفتگی استفاده شده است. نتایج نشان‌داد محفظه با هندسه‌ای که 25% حجم آن کاهش داده شده است، با 10% کاهش نسبت سوخت به اکسیدکننده (FAR)، الگوی جریان و عملکرد بهتری دارد و میزان آلاینده‌های مذکور در آن به‌طور میانگین، بیش از 30% کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Improving fuel consumption and reducing pollutant production in the upgraded gas microturbine combustion chamber based on limited geometric change

نویسنده [English]

  • Reza Aghaei Togh
Faculty member
چکیده [English]

This paper investigates the effect of limited geometrical changes on the combustion chamber performance of a specifically upgraded gas microturbine. The fuel used in this chamber is gas-methane. The purpose of this paper is to improve the performance of the chamber in terms of fuel consumption and to reduce NO and CO2 emissions concentrations. For this purpose, based on the relevant calculations, a combustion chamber was designed for the upgraded engine and later, with changes in the volume of primary combustion zones (PZ) and dilution zone (DZ), two additional geometries were created. Then, using three-dimensional numerical analysis, the combustion performance was tested and evaluated in all three geometries. The numerical simulation uses the PDF interaction model and the k-epsilon turbulence model. The results show that the chamber with a reduced geometry of 25% by volume, with a 10% reduction in FAR ratio, has an acceptable flow pattern and performance, and the amount of contaminants in it has decreased by more than 30% on average.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Combustion chamber
  • Micro turbine
  • Performance Improvement
  • Nitrogen Oxide
  • Carbon dioxide
[1] P. Koutmos and J.J. McGuirk, Investigation of Swirler/Dilution Jet Flow Split on Primary Zone Flow patterns in a Water Model Can- Type Combustor, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, vol. 111, pp. 310 – 317, Apr. 1989.
[2] D. B. Kulshreshtha, S. A. Channiwala, K. V. Chaudhari and S. B. Dikshit, Design, Numerical Simulation and Experimental Investigations on Can Annular Type Combustion Chamber for 20 kW Gas Turbine Engine, Int. J. Dynamics and Fluids, vol. 4, no. 2, pp 175 – 189, 2008.
[3] Y. Levy, V. Erenburg, Y. Goldman, V. Sherbaum, V. Ovcharenko, CFD Assisted Design of MICRO GT combustor, Faculty of Aerospace Engineering, Israel Institute of Technology, Haifa, 32000, (2009).
[4] B. Michel, P. Gajan, A. Strzelecki, N. Savary, Full coverage film cooling performance, C.R.Mecanique, 337 , 562-572,2009.
[5] C. Ghenai, Combustion of Syngas Fuel in Gas Turbine Can Combustor, Hindawi Publishing Corporation, Advances in Mechanical Engineering, vol. 2010, 13 pages, Article ID 342357, doi:10.1155/2010/342357.
[6] M. N. Mohd Jaafar, K. Jusoff, M. S. Osman, and M. S. A. Ishak, Combustor aerodynamic using radial swirler, Int. J. of the Physical Sciences, vol. 6(13), pp. 3091 – 3098, Jul. 2011.
[7] F. H. Pathan, N. K. Patel, M. V. Tadvi, Numerical investigation of the combustion of methane air mixture in gas turbine can-type combustion camber, International j. of Sci. & Eng. Research, vol. 3, Issue 10, October-2012.
[8] B. S., M. R. Nazari, Improvement of the performance and distribution of outlet combustion chamber temperature of a turbojet engine with upgraded compressor in different flight conditions, Aerospace Knowledge and Technology Journal, 5, Issue 3 (special Issue), 2016, 69-81. (in Persian)
[9] A. Ershadi, M. Rajabi-ZargarAbadi, NOx Formation Reduction Using Primary Aeration in a Swirl Stabilizer Combustor, Aerospace Knowledge and Technology Journal, 6, 1, 2017, 41-51. (in Persian)
[10] K.J. Bosschaart, L.P.H. de Goey, The laminar burning velocity of flames propagating in mixtures of hydrocarbons and air measured with the heat flux method, Combustion and Flame, Volume 136, Issue 3, 2004, Pages 261-269, ISSN 0010-2180.
[11] T. Tahtouh, F. Halter, C. Mounaïm-Rousselle, Measurement of laminar burning speeds and Markstein lengths using a novel methodology, Combustion and Flame, Volume 156, Issue 9, 2009, Pages 1735-1743, ISSN 0010-2180.
[12] J .Joy, P. Wang, & S. Yu, Effect of geometric modification on flow behaviour and performance of reverse flow combustor, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 233(4), 1457–1471, 2019.
[13] User's Guide, Release 11.0.-ANSYS, Inc., 2007 ANSYS/CFX Tutorials, Release 11.0.-ANSYS.
[14] User’s Guide, Gambit, Gambit. "2.2." Fluent Inc., Lebanon, New Hampshire, USA (2004).
[15] L. X. Zhou, X. L. Chen, Studies on the effect of swirl on NO formation in methan/air turbulent combustion, Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 29, pp. 2235–2242, 2002.