مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی اثرات افزودن بخار بر طراحی مفهومی و میزان انتشار آلایندههای محفظه احتراق توربین گاز

نویسندگان
1 مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 تهران، بزرگراه آل احمد، دانشگاه تربیت مدرس، دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک
3 پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوریتهران، ایران
چکیده
امروزه موتورهای توربینی کاربرد بسیاری در صنعت حمل‌ونقل و تولید انرژی دارند. با توجه به استفاده از سوخت‌های فسیلی در این نوع موتورها که منجر به تولید اکسیدهای نیتروژن و کربن مونوکسید می‌شود، نگرانی‌های زیست محیطی در این حوزه افزایش یافته است. روش‌های مختلفی جهت کاهش انتشار آلاینده‌ها پیشنهاد شده است. یکی از این روش‌ها افزودن بخارآب یا آب به محفظه احتراق جهت کاهش دمای شعله است. افزودن بخار به روش‌های گوناگونی انجام می‌گیرد. در این پژوهش فرض شده است که بخار در دیفیوزر به جریان اضافه می‌شود و به‌صورت پیش آمیخته با هوا وارد محفظه احتراق می‌شود. افزودن بخار فرآیند احتراق در داخل محفظه احتراق را تحت تاثیر قرار می‌دهد. لذا، بایستی بخار افزوده شده در فرآیند طراحی محفظه احتراق در نظر گرفته شود. از همین رو مدلی برای طراحی مفهومی هندسه محفظه و مطالعه تاثیر افزودن بخار روی آن ارائه خواهد شد. به همین منظور از داده‌های یک محفظه احتراق موتور واقعی برای مقایسه نتایج حاصل از طراحی هندسه به کمک مدل و بررسی تاثیر افزون بخار روی هندسه محفظه استفاده خواهد شد. برای بررسی عملکرد محفظه احتراق از روش شبکه راکتورهای شیمیایی جهت مدل‌سازی احتراق استفاده خواهد شد. ابتدا به کمک این روش مدل‌سازی احتراق بدون افزون بخار برای یک محفظه احتراق متداول حلقوی صورت می‌گیرد و نتایج حاصل از این روش با داده‌های این محفظه حلقوی مقایسه، سپس تاثیر افزودن بخار بر عملکرد مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این پژوهش نشان داده شد که افزودن بخار راه موثری برای کاهش دما شعله و انتشار آلاینده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of the effects of steam addition on the conceptual design and pollutants emission of the gas turbine combustor

نویسندگان English

morteza habibi 1
Fathollah Ommi 2
zoheir saboohi 3
1 Aerospace Group, Mechanical Engineering faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Tarbiat Modares University, Jalal Ale Ahmad Highway, P.O.Box: 14115-111, Tehran, Iran
3 Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research, and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Now a days gas turbines are widely used in the transportation and energy industry. According to Combustion of fossil fuels in these engine, environmental concerns have increased due to production of nitrogen oxides and carbon monoxide. Various methods have been offered to reduce the emission of pollutants. One of these methods is adding steam or water to the combustion chamber to reduce the flame temperature. Different methods can be applied to add steam to the combustion chamber, in this study, the steam is added to the diffuser and premixed with air into the combustion chamber. Steam addition influences the combustion process inside the combustion chamber, which should be considered during the combustion chamber design process. Therefore, a model for the conceptual design of the chamber geometry and the effect of adding steam on it will be presented. For this purpose, the data from an actual combustion chamber will be used to compare results of geometry design by using this model and to study the influence of steam on the chamber geometry. To investigate the combustion chamber performance, the chemical reactor network method for combustion modeling will be used. First, with this procedure an annular conventional combustion chamber will be modeled without steam addition and the results of this method will be compared with the actual data of this combustor. Then the effect of adding steam on the performance will be investigated. The study will show adding steam is an effective way to reduce the flame temperature and emission of pollutants.

کلیدواژه‌ها English

Gas Turbine Combustor
Chemical Reactor Network
Steam addition
Pollutants emission
[1] G. Bulat, W. Jones, A. Marquis, NO and CO formation in an industrial gas-turbine combustion chamber using LES with the Eulerian sub-grid PDF method, Combustion and Flame, Vol. 161, No. 7, pp. 1804-1825, 2014.
[2] A. H. Lefebvre, Gas turbine combustion: alternative fuels and emissions: CRC press, 2010.
[3] H. Shaw, The effects of water, pressure, and equivalence ratio on nitric oxide production in gas turbines, ASME, Journal of Engineering for Gas Turbine and power, Vol. 82, pp. 1.987, 1974.
[4] J. B. Burnham, M. H. Giuliani, D. J. Moeller, Development, installation, and operating results of a steam injection system (STIG) in a general electric LM5000 gas generator, ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 109, pp. 257-262, 1987.
[5] E. Benini, S. Pandolfo, S. Zoppellari, Reduction of NO emissions in a turbojet combustor by direct water/steam injection: Numerical and experimental assessment, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, No. 17, pp. 3506-3510, 2009.
[6] S. Göke, M. Füri, G. Bourque, B. Bobusch, K. Göckeler, O. Krüger, S. Schimek, S. Terhaar, C. O. Paschereit, Influence of steam dilution on the combustion of natural gas and hydrogen in premixed and rich-quench-lean combustors, Fuel processing technology, Vol. 107, pp. 14-22, 2013.
[7] R. Xue, C. Hu, V. Sethi, T. Nikolaidis, P. Pilidis, Effect of steam addition on gas turbine combustor design and performance, Applied Thermal Engineering, Vol. 104, pp. 249-257, 2016.
[8] J. W. Sawyer, Sawyer's Gas Turbine Engineering Handbook: Application: Gas Turbine Publications, 1972.
[9] Z. Saboohi, F. Ommi, Conceptual Design of Conventional Gas Turbine Combustors Aiming at Pollutants Emission Prediction, Modares Mechanical Engineering Vol.16 No.10, pp.329-340, 2016 (in Persian)
[10] R. Rezvani, A conceptual methodology for the prediction of engine emissions, PhD Thesis, Georgia Tech. University, 2010.
[11] J. D. Anderson, Modern compressible flow: with historical perspective: McGraw-Hill New York, 1990.
[12] Z. Saboohi, F. Ommi, A. Fakhrtabatabaei, Development of an augmented conceptual design tool for aircraft gas turbine combustors, The International Journal of Multiphysics, Vol. 10, No. 1, 2016.
[13] A. H. Lefebvre, Gas turbine combustor design problems: Hemisphere Pub. Corp., 1980.
[14] J. D. Mattingly, Aircraft engine design: Aiaa, 2002.
[15] R. Rezvani, R. K. Denny, D. N. Mavris, A design-oriented semi-analytical emissions prediction method for gas turbine combustors, constraints, Vol. 1, pp. 13, 2009.
[16] Molnar, Melissa, and C. John Marek, Simplified two-time step method for calculating combustion and emission rates of jet-A and methane fuel with and without water injection, 43rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit Nevada, January 10–13, 2005.
[17] S. R. Turns, An Introduction to Combustion, Second Edition, Boston: McGraw Hill, 2000.
[18] D. L. Allaire, A physics-based emissions model for aircraft gas turbine combustors, PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2006.
[19] M. D. Marchand, Multi-dimensional carbon monoxide emissions predictor for preliminary gas turbine combustor design optimization, Thesis, ProQuest Dissertations Publishing, 2013.
[20] H. Lanewala, Multi-dimensional nitric oxide emissions predictor for preliminary gas turbine combustor design optimization, Thesis, 2013.
[21] Z. Saboohi, F. Ommi, Emission prediction in conceptual design of the aircraft engines using augmented CRN, The Aeronautical Journal, Vol. 121, pp. 1-24, May 2017.
[22] Z. Saboohi, Conceptual Design of Conventional Gas Turbine Combustor Using Multi-Objective Optimization Approach, PhD Thesis, Tarbiat Modares University, 2017 (in Persian)