STATIC STABILITY AND COMBUSTION FEATURES OF C3H8/O2/CO2, C3H8/O2/N2 AND CH4/H2/O2/CO2 TURBULENT PREMIXED FLAMES IN A MODEL GAS TURBINE COMBUSTOR

STATIC STABILITY AND COMBUSTION FEATURES OF C3H8/O2/CO2, C3H8/O2/N2 AND CH4/H2/O2/CO2 TURBULENT PREMIXED FLAMES IN A MODEL GAS TURBINE COMBUSTOR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Thesis Report)
Thesis _ EPrint Submission.pdf - Other
Restricted to Repository staff only until 3 June 2021.

Download (2MB)

Arabic Abstract

تهدف هذه الرسالة إلى دراسة ومقارنة أوضاع الهيكل الكلي والاستقرار للهب المضطرب المستقر والممزوج مسبقاً من لهب غني بالاكسجين والمحتوي على بروبان هوائي (C3H8/O2/N2) ولهب محتوي على بروبان مؤكسد (C3H8/O2/CO2) في غرفة الاحتراق التوربيني الغازي النموذجي، تحت نفس الظروف لنسبة التكافؤ (φ = 0.1 - 1.0)، السرعة الكلية عند المدخل (Uin) المساوي لـ 5.2 متر/ث، ونسبة محتوى الأكسجين (OF=21% - 70%). لقد تم رسم الخطوط الكفافية (الكنتورية) لدرجة حرارة اللهب الأديباتي (AFT) بخرائط استقرار غرفة الاحتراق ضمن نطاق ال φ-OF لكل من لهب CO2 و N2. تم رصد كلا النوعين من اللهب لدراسة تأثير ال AFT على استقرار وبنية اللهب. لقد تم رصد درجات الحرارة الشعاعية والمحورية داخل وعاء الكوارتز للوصول إلى فهم مجال التدفق الحراري. وُجد أن حدود النفخ والاتجاع لكل من لهب CO2 و N2 قد اتبعت خطوط AFT الكنتورية الثابتة على خريطة الاستقرار، على الرغم من أن لهب CO2 و N2 ذوي قيم OF و φ مختلفة قد مثّلا بنيتين متماثلتين عند نفس قيم ال AFT. في حين أن اللهب الذي يمتلك قيم متساوية من OF او φ(ناتجة من قيم مختلفة من AFT) قد أظهر بنية لهبية متباينة. هذا بدوره قد حدد مقدار تغلب العامل AFT في التحكم بديناميكية اللهب. هذه النتيجة ستكون مفيدة لمصمي التوربينات الغازية والمصنعين والمشغلين العاملين في اعادة تأهيل المحارق القائمة المعتمدة على الهواء لتصبح محارق معتمدة على وقود الاوكسي منخفضة الابنعاثات. بالإضافة إلى ذلك، فقد تم إجراء محاكاة الدوامة الكبيرة (LES) لدراسة خصائص الاحتراق والانبعاث للهب الميثان المؤكسد (CH4/H2/O2/CO2) ذوالمكونات المتكافئة والغني بالأكسجين.ركزت الدراسة على تأثير نسبة الهيدروجين (HF)، نسبة الأكسجين(OF)، والسرعة الكلية عند المدخل للمزيج القابل للاشتعال على خصائص استقرار واحتراق اللهب. تم فحص قيم ثابتة من ال Uin خلال عملية التحليل على النحو التالي 4.4m/s, 5.2 m/s, 6.0m/s. أشارت النتائج أن سرعات التفاعل قد زادت عند زيادة ال(HF) وال(OF)، مما نتج عنه نيران مضغوطة. بالإضافة إلى ذلك، فإن انبعاثات ال CO قد زاد تركيزها من 140 ppm عند HF=20% إلى279 ppm عند HF=60%، وأن هذه الانبعاثات قد زاد تركيزها من 140 ppm عند OF=30% إلى 594 ppm عند OF=38%. لقد لوحظ أن رقم دامكولر (Damköhler number - Da) يزيد عند زيادة ال HF وال OF، بينما يينخفض هذا الرقم عند زيادة قيمة ال Uin بسبب قصر وقت الركود. وقد وجد أن العامل الفيزيائي (Uin) يؤثر قليلاً على حركية اللهب، مقارنة بالعوامل الكيميائية (HF و OF). ولوحظ أيضًا أن دور OF أكثر هيمنة، على عكس HF ، وحتى الزيادات الصغيرة في OF تؤثر بشكل كبير على ديناميكيات اللهب. يمكن الاستدلال على هذا الاستنتاج من خلال زيادة الحركية الكيميائية بسبب التركيزات المعززة لذرات O ، والتي تؤكسد أنواع الوقود وتؤدي إلى احتراق فعال. من ذلك يمكن الاستنتاج بأن سرعة التفاعلات هي من يحكم سلوك اللهب، بينما تؤثر درجة الاضطراب على المكونات الكلية للهب فقط.

English Abstract

This thesis work aims at investigating and comparing the macrostructure and stabilization modes of swirl-stabilized premixed oxygen-enriched air-propane (C3H8/O2/N2) and oxy-propane (C3H8/O2/CO2) turbulent flames in a model gas turbine combustor, under similar conditions of equivalence ratio (φ = 0.1 - 1.0), bulk throat velocity (Uin) of 5.2 m/s and oxygen fraction (OF = 21% - 70%). The constant contours of adiabatic flame temperature (AFT) were plotted with combustor stability maps within the φ-OF domain for both CO2 and N2 flames. Nominated flames were captured for studying the effects of AFT on flame stability and structure. The radial and axial temperatures were measured inside the quartz confinement for getting an insight of thermal flow field. It was found for both CO2 and N2 flames that the blowout and flashback limits followed constant AFT contours on the stability map. Even the CO2 and N2 flames of different OF and φ represented similar structure at identical AFT. While the flames possessing similar OF or φ (resulting in different AFT) exhibited distinct flame macrostructure. This defined the dominance of AFT parameter in controlling the flame dynamics. This finding would be handy for gas turbine designers, manufacturers and operators in retrofitting the existing air-based combustors to the reduced-emissions oxy-fuel combustors. Large Eddy Simulation (LES) work was also carried out for investigating the combustion and emission characteristics of stoichiometric hydrogen-enriched oxy-methane (CH4/H2/O2/CO2) flames. The study focused on the effects of hydrogen fraction (HF), oxygen fraction (OF) and inlet bulk velocity (Uin) of the combustible mixture on stability and combustion characteristics of the flames. Constant Uin of 4.4 m/s, 5.2 m/s and 6.0 m/s were investigated in this analysis. The results indicated that reaction rates are increased with increasing HF and OF, resulting in compact flames. The CO emissions increased from 140 ppm at HF=20% to 279 ppm at HF=60%, and these emissions increased from 140 ppm at OF=30% to 594 ppm at OF=38%. The Damköhler number (Da) increases with increasing HF and OF, while it showed declining behavior with increasing Uin because of smaller residence time. It was found that the physical parameter (Uin) slightly affects the flame kinetics, as compared to the chemical factors (HF and OF). It was also noticed that the role of the OF is more dominant in contrast to HF, and even smaller increments in OF significantly affects the flame dynamics. This finding was reasoned with the increased chemical kinetics due to enhanced concentrations of O atoms, which oxidize fuel species and results in efficient combustion. The reaction rates thus dominate the flame behavior, while turbulence affects only the macrostructure of the flame.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: M. Mustafa, Kamal
Committee Members: Ahmet, Ziyaettin Sahin and Syed Ahmad, Mohammad Said and Medhat Ahmed, Nemitallah
Depositing User: ASIF ALI (g201704630)
Date Deposited: 04 Jun 2020 14:13
Last Modified: 04 Jun 2020 14:13
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141594