EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF THERMOACOUSTIC INSTABILITY IN A STRATIFIED SWIRL COMBUSTOR. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Qazi_PhD_201409340.pdf Restricted to Repository staff only until 29 December 2025. Download (15MB)

Arabic Abstract

بالنسبة لتكنولوجيا توربينات الغاز، يؤدي تنفيذ لوائح الانبعاثات الصارمة لأكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكربون إلى تشغيل هذه الاحتراقات الممزوجة مسبقًا في ظروف هزيلة. ومع ذلك، في ظل هذه الظروف، يكون الموقد أكثر عرضة للانفجار وعدم الاستقرار الساكن. التحدي التشغيلي الحاسم الآخر الذي يحدث في احتراق توربينات الغاز هو عدم الاستقرار الديناميكي المعروف أيضًا باسم عدم الاستقرار الصوتي الحراري. إن الظاهرة التي تؤدي إلى عدم الاستقرار الصوتي الحراري هي اقتران ضغط الصوت وتقلبات إطلاق الحرارة، وهذا يمكن أن يؤدي إلى زيادة كبيرة في الاهتزازات وانتقال الحرارة في جهاز الاحتراق وأيضًا احتمال حدوث تلف وتدمير في هيكل الاحتراق. لذلك من الضروري أن نكون قادرين على التنبؤ بالظروف التي تحدث فيها حالات عدم الاستقرار الديناميكي هذه في مرحلة التصميم الأولية للاحتراق وأيضًا دراسة كيفية قمع حالات عدم الاستقرار والتحكم فيها. نظرًا لأنها أكثر مرونة في مواجهة الاضطرابات القوية ولديها استقرار أفضل للهب مع انخفاض انبعاثات أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكربون، فقد أصبحت النيران الطبقية أكثر شيوعًا في السنوات الأخيرة. في هذه الدراسة، تم دراسة عدم الاستقرار الصوتي الحراري والانبعاثات في الموقد الحلقي المزدوج الطبقي والمثبت الدوامي لاحتراق هواء الميثان. من أجل إجراء دراسة عدم الاستقرار الحراري الصوتي للاحتراق الطبقي، أولاً في هذه الأطروحة، تم إجراء التحليل الطيفي لبيانات السلاسل الزمنية التي كانت متاحة لاحتراق وقود البروبان والأوكسي في احتراق غير مخلوط مسبقًا. تم إجراء تحليل على بيانات السلاسل الزمنية لضغط الصوت وتقلبات إطلاق الحرارة من أجل تحديد نطاق استقرار لهب البروبان-أوكسي في ظل ظروف التشغيل المختلفة. تهدف الدراسة إلى فحص عدم الاستقرار الصوتي الحراري للهب من خلال تغيير مستوى تخفيف ثاني أكسيد الكربون وكثافة قدرة الاحتراق مع الحفاظ على نسبة تكافؤ عالمية ثابتة. تمت الإشارة إلى السيناريو الذي تم بموجبه اقتران إطلاق الحرارة وتقلبات الضغط ويمكن أن يؤدي إلى تضخيم تقلبات ضغط الصوت، من خلال فرق الطور بين التقلبات ومؤشر رايلي اللحظي. كشفت النتائج عن تقلبات مقترنة وتضخيم ضغط الصوت عند مستويات تخفيف ثاني أكسيد الكربون المتوسطة، إلى جانب مؤشر رايلي السلبي وتقلبات غير منفصلة عند مستويات تخفيف ثاني أكسيد الكربون المنخفضة (<40%) والعالية (>60%). في مجال التردد، لوحظت ذروة ذات مقادير مختلفة عند 465 هرتز لتقلبات الضغط وإطلاق الحرارة في الأوضاع التي حدث فيها الاقتران. تم عرض مجموعة متنوعة من ترددات تساقط الدوامة (300-1000 هرتز) باستخدام رقم ستروهال بتركيزات مختلفة لثاني أكسيد الكربون، مما يشير إلى أن الأوضاع التي حدث فيها الاقتران كانت مستحثة بالدوامة. بعد إجراء إعادة بناء مساحة الطور لتقلبات ضغط الصوت، وجد أنه لم يتم تحقيق اتساع الدورة الحدية على الرغم من تضخيم تقلبات الضغط في الأوضاع التي حدث فيها الاقتران. إن مراقبة وتحليل أنماط التقلبات المقترنة والمنفصلة المتعلقة بالتفاعل بين دوامات اللهب عند تركيزات معينة من ثاني أكسيد الكربون أسفرت عن معلومات مهمة حول سلوك جهاز الاحتراق وساهمت في تقدم تكنولوجيا احتراق لهب أوكسي غير مختلط مسبقًا. بعد إجراء تحليل عدم الاستقرار الصوتي الحراري للاحتراق غير المخلوط مسبقًا، في القسم التالي من هذه الأطروحة، تم التحقيق في عدم الاستقرار الصوتي الحراري للموقد الحلقي المزدوج الطبقي المستقر الدوامي لاحتراق هواء الميثان. تمت دراسة اللهب الدوامي وغير الدوامي (اللهب النفاث) في الموقد عند رقم رينولدز الثابت وبنسب طبقية مختلفة (SR) ونسب التكافؤ العالمية (Φg). تراوحت نسبة SR من 1 إلى 3 بينما تنوعت Φg من ظروف النفخ الهزيل إلى الظروف الغنية (Φg = 1.2). تم تسجيل انبعاثات أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكربون المقبولة (<20 جزء في المليون) في هذه الدراسة للنيران الدوامة في ظل ظروف تشغيل هزيلة مستقرة (من Φg = 0.55 إلى 0.8) لجميع نسب التقسيم الطبقي التي تم فحصها. لم يلاحظ أي عدم استقرار صوتي حراري للهب النفاثة بغض النظر عن SR ونسبة التكافؤ. بالنسبة للنيران الدوامة، لم يتم تسجيل أي عدم استقرار صوتي حراري أقل من Φg = 0.8، بغض النظر عن SR. حدثت بداية عدم الاستقرار الصوتي الحراري عند Φg = 0.8، والتي يتبعها اقتران ضغط الصوت وتذبذبات إطلاق الحرارة عند Φg اللاحقة حتى Φg = 1.1، عندما انفصلت التذبذبات. في الوضع المقترن، زادت سعة ضغط الصوت، ولوحظت تذبذبات دورة الحد عند SR = 1 و SR = 1.5. لم يلاحظ أي تذبذبات دورة الحد عند أعلى من 1.5 ريال. علاوة على ذلك، تم قمع سعة ضغط الصوت وتذبذبات إطلاق الحرارة مع زيادة SR. من SR= 2 إلى 3، تم قمع ضغط الصوت وسعة إطلاق الحرارة بحوالي 70% عند Φg= 0.9، مقارنة بـ SR=1. ونتيجة لذلك، يمكن استخدام SR كوسيلة لقمع والسيطرة على عدم الاستقرار الصوتي الحراري. لذلك، بالنسبة للموقد الطبقي الحلقي المزدوج الجديد، باستخدام SR أعلى، يمكننا تحقيق انخفاض في انبعاثات أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكربون دون عدم استقرار صوتي حراري في ظل ظروف هزيلة. وأخيرا، تم تقييم وظيفة نقل اللهب للموقد الطبقي باستخدام طريقة الميكروفونين. كما تم إجراء عمليات محاكاة عددية للموقد الحلقي الطبقي المزدوج.

English Abstract

For gas turbine technology the implementation of stringent emission regulations for NOx and CO leads to the operation of these premixed combustors under lean conditions. However, under these conditions the burner is more susceptible to blowout and static instabilities. Another critical operational challenge that occurs in gas turbine combustors are dynamic instabilities also known as thermoacoustic instabilities. The phenomenon that leads to thermoacoustic instability is the coupling of sound pressure and heat release fluctuations and this can lead to significantly increased vibrations and heat transfer in the combustor and also possible damage and destruction in the combustor structure. It is therefore necessary to be able to predict the conditions at which these dynamic instabilities occur in the initial design stage of the combustor and also to study how the instabilities may be suppressed and controlled. Because they are more resilient to strong turbulence and have better flame stability with lower NOx and CO emissions, stratified flames have become more popular in recent years. In the present study, the thermoacoustic instability and emissions in a stratified, swirl-stabilized, dual-annular burner for methane-air combustion is investigated. In order to carry out the thermoacoustic instability study for the stratified combustor, firstly in this dissertation, the spectral analysis of time series data that was available for propane-oxyfuel combustion in a non-premixed combustor was carried out. An analysis was conducted on the time series data of sound pressure and heat release fluctuations in order to determine the stability range of propane-oxy-flames under various operating situations. The study aimed to examine the thermoacoustic instability of flames by varying the CO2 dilution level and combustor power density while maintaining a constant global equivalence ratio. The scenario under which the heat release and pressure fluctuations were coupled and could lead to the amplification of the sound pressure fluctuations, was indicated by the phase difference between the fluctuations and the instantaneous Rayleigh index. The findings revealed coupled fluctuations and sound pressure amplification at intermediate CO2 dilution levels, along with a negative Rayleigh index and uncoupled fluctuations at low (<40%) and high (>60%) CO2 dilution levels. In the frequency domain, a peak with different magnitudes was observed at 465 Hz for the pressure fluctuations and heat release in the modes where coupling occurred. A variety of vortex shedding frequencies (300–1000 Hz) was shown by using the Strouhal number at various CO2 concentrations, indicating that the modes at which coupling occurred were vortex induced. After carrying out the phase space reconstruction for the sound pressure fluctuations, it was found that limit cycle amplitudes were not achieved even though the pressure fluctuations are magnified in the modes at which coupling occurred. The observation and analysis of the coupled and decoupled modes of the fluctuations related to the interaction between flames vortexes at specific CO2 concentrations yielded important information about the behavior of the combustor and contributed to the advancement of non-premixed-oxy-flames combustor technology. After carrying out the thermoacoustic instability analysis for the non-premixed combustor, in the next section of this dissertation thermoacoustic instability was investigated for the stratified, swirl-stabilized, dual-annular burner for methane-air combustion. Swirling and non-swirling flames (jet flames) were studied in the burner at constant Reynolds number and at different stratification ratios (SR) and global equivalence ratios (Φg). The SR was varied from 1 to 3 while the Φg was varied from lean blowoff conditions to rich conditions (Φg=1.2). Acceptable NOx and CO emissions (< 20 ppm) were recorded in this study for swirling flames under stable lean operating conditions (from Φg =0.55 to 0.8) for all the stratification ratios investigated. No thermoacoustic instabilities were observed for the jet flames irrespective of the SR and the equivalence ratio. For swirling flames, no thermoacoustic instability was recorded below Φg=0.8, irrespective of the SR. The onset of thermoacoustic instability occurred at Φg=0.8, which is followed by the coupling of sound pressure and heat release oscillations at subsequent Φg until Φg=1.1, when the oscillations decoupled. In the coupled mode, the sound pressure amplitude increased, and limit cycle oscillations were observed at SR=1 and SR=1.5. No limit cycle oscillations were observed at higher SR above 1.5. Furthermore, the amplitudes of sound pressure and heat release oscillations were suppressed as SR was increased. From SR= 2 to 3, the sound pressure and heat release amplitudes were suppressed by approximately 70% at Φg= 0.9, compared to SR=1. Consequently, the SR can be utilized as a means of suppression and control of the thermoacoustic instabilities. Therefore, for the novel dual annular stratified burner, using higher SR, we can achieve low NOx and CO emissions without thermoacoustic instabilities under lean conditions. Finally, the flame transfer function for the stratified burner was evaluated using the two microphone method. Numerical simulations were also carried out for the stratified dual annular burner.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mokheimer, Esmail M. A.
Committee Members:	Antar, Mohamed A. and Hawwa, Muhammad and Alhems, Luai M. and Mahmoud, Mohamed
Depositing User:	QAZI TALAL (g201409340)
Date Deposited:	30 Dec 2024 07:35
Last Modified:	30 Dec 2024 07:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143185