عنوان پایان‌نامه
مدلسازی ترموآکوستیکی ناپایداری احتراق در محفظه احتراق پیش مخلوط رقیق
- رشته تحصیلی
- مهندسی هوا - فضا - جلوبرندگی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 64758;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 121
- تاریخ دفاع
- ۲۵ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- مینو قاسم زاده
- استاد راهنما
- روزبه ریاضی, شیدوش وکیلی پور تکلو
- چکیده
- به کارگیری فناوری احتراق پیش مخلوط رقیق در موتوهای توربین گاز به عنوان روشی برای رسیدن به استانداردهای زیست محیطی در خصوص انتشار آلایندهها، احتمال وقوع ناپایداری احتراق را افزایش میدهد. این پدیده میتواند موجب آسیب اجزای محفظه احتراق، کاهش بازدهی و طول عمر آن گردد. در این پژوهش، مدلی توسعه داده شده که توانایی پیشبینی فرکانس های تشدید در انواعی از محفظههای توربین گازی را دارد. در این مدل، پلنیوم و محفظه احتراق توسط داکتهای پیش مخلوط در نقش برنر به یکدیگر متصل شدهاند. مدلسازی با درنظرگرفتن فرضیات ساد هکننده مانند ایده آل بودن جریان، یک بعدی و خطی بودن اختلالات جریان و در نظر نگرفتن عوامل میر اکننده، انجام شده است. همچنین فرض شده که نوسانات نسبت تعادلی سوخت به هوا در برنر با یک تاخیر زمانی باعث ایجاد نوساناتی در نرخ انرژی آزاد شده در شعله میشوند. ترکیب معادلات حاکم آکوستیکی و نوسانات شعله، تشکیل یک دستگاه معادلات را میدهد که با کمک مقادیر ویژه مرتبط با ماتریس ضرایب این دستگاه معادلات، می توان فرکانس مودهای آکوستیکی محفظه را تعیین نمود. برای بدست آوردن فرکانس های تشدید محفظه، برنامه ای نوشته شده است که معادله مشخصه حاکم بر نوسانات را از ماتریس ضرایب استخراج و با استفاده از روش تکرار عددی نیوتن، مقادیر ویژه ماتریس ضرایب یا ریشه های مختلط معادله مشخصه را بدست م یآورد. برای صحه گذاری مدل توسعه داده شده، نتایج حاصل با نتایج موجود از مدل مرجع مقایسه شده که تطابق خوبی مشاهده شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که با درنظر گرفتن نوسانات شعله، برخی از فرکانس های پایدار، ناپایدار می شوند و فرکانس های تشدید نیز تغییر می کنند. برای تفکیک فرکانس های محفظه احتراق و پلنیوم، بهتر است از هر سه روش تغییر دما، طول و شرط مرزی استفاده شود تا بتوان به نتیجه قابل اعتمادتری دست یافت. نتایج نشان م یدهد در محدوده مورد مطالعه، با افزایش دامنه نوسانات احتراق، میزان نرخ رشد زیاد می شود ولی تغییرات فرکانس زیاد نمی باشد. با افزایش تاخیر زمانی احتراق، فرکانس های تشدید کاهش می یابد و تعداد فرکانس های ناپایدار سیستم افزایش می یابد. بررسی نتایج حاصل از به کارگیری مدل شعله آشفته توسعه داده شده در تحلیل اثر پارامترهای عملکردی مانند نسبت تعادل، دبی جریان و دمای هوای ورودی نشان می دهد که در محدوده نسبت تعادل مورد مطالعه، هر چه احتراق رقیق تر شود، تعداد فرکانس های ناپایدار بیشتر می شود. فرکانس های تشدید با افزایش دبی روند افزایشی از خود نشان می دهند. نرخ رشد فرکانس ها به صورت میانگین با افزایش دبی جریان ورودی افزایش می یابد و افزایش دمای ورودی، اثر ناپایدارکننده ای بر اغلب فرکانس ها دارد. نتایج همچنین نشان می دهد، شرط مرزی خفگی، دارای ویژگی میراکنندگی می باشد. بیشترین مقدار نرخ رشد در شرط مرزی باز دیده می شود و خصوصیات آکوستیکی شرط مرزی خفگی و بسته به یکدیگر نزدیک است. شکل مودها نیز برای فرکانس های منتخب ترسیم شده است. کد توسعه داده شده در این پژوهش در صورت بهبود در مدلهای ب هکار رفته در آن، به دلیل قابلیت تحلیل با سرعت بالا، می تواند در فرآیند طراحی مفهومی و بهینه سازی محفظه های پیش مخلوط رقیق مفید باشد.
- Abstract
- The possibility of combustion instability occurence is increased by development of low emission, lean- premixed gas turbine combustion systems. This phenomenon may cause various damage of the combustion parts and could reduce the efficiency and life cycle of the system. In this thesis, thermo acoustic instabilities of a lean premixed combustor has been investigated, and a mono-dimensional code is developed, which has the capability to predict the frequencies and mode shapes of instabilities in various industrial combustors. The linearized equations of motion are solved for perturbations with time dependence ????????. Two flame models were considered and the effect of inlet air mass flux, boundary conditions, equvalence ratio and inlet air temperatue were also investigated. After manipulation of flame heat release equation together with the equations of flow perturbation within the main components of the combustor model (i.e., plenum/ premixed duct/ and combustion chamber) and by considering proper boundary conditions between the components of model, a system of eight homogeneous equations would be obtained. This simplification, regarding the main components of the combustor model, is conceptually convenient since low frequency acoustic waves are not affected by bends. Moreover, some elements in the combustor are smaller than the wavelength of propagated acoustic perturbations. A convection time is also assumed to characterize the required time for the acoustic velocity fluctuations to travel from the point of injection to the location of flame front in the combustion chamber. The abovementioned system of equations has a related eigenvalue equation which solved by various numerical methods. It has complex roots. The sign of the imaginary part of these roots determines whether disturbances grow or decay, and the real part of these roots would give the frequency of the modes. The results show a reasonable agreement between the predicted values of dominant frequencies in the present model and those calculated by previous related study. Variations in dominant frequencies of combustor were also studied by changing combustor temperature, boundary conditions and combustor length. By changing the flame intensity parameter it was shown that the growth rate of acoustic modes would increase. The effect of time lag (convective time) was also investigated and it was demonstrated by increase of the time lag, the value of the acoustic mode would decrease whereas the number of unstable mode would enhance. Another extended flame model considering the variation of the flame speed as a function of equivalence ratio, was also studied in this thesis. It was shown that the reduction of equivalence may result in generation of more unstable acoustic modes. Also the results show that by the increase of the inlet air mass flow, the growth rates of acoustic modes would enhance. The study on the influence of the boundary conditions, shows that the open end boundary condition could increase the growth rate of the acoustic mode compared with the choked end. Since the choked end results in decreament of acoustic modes growth rates, it could be suggested that choked end could have damping effects on the oscillations. The developed one dimensional code has the capability to quickly predict the values of the thermoacoustic modes of a certain combustor and this could be valuable for the combustor designing procedures. Keywords: combustion instabilty, gas turbine, lean premixed combustor, resonance frequency.
