title: Experimental investigation of a low-NOx swirl-assisted and jet-stabilized gas turbine combustor concept
Creators: name: Izadi, Saeed
Publisher: name: Universität Stuttgart
Year: 2025
Subjects: subject: 600

description: Today's aircraft engine emission standards regulate, among other aspects, the emissions of nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (UHC) at low altitudes, i.e. during the take-off and landing cycle. It is expected that international aviation regulatory bodies will extend the standards to include high-altitude emissions. This will reduce the global impact of these pollutants. In particular, NOx emissions will need to be reduced due to their role in the greenhouse effect as one of the major non-CO2 factors at higher altitudes. Therefore, in order to meet the upcoming stricter emission standards while maintaining optimal combustor reliability, affordability and efficiency, innovative combustor concepts are required. As a low-NOx combustion technology for future gas turbine engines, a low-swirl, lean premixed prevaporized concept can be an alternative to current conventional combustor systems. The concept is characterized by a lean-fuel and a high degree of mixing of the fuel with air prior to the reaction zone. This results in minimized hot spots and a significant reduction in thermal NOx levels. This work aims to investigate an innovative jet-stabilized concept. Initially, a single-nozzle jet-stabilized gas turbine combustor as a reference combustor was tested using both spray and superheated injection (flash atomization) of Jet A-1 at atmospheric pressure. Non-reactive tests using Mie scattering showed that as the fuel temperature increased, the fuel spray gradually vanished and was replaced by a rapidly evaporating fuel plume. The primary effect was a re-duction in the size of the fuel droplets, but also a rapid axial acceleration of the fuel vapor. As a result of the superheated injection, the Jet A-1's radial penetration was significantly reduced. This resulted in poorer mixing of the fuel with the air and led to shifting flame downstream of the flow. Additionally, the high temperatures caused carbon deposits to form within the fuel lines and the injector, which limited the operation of the combustor. These initial tests showed that fundamental changes to the combustor design are required to utilize superheated fuel injection with low emissions and a wide operating range in the jet-stabilized single-nozzle com-bustor. Due to the narrow operating range of the single-nozzle jet-stabilized combustor under spray conditions and the extremely unstable flame under superheated conditions, the combustor was iteratively developed to incorporate additional components. This was followed by a thorough study of how each component affected fuel vaporization and emissions. The results showed that, the additional components allowed for improved fuel-air mixing, fuel atomization, and evaporation prior to the reaction zone. The axial swirler slowed the rapidly expanding, high-velocity, superheated fuel by providing moderate swirling motion. The swirler hub proved to be an effective baffle, allowing the expanding and superheated fuel to mix better with the air. In addition, a prefilmer channel was installed around the axial swirler to increase the velocity through the swirler vanes, which allowed for improved secondary atomization of the fuel by means of an air-blast effect. As a result, a systematic variation of combustor operational and geometric design parameters was experimentally performed to study their effects on a newly developed swirl-assisted jet-stabilized combustor. The operational parameters included the adiabatic flame temperature, the thermal power, and the air and fuel temperatures, while the geometric parameters were the type of fuel injector, swirl number, the flame tube and the air nozzle diameters. In addition, to evaluate their behavior under sprayed and superheated injection regimes, four different liquid fuels with different thermochemical properties were tested. Finally, water vapor was added to the fuel-air mixture for evaluation of flame resistance to perturbations such as dilution and combustion inhibitors. For the characterization of the physical phenomena, established methods of combustion diag-nostics have been applied. Mie scattering was used in non-reactive and reactive tests for quali-tative analysis of fuel spray angle, penetration depth and degree of evaporation in the flame tube. Flame length (FL) and height above burner (HAB) of the heat release zone were deter-mined using OH* chemiluminescence. Furthermore, an emission analyzer was used to evaluate the pollutants emitted from the flames. These pollutants include NOx, CO, UHC and particu-late matter (PM). The mean residence time, bulk velocity, and recirculation rate and shape in the flame tube were primarily affected by variation of the flame tube diameter (DFT). This led to a change in reaction zone’s HAB and FL. The lowest NOx and CO levels were consistently observed with the smallest air nozzle diameter (DAN). This could be attributed to improved fuel-air mixing resulting from increased air dispersion at the nozzle exit, which led to increased turbulence at higher jet velocities. For both Jet A-1 and natural gas combustion, the injection of steam re-duced NOx emissions by lowering the adiabatic flame temperature. The characterized combustor concept features very low-emission combustion of a variety of liquid fuels over a wide operating range. The combustor concept is insensitive to spray quality so that injectors with poorer spray characteristics can be used. For the presented concept it was also shown that the injection of superheated fuel does not offer significant advantages due to the fuel preparation in the combustor.
description: Die heutigen Abgasnormen für Flugzeugtriebwerke legen unter anderem fest, wie viel Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC) in niedrigen Höhen - also während des Starts und der Landung - ausgestoßen werden dürfen. Es wird erwartet, dass internationale Luftfahrtbehörden diese Regeln in Zukunft auch auf Emissionen in großen Höhen ausweiten werden. Das Ziel ist es, die globalen Auswirkungen dieser Schadstoffe zu verringern. Besonders die NOx-Emissionen sollen reduziert werden, da sie in großer Höhe eine wichtige Rolle im Treibhauseffekt spielen und neben Kohlendioxid (CO2) zu den größten Klimatreibern gehören. Um diese strengeren Anforderungen zu erfüllen, ohne die Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Effizienz der Brennersysteme zu beeinträchtigen, sind innovative Konzepte gefragt. Als vielversprechende Low-NOx-Verbrennungstechnologie für zukünftige Gasturbinentriebwerke stellt ein Low-Swirl-, Lean-Premixed-Prevaporized-Konzept eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Brennersystemen dar. Dieser Ansatz zeichnet sich durch ein mageres Brennstoff-Luft-Gemisch und einen hohen Durchmischungsgrad von Brennstoff und Luft vor der Reaktionszone aus. Dadurch werden lokale Hotspots minimiert und die Bildung von thermischem NOx signifikant reduziert. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Konzept untersucht, das auf einer jet-stabilisierten Verbrennung basiert. Zunächst wurde ein jet-stabilisierter Einzeldüsenbrenner als Referenzbrenner getestet, wobei sowohl Drall-Druck-Zerstäubung als auch die thermische Zerstäubung von überhitztem Jet A-1 (Flash-Atomization) bei Atmosphärendruck untersucht wurden. Mithilfe von Mie-Streuung konnte in nicht-reaktiven Tests gezeigt werden, dass bei steigender Brennstofftemperatur das Spray sich allmählich auflöste und durch eine schnell verdampfende Brennstoffwolke ersetzt wurde. Die Brennstofftropfen wurden kleiner, und der Brennstoffdampf beschleunigte in axialer Richtung. Durch die überhitzte Einspritzung drang jedoch weniger Brennstoff in radialer Richtung ein. Dies führte zu einer unzureichenden Vermischung von Brennstoff und Luft, was eine Verschiebung der Flamme stromabwärts zur Folge hatte. Zusätzlich bildeten sich bei den hohen Temperaturen Ablagerungen in den Brennstoffleitungen und dem Injektor, was den Betrieb des Brenners einschränkte. Diese ersten Tests machten deutlich, dass die Auslegung des Brenners grundlegend überarbeitet werden musste, um eine überhitzte Brennstoffeinspritzung mit niedrigen Emissionen und einem breiten Betriebsbereich zu ermöglichen. Da der Einzeldüsenbrenner unter Spraybedingungen lediglich einen begrenzten Betriebsbereich aufwies und die Flamme bei überhitzter Einspritzung äußerst instabil wurde, erfolgte eine schrittweise Weiterentwicklung des Designs. Zur Optimierung des Brennersystems wurden zusätzliche Komponenten integriert, deren Einfluss auf die Brennstoffverdampfung und die Emissionsbildung detailliert analysiert wurde. Die Untersuchungen ergaben, dass diese Komponenten die Durchmischung von Brennstoff und Luft sowie die Zerstäubung und Verdampfung des Brennstoffs vor der Verbrennung signifikant verbesserten. Ein axialer Drallgeber wurde implementiert, um die schnelle Expansion des überhitzten Brennstoffs durch die Erzeugung einer leichten Drehbewegung zu kontrollieren. Der Drallgeber fungierte dabei als Umlenkplatte, welche die Vermischungseffizienz von Brennstoff und Luft steigerte. Zusätzlich wurde um den Drallgeber ein Prefilmer installiert, um die Strömungsgeschwindigkeit durch die Drallgeberschaufeln zu erhöhen. Dies ermöglichte eine verbesserte Zerstäubung des Brennstoffs durch einen Luftstrahl-Effekt. In der folgenden Phase wurden systematisch verschiedene Betriebs- und Designparameter variiert, um deren Einfluss auf den neu entwickelten, drallunterstützten und jet-stabilisierten Brenner zu evaluieren. Zu den Betriebsparametern zählten die adiabatische Flammentemperatur, die thermische Leistung sowie die Temperaturen von Luft und Brennstoff. Bei den Designparametern wurden der Brennstoffinjektor, der Durchmesser des Flammrohrs (DFT) und der Luftdüse (DAN) angepasst. Darüber hinaus wurden vier verschiedene Flüssigbrennstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften getestet, um deren Verhalten unter Spray- und überhitzten Einspritzungsbedingungen zu vergleichen. Abschließend wurde Wasserdampf in das Brennstoff-Luft-Gemisch eingeleitet, um die Flammenstabilität bei Störungen wie Verdünnung zu untersuchen. Zur Analyse der physikalischen Prozesse kamen etablierte Methoden der Verbrennungsdiagnostik zum Einsatz. Mittels Mie-Streuung wurde der Brennstoffspray in nicht-reaktiven und reaktiven Tests untersucht, um qualitativ die Eindringtiefe und den Verdampfungsgrad im Flammrohr zu bestimmen. Die Flammenlänge (FL) und die Position der Wärmefreisetzungszone wurden durch OH*-Chemilumineszenz ermittelt. Ein Emissionsanalysator diente zur Erfassung der Schadstoffemissionen, einschließlich NOx, CO, UHC und Feinpartikel (PM). Die Variation des Flammrohrdurchmessers beeinflusste die Verweilzeit, die Strömungsgeschwindigkeit und die Rezirkulation im Flammrohr, was sich wiederum auf die Abhebehöhe (HAB) und Länge der Flamme auswirkte. Die niedrigsten NOx- und CO-Emissionen wurden bei dem kleinsten Luftdüsendurchmesser gemessen, was auf eine verbesserte Durchmischung von Brennstoff und Luft zurückzuführen war. Die Zugabe von Dampf reduzierte die NOx-Emissionen bei der Verbrennung von Jet A-1 und Erdgas, da die adiabatische Flammentemperatur gesenkt wurde. Das entwickelte Brennerkonzept ermöglicht eine emissionsarme Verbrennung verschiedener Flüssigbrennstoffe über einen breiten Betriebsbereich. Es zeigt eine hohe Robustheit gegenüber der Qualität des Brennstoffsprays, sodass auch einfachere Injektoren verwendet werden können. Die Tests ergaben jedoch, dass die überhitzte Brennstoffeinspritzung aufgrund der effizienten Brennstoffaufbereitung in diesem Brenner keine signifikanten Vorteile bietet.