Yöndeş ve ters akışlı hava parçalamalı yakıt hava püskürtücülü bir yanma odasının karakteristiklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile belirlenmesi
Investigation of co and counter configurations of a double swirler airblast atomizer in an annular combustor with computational fluid dynamics
Yazar: HASAN BAŞAR BOLAT
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yanma odası tasarımlarında yakıt ve havanın iyi derecede karıştırılmaları en önemli noktalardan birisidir. Hava parçalamalı yakıt-hava püskürtücüsü, sıvı yakıtı atomize etmek ile beraber yakıt ve havayı da etkin biçimde karıştırarak yanma odasının içine gönderir. Yakıt ile havanın etkin karışımı, havaya döngülü bir hareket kazandıran atomizer kanalları sayesinde gerçekleştirilir. İki döngülü atomizer kanallarının hava akış yönlerinin seçiminde iki farklı yöntem izlenebilir. Yöndeş döngülü konfigürasyonda, hava atomizer kanallarına aynı yönde girer ve atomizer çıkışında radyal yönde genişleyen bir akış yapısı gözlemlenir. Ters akışlı konfigürasyonda ise birincil ve ikincil döngü kanallarından gelen akımlar zıt yönde döndüklerinden, büyük döngü hareketi parçalanarak, birincil bölge içerisinde düzensiz bir akış yapısı yaratırlar. Mevcut tez çalışmasında, hava parçalamalı atomizerlerin yöndeş ve ters akışlı konfigürasyonların turbojet ve turboşaft motor yanma odalarındaki performansları, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği simülasyonları gerçekleştirilerek incelenmiştir. Gerçekleştirilen HAD analizlerinde, akışın türbülans ve yanma karakteristikleri Realizable k-ε türbülans modeli ve Flamelet yanma modeli kullanılarak RANS yöntemi ile modellenmiştir. Analizlerde kullanılan türbülans ve yanma modellerinin doğrulanması Sandia Flame D deneyi simüle edilerek yapılmıştır. Analizler sonucunda, turbojet motor için yöndeş atomizer konfigürasyonun, yanma odası duvarlarının yüksek sıcaklıklardan korunması bakımından daha uygun ve daha iyi yanma odası radyal çıkış sıcaklık profiline sahip olduğu bulunmuştur. Turboşaft motor için ters akışlı atomizer konfigürasyonun daha yüksek yanma verimine ve daha iyi yanma odası çıkış sıcaklık profiline sahip olduğu gözlemlenmiştir. Her iki motorunda basınç kaybının atomizer konfigürasyonundan etkilenmediği görülmüştür.  Turbojet motor yanma verimi her iki konfigürasyon için %96.5, Turboşaft motor için yanma verimi, yöndeş atomizer konfigürasyonunda %97.5, ters akışlı konfigürasyonunda %98.4 bulunmuştur. 

Anahtar Kelimeler: HAD, Yanma odası, Hava parçalamalı yakıt-hava püskürtücüsü, Basınç düşümü, Yanma verimi

Abstract:
Strong mixing of fuel and air is one of the most important issues in a gas turbine combustion chamber design. Air-blast atomizer has two important functions in combustion chamber. One of them is atomizing the liquid fuel, and second one is mixing the air and fuel intensively in the primary zone of the combustor. This strong mixing can be achieved by channels of the air-blast which can create swirl in flametube. There are two types of configurations in double swirler atomizers in combustors, namely, a co-swirl atomizers and counter-swirl atomizers.  In the co-swirl configurations the flow enters to the primary and secondary swirler channels in the same direction and then expands radially at the exit of the atomizer. On the other hand, in the counter-swirl atomizers, as primary and secondary swirlers rotate in opposite directions it can cause erratic flow structures in the flametube. In this study, the effect of the co/counter configurations of a double swirler airblast atomizer in an annular turbojet and turboshaft reverse flow combustor was investigated by computational fluid dynamics. In simulations, Realizable k-ε model was used for modelling turbulence, Flamelet combustion model for modelling reactions with RANS methodology. CFD results were validated by simulating Sandia Flame D experiment and using its experimental measurements. Results of CFD simulations, in turbojet combustor, co airblast atomizer has more advantageous than counter configuration to prevent combustor walls from hot gases and has better temperature profile for turbine NGV at the exit of the combustor. In turboshaft combustor, counter-swirl airblast configuration has higher combustion efficiency and has better temperature profile at the exit of the combustor than co-swirl configuration. Co and counter-swirl arrangement has no effect on pressure for the whole combustor. In turbojet combustor both configurations result in the same combustion efficiency of %96.5. In turboshaft combustor, Co-swirl airblast configuration has %97.5 and counter-swirl configuration has %98.4 combustion efficiency.

Keywords: CFD, Combustion chamber, Airblast atomizer, Pressure Drop, Combustion efficiency