The objective of the current study is to introduce detailed process for a preliminary combustor design, and to develop a computer code for it. The program includes various empirical and semi-empirical methodologies for diffuser deign, combustor sizing, air distribution, and sub-component design such as primary and secondary zones. Using the developed program, the combustor sizing results are shown from an assumption of simple annual combustor cycle analysis. Two options are employed, 1) pressure loss approach, and 2) velocity assumption approach. Design results show that there are no significant differences in combustor sizing between two design options. Further code improvement is required for performance and emission evaluations of the designed combustor.
The preliminary design and performance test for determining dimensions of gas turbine combustor were investigated. The combustor design program was developed and applied to design our combustor. and detailed design for determining of swirler. dome and liner holes were performed experimentally. The swirler. which govern the combustion characteristics of combustor, was determined $40^{\circ}$ as swirl angle at first performance test. After second performance test the swirler was re-determined by 24 mm i.d.. 34 mm o.d., and swirl angle of $45^{\circ}$. The geometry of liner holes were determined by considering the flame stability and recirculation zone size. It was found that flame can be more easily stabilized by adjusting the swirier dimensions rather than liner holes. The geometry of swirler and liner holes were re-determined by final performance test with dilution holes. Also. the performance of combustor was evaluated by analysis of exhaust gases.
The combustion characteristics have been investigated to develop the 50 kW-class gas turbine combustor. The combustor design program was developed and applied to design this combustor. The combustion air which has the temperature of 45, 200, $300^{\circ}C$ were supplied to combustor for elucidating the effect of inlet air temperature on CO, NOx emissions and flame temperature. The exit temperature and NO were increased and CO was decreased with increasing inlet air temperature. Also, the effect of equivalence ratio was considered to verify the combustor performance. The emissions of CO and NO with inlet air temperature can be analyzed qualitatively by measuring the temperature inside the combustor. The combustion performance with fuel schedule was evaluated to get the informations of the starting and part loading process of gas turbine. The combustion was stable above the equivalence ratio of 0.18. The pattern factor which is the important parameter of combustor performance was satisfied with the design criterion. Consequently the combustor was proved to meet the performance goal required for the target gas turbine system.
This paper shows a general development process for aircraft gas turbine combustors. As a first step for developing the preliminary combustor design program, several combustor sizing methodologies using reference area concepts are reviewed. There are three ways to determine the reference area; 1) combustion efficiency approach, 2) pressure loss approach, 3) velocity assumption approach. The current study shows the comparisons of the calculated results of combustor reference values from the pressure loss and velocity assumption approaches. Further works are required to add iterative steps in the program using more reasonable values of pressure loss and velocities, and to evaluate the sizing results using data for actual combustor performance and sizes.
Gas turbine combustors is critical part due to high temperature operating conditions and the optimization of cooling design is required to avoid combustor failure. In gas turbine combustor, effusion cooling, impingement cooling and thermal barrier coating (TBC) are commonly used to improve cooling characteristics. In conceptual design, these cooling schemes are designed by 1D heat transfer calculation. Therefore, these design should be validated ted by nemurical or experiment methods. In this study, Conjugate Heat Transfer (CHT) analysis is performed for validation of gas turbine combustor cooling design.
The preliminary design and performance test were carried out for determining dimensions of gas turbine combustor. The combustor design program was developed and applied to design our combustor, and the specific dimensions for swirler, dome and liner holes were determined by the semiempirical manner. Based on the first performance test data, the swirl angle governing the combustion characteristics of primary combustor zone was determined as 40 deg.. Using the second performance test data, the swirler dimensions were readjusted by 24 mm i.d., 34 mm o.d., and swirl angle of 45 deg.. The geometry of liner holes were determined by considering the flame stability and recirculation zone size. It was found that flame can be more easily stabilized by adjusting the swirler dimensions rather than liner holes. The geometry of swirler and liner holes were readjusted by using the final performance test data with dilution holes. Also, the combustor performance and emission characteristics were evaluated by analysis of exhaust gases.
Design criterion for the size of micro Pt-catalytic combustor is investigated in terms of heat release rate. One-dimensional plug flow model is applied to determine the surface reaction constants using the experimental data at stoichiometric butane-air mixture. With these reaction constants, the mass fraction of butane and heat release rate predicted by the plug flow model are in good agreement with the experimental data at the combustor exit. The relationship between the size of micro catalytic combustor and mixture flowrate is introduced in the form of product of two terms-the effect of fuel conversion efficiency, and the effect of chemical reaction rate and mass transfer rate.
재생냉각식 액체로켓엔진의 예비 설계 단계에서 연소기 형상을 결정하기 위한 설계 방안을 제안하였다. CEA에서 예측된 연소 후 가스 물성치를 이용하여 로켓의 성능 및 재생냉각 성능을 계산하였다. 요구 추력, 연소실 압력, 주위 압력, 추진제 혼합비에 대해 1차원 관계식과 경험식으로 최적 유량과 연소기 성능을 예측하고, Rao 노즐 설계 기법을 활용하여 최종적으로 연소기 형상을 결정할 수 있는 방안을 제시하였다.
재생냉각식 액체로켓엔진의 예비 설계 단계에서 연소기 형상을 결정하기 위한 설계 방안을 제안하였다. CEA에서 예측된 연소 후 가스 물성치를 이용하여 로켓의 성능 및 재생냉각 성능을 계산하였다. 요구 추력, 연소실 압력, 주위 압력, 추진제 혼합비에 대해 1차원 관계식과 경험식으로 최적 유량과 연소기 성능을 예측하고, Rao 노즐 설계 기법을 활용하여 최종적으로 연소기 형상을 결정할 수 있는 방안을 제시하였다.
An aerodynamic design for centrifugal compressor which was applied to medium speed diesel engine has done. First of all, exact compressor specifications must be defined by accurate engine system matching. This matching program has been developed. Using the mean1ine prediction method, geometric design and performance curve for compressor was done and verified by comparing three dimensional viscous CFD results. The deviation at the design point was about 2.3%. Combustor has been designed and manufactured for the performance test of medium speed diesel engine turbocharger. Fuel nozzle of combustor was designed and performed by PIV and PDPA test equipment. Through these results, spray characteristics were studied and flow coefficient equation was deduced.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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