In this study, the structure of a edge flame near the flammability limits was explored through several paths approaching the combustion limits of a non-premixed flame: i.e., increase of fuel dilution ratio (FDR), reduction of mean flow velocity and variation of gravity effect. As a result, a unique interesting flame structure was discovered; i.e., a diffusion flame branch was enclosed by two asymmetric premixed flame branches. These structures have been compared for various fuels. Conclusively, each fuel has different flame structure and the meaning of this structure was discussed concerned about our understanding of laminar flame structures.
An experimental study on geometric optimization was conducted to develop a hybrid/dual swirl jet combustor for a micro-gas turbine. A hybrid concept indicating a combination of swirling jet partially premixed and premixed flames were adopted to achieve high flame stability as well as clean combustion. Location of pilot nozzle, angle and direction of swirl vane were varied as main parameters with a constant fuel flow rate for each nozzle. The results showed that the variation in location of pilot nozzle resulted in significant change in swirl intensity due to the change in flow area near burner exit, and thus, optimized nozzle location was determined on the basis of CO and NOx emissions under conditions of co-swirl flow and swirl $angle=30^{\circ}$. The increase in swirl angle (from $30^{\circ}$ to $45^{\circ}$) enhanced the emission performances, in particular, with a significant reduction of CO emission near lean-flammability limit. It was observed that the CO emission near lean-flammability limit was further reduced through the counter-swirl flow. However, there was not significant change in the NOx emission in the operating conditions (i.e. equivalence ratio of 0.6~0.7) between the co- and the counter-swirl flow.
Linear stability analysis of radiating counterflow diffusion flames is numerically conducted to examine the instability characteristics of cellular patterns. Lewis number is assumed to be 0.5 to consider diffusional-thermal instability. Near kinetic limit extinction regime, growth rates of disturbances always have real eigen-values and neutral stability condition of planar disturbances perfectly falls into quasi-steady extinction. Cellular instability of disturbance with transverse direction occurs just before steady extinction. However, near radiative limit extinction regime, the eigenvalues are complex and pulsating instability of planar disturbances appears prior to steady extinction. Cellular instability occurs before the onset of planar pulsating instability, which means the extension of flammability.
The effects of interaction between partially premixed and premixed swirl flames on CO and NOx emissions were experimentally investigated using a hybrid/dual swirl jet combustor for a micro-gas turbine. Under the condition of constant angle ($45^{\circ}$) for outer swirl vane, the angle and direction of inner swirl vane installed for a partially premixed flame were varied as main parameters with a constant fuel flow rate for each nozzle. It was found that for all conditions, CO and NOx emissions were measured below 4 ppm and 15 ppm at 15% $O_2$, respectively, in a wide range of equivalence ratio (0.6~0.9). For co-swirl flows, CO emission increased dramatically as the angle of inner swirl vane increased from $15^{\circ}$ to $45^{\circ}$ near lean-flammability limit (i.e. equivalence ratio of 0.5). On the other hand, the case of swirl $angle=45^{\circ}$ provided the lowest NOx emission at higher equivalence ratios than 0.6. For counter-swirl flows, the case of swirl $angle=45^{\circ}$ extended the lean-flammability limit but higher NOx emissions were found compared to those of co-swirl flows. These results could be inferred by interaction between (inner) partially premixed and (outer) premixed swirl flames. However, these estimations were not clear yet because there was insufficient data on turbulent flow structure and fuel-air mixing in the present experimental approach.
The characteristics of the outward-propagating premixed flames of stoichiometric mixtures of R134a/methane/oxygen/nitrogen have been experimentally investigated in a constant volume combustion chamber. Three regimes of the expanding flames were categorized based on the flame behavior.
Lean laminar premixed propane and methane flames which were anchored by a hydrogen-pilot flame in a tube were investigated experimentally. The flame shapes were observed by varying mean velocity from 10cm/s to 140cm/s and equivalence ratio from 0.45 to 0.8. In this study, behaviors of flames are divided into five regions such as tail-out, flash-back, flickering, stable and vibrating flames with respect to the mean velocity and the equivalence ratio. Although the flames are unstable in both the flickering and the vibrating region, they have different characteristics such as the frequency, sound generation and creation process of flame curvature. The flickering region exists near the flammability limit and the flame flickers in a frequency of about 10Hz. When flame front is bended, the propane flame front is straightened and the methane flame front is bended more by thermo-diffusive instability. In the vibrating region, the flame vibrates emitting audible sound in a frequency of about 100Hz. In the boundary of vibrating region, the vibration of flame changes between two modes such as single frequency vibration and dual frequency vibration. Increase and decrease of vibration in each mode are determined by thermo-acoustic instability.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.17
no.5
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pp.60-69
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2013
An optimum configuration of the hybrid/dual swirl jet combustor for a micro-gas turbine was investigated experimentally. Location of pilot nozzle, angle and direction of swirler vane were varied systematically as main parameters under the conditions of constant thermal load. The results showed that the variation in locations of inner fuel nozzle and pilot burner resulted in significant change in flame shape and swirl intensity due to the changes in recirculating flow pattern and minimum flow area near burner exit, in particular, with the significant reduction of CO emission near lean-flammability limit. In addition, it was observed that the co-swirl configuration produced less CO and NOx emissions compared to the counter-swirl configuration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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