The results of stand and field testing of a combustion chamber for a heavy-duty 150 MW gas turbine are discussed. The model represented one of 14 identical segments of a tubular multican combustor constructed in the scale 1:1. The model experiments were executed at a pressure smaller than in the real gas turbine. The combustion efficiency, pressure loss factor, pattern factor, liner wall temperature, flame radiation, fluctuating pressure, and NOx emission were measured at partial and full load for both model and on-site testing. The comparison of these items of information, received on similar modes in the stand and field tests, has allowed the development of a method of calculation and the improvement of gas turbine combustors.
This paper deals with the experimental study on the flow characteristics in straight flow can type combustor which has been used for high pressure ratio gas turbine combustor. The author has investigated the effects of swirl number and secondary air hole arrays in axial position on the flow characteristics by adopting the tuft method and 5-Hole Pilot Tube. From these experiments, as the swirl number increases, the results obtained is that the area of recirculation zone becomes wide and the position of vortex-core region approaches to the near of fuel nozzle in the model combustor. The most favourable penetration is obtained when secondary air jet is introduced through the air holes distributed in the form of paralled two rows in axial position of model combustor.
The combustion instability was experimentally investigated in model gas turbine combustor with dual swirl burner. When such instability occurs, a strong coupling between pressure oscillation and unsteady heat release excites a self-sustained acoustic wave which results in a loud sound, and can even cause fatal damage to the combustor and entire system. In present study, to understand the combustion instability with a premixed mixture, the detailed periods of pressure and heat release data in unstable flame mode were investigated by various measurement methods at relatively rich condition and lean condition near flammable limits. Also, to prepare the utilization of synthetic natural gas (SNG) fuel in gas turbine system, an investigation was conducted using a simulated SNG including methane as a reference fuel to examine the effects of $H_2$ content on flame stability. These results provide that the instability due to flash-back behaviour like CIVB phenomenon occurred at rich condition, while the repetition of relighting and extinction caused the oscillation of lean condition near flammable limit. From the analysis of $H_2$ content effects, it is also confirmed that the instability frequency is proportional to the laminar burning velocity at both rich and lean condition.
A numerical study was conducted to determine the effects of high temperature air, including equivalent ratio on flow field, temperature, evaporation, and overall temperature distribution in gas turbine combustor. A sector model of a typical wall jet can combustor, featuring introduction of primary air and dilution air via wall jet, was used in calculations. Flow field and temperature distribution were analyzed. Operating conditions such as inlet temperature and overall equivalent ratio were varied from 373 to 1300 K, and from 0.3 to 0.6, respectively, while any other operating conditions were fixed. The RNG ${\kappa}-{\varepsilon}$ model and eddy breakup model were used for turbulence and combustion model respectively. It was found that the increase with the inlet air temperature, velocity in the combustor is accelerated and evaporation of liquid fuel is not affected in primary zone, high temperature inlet air enhances the evaporation and improves overall temperature distribution factor.
In this study, thermoacoustic analysis model was developed in order to predict both eigenfrequencies and initial growth rate of combustion instabilities for lean premixed gas turbine combustors. As a first step, a model combustor and nozzle were selected and analytical linear equations for thermoacoustic waves were derived for a given combustion system. Then, methods showing how the equations can be used for analysis of the combustion instability were suggested. It was found that the prediction results showed a good agreement with the measurements. However, there were some limitation in growth rate predictions, which were related with over-simplification of flame structure, acoustic boundary conditions, and temperature distribution in the combustor.
Aero gas turbine engines must demonstrate their ability to be ignited on ground conditions or relighted in flight. The electric spark ignition is usually used in current aero gas turbine engines. Experiments on ignition characteristics relating to spark igniter penetration depth under atmospheric pressure and temperature conditions were conducted on the model combustor which is scaled in 1/18. Exciter was operated during 2 seconds, and successful ignition phenomena were confirmed by the pressure rising sharply in combustor. In addition, instantaneous ignition images were captured by a high-speed camera. It showed kernel propagation and successful ignition events in the sector model combustor. Ignition test results showed that ignition limit with increase in penetration depth of the igniter plug was wider. When the penetration depth of the igniter plug increased under the same fuel injection pressure condition, successful ignition events were obtained in higher differential pressure conditions between inlet and outlet of the combustor. The results demonstrate that the ratio of the combustible mixture, which is exposed to the high temperature environment around the igniter plug tip, increases. Thereby affect the combustor ignition performance.
Large eddy simulation(LES) methodology used to model the isothermal swirling flows in a dump combustor and the turbulent premixed flame in a model gas turbine combustor. The LES solver was implemented on parallel computer consisting 16 processors. In isothermal flow simulation, the results was compared with that of ${\kappa}-{\varepsilon}$ model as well as experimental data, in order to verify the capability of LES code. To model the turbulent premixed flame in a gas turbine, the G-equation flamelet model was used. The results showd that LES and RANS well predicted the mean velocity field of a non-swirling flow. However, in swirling flow, LES showed a better performance in predicting the mean axial and azimuthal velocities, and the central recirculation zone than those of RANS. In a model gas turbine combustor, the operation condition of high pressure and temperature induced the different phenomena, such as flame length and flow-field information, comparing with the condition of ambient pressure and temperature. Finally, it was identified that the flame and heat release oscillations are related to the vortex shedding generated by swirl flow and pressure wave propagation.
Large eddy simulation(LES) methodology used to model isothermal non-swirling and swirling flows in a model gas turbine combustor. The LES solver was implemented on parallel computer consisting 16 processors. To verify the capability of LES code and characterize swirling flow, the results was compared with that of Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) using k -$\epsilon$ model as well as experimental data. The results showed that the LES and RANS well predicted the mean velocity field of a non-swirling flow. Specially, the LES showed a very excellent prediction performance for the corner recirculation zone. In swirling flow, comparing with the results obtained by RANS, LES showed a better performance in predicting the mean axial and azimuthal velocities, and the central recirculation zone. Finally, unsteady phenomena of turbulent flow was examined with LES methodology.
The firtst-order conditional moment closure (CMC) model is applied to CH4/air swirl diffusion flame in a gas turbine model combustor. The flow and mixing fields are calculated by fast chemistry assumption with SLFM library and a beta function pdf for mixture fraction. RNG k-e model is used to consider the swirl flame in a confined wall. Reacting scalar fields are calculated by elliptic CMC formulation with chemical kinetic mechanism, GRI Mech 3.0. Validation is done against measurement data for mean flow and scalar fields in the model combustor [1]. Results show reasonable agreement with the mean mixture fraction and its variance, while temperature is overpredicted as the level of local extinction increases. The second-order CMC model is needed to consider local extinction with considerable conditional fluctuations near the nozzle.
정유공장으로부터 발생하는 중잔사유를 이용하는 가스화 복합발전 플랜트에 대한 공정모사를 수행하였다. 가스화 복합사이클의 발전계통을 모델링하기 위해 본 연구는 MS7001FA 가스터빈이 공기분리장치와 연계되어 있고, 공기분리장치를 위한 공기 추출과 공기분리장치로 부터의 질소희석이 이루어진다고 가정하였다 가스터빈의 폐열은 삼중압력의 페열회수 증기발생장치로부터 회수하였다. 가스터빈의 합성가스 연료는 중잔사유가 Shell 가스화 및 Sulfinol-SCOT-Claus 공정을 거쳐 발생되는 것으로 가정하였다. 공정 최적화 결과로부터, 가스화 복합사이클의 효율이, 질소 희석이 없는 경우와 있는 경우에 대해, 공기추출비 20% 또는 40∼60%에서 가장 우수했다. 그리고, 연소지의 질소희석은 NOx 저감에 매우 바람직하고 현저한 효과를 가져오나, 반면에 가스터빈의 운전조건을 써지 조건에 가깝게 이동시킴을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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