The present study deals with experimental investigations on the syngas-oxygen combustion characteristics of a swirl-stabilized premixed flame in a 10 kW combustor. The effect of hydrogen in syngas has been investigated with different swirl angles to identify the role of hydrogen and swirl strength on the flame stability and CO emissions. The results show that hydrogen addition extended the blowout limit while narrowing the flashback limit. The dependence of blowout on the swirl angle is negligible while the dependence of flashback on the swirl angle is evidenced by two regimes depending on the amount of hydrogen. CO emission is decreased with increasing excess $O_2$ supply or increasing hydrogen content. Chemiluminescence diagnostics is utilized to provide information on the structure of a swirl-stabilized premixed flame. The OH chemiluminescence intensity is more concentrated near the burner exit with an increase in the hydrogen content, which results from high reactivity of hydrogen.
The present study has experimentally investigated the effects of $CO_2$ diluted oxygen on the structure of swirl-stabilized flame in a lab-scale combustor. The methane fuel and oxidant mixture gas ($CO_2$ and $O_2$) were mixed in a pre-mixer and introduced to the combustor through different degrees of swirl vanes. The flame characteristics were examined for various amount of carbon dioxide addition to the methane fuel and various swirl strengths. The effects of carbon dioxide addition and swirl intensity on the combustion characteristics of pre-mixed methane flames were examined using chemiluminescence techniques to provide information about flow field. The results show that the hot combustion zone increases at the upstream reaction zone because of an increase in the recirculation flow for an increase in swirl intensity. The hot combustion zone is also increased at the downstream zone by recirculation flow because of an increase in swirl intensity which results in higher centrifugal force. The OH and CH radical intensities of reaction zone decrease with carbon dioxide addition because the carbon dioxide plays a role of diluted gas in the reaction zone.
The effects of carbon dioxide addition to oxygen have been investigated with swirl-stabilized premixed methane flame in a laboratory-scale pre-mixed combustor. The methane fuel and oxydant mixture gas ($CO_2$ and $O_2$) were mixed in a pre-mixer and introduced to the combustor through different degrees of swirl vanes. The flame characteristics were examined for different amount of carbon dioxide addition to the methane fuel and different swirl strengths. The effects of carbon dioxide addition and swirl intensity on the combustion characteristics of pre-mixed methane flames were examined using chemiluminescence techniques to provide information about flow field. The results show that the flame area increases at upstream of reaction zone because of increase in recirculation flow for increase in swirl intensity. The flame area is also increased at the downstream zone by recirculation flow because of increase in swirl intensity which results in higher centrifugal force. The OH and CH radical intensity of reaction zone decrease with carbon dioxide addition because the carbon dioxide plays a role of dilution gas in the reaction zone.
Influence of changing combustor pressure on flame stabilization and emission index in the swirl-stabilized flame was investigated The combustor pressure was controlled by suction fan at combustor exit. Pressure index ($P^{\ast}=P_{abs}/P_{atm}$), where $P_{abs}$ and $P_{atm}$ indicated the absolute pressure and atmosphere pressure, respectively, was controlled in the range of $0.7{\sim}1.3$ for each equivalence ratio conditions. The flammable limits of swirl flames were largely influenced by changing combustor pressure and they showed similar tendency with laminar flames. $NO_x$ emission index decreased with decreasing pressure index for overall equivalence ratio conditions. R.m.s. of pressure fluctuations is increased with decreasing combustor pressure. This flame fluctuation caused incomplete combustion , hence CO emission index increased. These oscillating flames were measured by simultaneous $CH{\ast}$ chemiluminescence time-series visualization and pressure fluctuation measurement.
Influence of changing combustor pressure on flame stabilization and emission index in the swirl-stabilized flame was investigated. The combustor pressure was controlled by suction fan at combustor exit. Pressure index ($P^{\ast}$=Pabs/Patm), where Pabs and Patm indicated the absolute pressure and atmosphere pressure, respectively, was controlled in the range of 0.7${\sim}$1.3 for each equivalence ratio conditions. The flammable limits of swirl flames were largely influenced by changing combustor pressure and they showed similar tendency with laminar flames. NOx emission index decreased with decreasing pressure index for overall equivalence ratio conditions. R.m.s. of pressure fluctuations is increased with decreasing combustor pressure. This flame fluctuation caused incomplete combustion, hence CO emission index increased. These oscillating flames were measured by simultaneous $CH^{\ast}$ chemiluminescence time-series visualization and pressure fluctuation measurement.
Unsteady numerical study has been conducted on combustion dynamics of a lean-premixed swirl-stabilized gas turbine swirl injector. A three-dimensional computation method utilizing the message passing interface (MPI) parallel architecture, large eddy simulation(LES), and proper orthogonal decomposition (POD) technique was applied. The unsteady turbulent flame dynamics are simulated so that the turbulent flame structure can be characterized in detail. It was observed that some fuel lumps escape from the primary combustion zone, and move downstream and consequently produce hot spots. Those flame dynamics coincides with experimental data. In addition, basis modes of the unsteady turbulent flame are characterized using proper orthogonal decomposition (POD) analysis. The flame structure based on odd basis modes is apparently larger than that of even ones. The flame structure can be extracted from the summation of the basis modes and eigenvectors at any moment.
Influence of changing combustor pressure on flame stabilization and nitrogen oxide (NOx) emission in the swirl-stabilized flame with secondary fuel injection was investigated. The combustor pressure was controlled by suction at combustor exit. Pressure index ($P{\ast}=P_{abs}/P_{atm}$), where $P_{abs}$ and $P_{atm}$ indicated the absolute pressure and atmosphere pressure, was controlled in the range of $0.7{\sim}1.3$ for each equivalence ratio conditions. The flammable limits of swirl flames were largely influenced by changing combustor pressure and they showed different tendency compared with laminar flames. Emission index showed maximum value near atmospheric condition and decreased with decreasing pressure index for overall equivalence ratio conditions. R.m.s of pressure fluctuations also showed similar tendency with nitric oxide emission. By injecting secondary fuel into flame zone, the flammable limits were extended significantly. Emission index of nitric oxide and r.m.s. of pressure fluctuations were also controlled by injecting secondary fuel. The swirl flames were somewhat lifted by secondary fuel with high momentum, hence low nitric oxide emission. This NOx reduction technology is applicable to industrial furnaces and air conditioning system by adopting secondary fuel injection.
환형 스월 난류 연소기 내에서 반응, 비반응시 발생하는 유동의 차이를 flamelet 난류연소와 난류유동 모델을 모두 고려한 3차원 LES 기법으로 연구하였다. 계산 모델은 GEAE의 LM6000 환형연소기를 이용하였으며, 조건은 실험에서 얻어진 값을 이용하였다. 연소시 열방출에 의해 연소가스의 체적이 팽창하고 이로 인해 유입되는 스월의 주흐름은 하류방향으로 더욱 뻗어나간다. 비반응에서 나타났던 수직 단면에서의 타원형의 속도 분포는 원형에 가깝게 변하며, 비반응 유동장에서는 와류의 분포가 광범위하게 나타나지만, 반응유동에서는 약한 와류들은 소멸되는 것으로 나타났다. 즉 반응과 비반응에서 와류 분포와 강도, 그리고 동일 세기의 와류의 크기가 확연히 다르게 나타나는데, 이는 연소에 의한 밀도 팽창에 의한 영향으로 판단된다.
Hot-firing tests were performed to experimentally confirm the effect of the eigenmode in the fuel-air mixing section on combustion instability by changing mixing section length, inlet mean velocity, equivalence ratio, and swirler geometry. A premixed gas composed of air and ethylene was supplied to the combustion chamber through an mixing section and an axial swirler. As the mixing section length increased, the inlet velocity perturbation decreased, but the combustion instability increased more. It was found that the resonance frequency of the first longitudinal mode in the mixing section shifted to the third longitudinal mode as the length of the mixing section increased. The results implied that the transition of the resonace frquency by changing the length of the mixing section might cause combustion instability.
Two- and Three- dimensional numerical simulations are carried out to understand the combustion characteristics of LNG-fueled gas turbine combustor for power generation using imported and domestic natural gases. Reacting flow characteristics of the swirl stabilized natural gas combustor were understood from the numerical results with the flow conditions selected from the gas turbine operation data. The thermal influences of different natural gases were very small and the fuel composition and flow rate were considered to be tuned well. The flow structures of the recirculation and combustion region was understood from the comparison of the two- and three-dimensional results. The complexity of the three-dimensional swirl flows inside the gas turbine combustor with multiple swirlers was understood those resulting from the interactions of the stage and pilot burners.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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