Bir turbojet motorda yanma odası yakıt püskürtme sistemlerinin çıkış radyal sıcaklık dağılımı ve yanma karakteristikleri üstündeki etkilerinin incelenmesi / Baran İper; thesis advisor Sıtkı Uslu.

Tez (Yüksek Lisans Tezi)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Nisan 2022

Bir turbojet motor yanma odası tasarımının önde gelen tasarım gereksinimlerinden biri istenilen çıkış sıcaklık dağılımının elde edilmesidir. Yanma odası çıkış sıcaklık dağılımı, sürekli bu sıcaklıklar altında çalışacak olan lüle yönlendirme ve türbin kanatçıkları ömürlerini doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle çıkış sıcaklık dağılımı, soğutmanın güç olduğu uç kısımlarda ve sürekli olarak mekanik gerilmelere maruz kalan kök bölgesinde daha düşük sıcaklıkların bulunacağı şekilde olmalıdır. Çıkış sıcaklık dağılımını, yanma odası astar deliklerinin şekli ve konumunun yanı sıra kimyasal reaksiyonların büyük ölçüde gerçekleştiği birincil bölge sıcaklık dağılımı da etkilemektedir. Böylelikle sıcaklık dağılımını doğrudan etkileyen yakıt püskürtme karakteristikleri çıkış sıcaklık dağılımını da etkilemektedir. Bu tez çalışmasında, turbojet yanma odasının yakıt püskürtme sistemi parametrelerinin yanma karakteristikleri ve çıkış sıcaklık dağılımı üstündeki etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda KALE ARGE tarafından geliştirilen turbojet yanma odası ile Star CCM+ yazılımı kullanılarak reaktif iki fazlı hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri yapılmıştır. Öncelikli olarak türbülans ve yanma modelinin etkilerinin incelendiği doğrulama çalışmaları, ESPOSA (Efficient Systems for Propulsion for Small Aircraft) projesi kapsamında geliştirilen yanma odası kullanılarak tamamlanmıştır. CIAM (Central Institute of Aviation Motors) tarafından elde edilen test verileri ile kıyaslanan HAD analizleri sonucunda Realizable k-ε türbülans modeli ve Steady Laminar Flamelet yanma modeli test verileri ile tutarlı sonuçlar ortaya koymuştur. Tez çalışmalarının gerçekleştirileceği KALE ARGE yanma odası ile HAD analizleri çözünürlük çalışmaları gerçekleştirilmiştir. İlk olarak 1,75, 7 ve 20,2 milyon hücre içeren çözüm ağları ile çözüm ağından bağımsızlaştırma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. 7 milyon hücre içeren çözüm ağının verdiği tutarlı sonuçlar neticesinde HAD analizleri için yeterli olduğuna karar verilmiştir. Sıvı yakıt fazının Lagrangian yöntemi ile modellendiği HAD analizlerinde yeterli parsel sayısının belirlenebilmesi için 360, 3600 ve 36000 parsel için sonuçlar karşılaştırılmıştır. 3600 parsel sayısının, CPU zaman ihtiyacı açısından 36000 parsel kullanıldığı durum kadar maliyetli olmadan gerekli çözünürlüğü sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Yakıt türü, püskürtme hızı, püskürtücü tipi, damlacık çapı ve püskürtme koni açısı gibi parametrelerin etkisi incelenmiştir. Püskürtme sistemlerinin tasarımından kaynaklı olarak bu parametreler değişebileceği gibi uçuş koşullarının değişmesinden kaynaklı olarak da değişkenlik gösterebilmektedir. Yapılan çalışmalar sonucunda ilk olarak yakıt türünün çıkış sıcaklık dağılımı üstünde etkisinin az olduğu gözlemlenmiştir. Yakıt püskürtme hızları birincil bölge içerisindeki sirkülasyon davranışını etkilemektedir. Böylelikle püskürtme hızı arttıkça yanma verimi belirli bir noktaya kadar sabit kalmakta daha sonrasında ise ani bir düşüş göstermektedir. Lüle yönlendirme kanatçık (LYK) düzlemi üstündeki maksimum lokal sıcaklık değeri de belirli bir hız değerinden sonra ani artış sergilemektedir. Püskürtücü tipleri, sıvı faz halindeki yakıt davranışını değiştirmesine karşılık çıkış sıcaklık dağılımında belirgin farklar ortaya koymamaktadırlar. Rosin-Rammler dağılımında modellenen yakıt damlacıklarının Sauter ortalama damlacık çapları (SMD) artırıldığında yanma veriminin belirli bir SMD değerine kadar arttığı ancak daha büyük SMD değerlerinde buharlaşmadan yanma odasını terk eden damlacıklar sebebiyle ani bir şekilde düştüğü belirlenmiştir. Ayrıca SMD değeri arttıkça, yakıtın birincil bölgede buharlaşma miktarı azalarak eşdeğerlik oranını değiştirmektedir. 103 μm SMD değeri için stokiyometriye oldukça yaklaşan eşdeğerlik oranı birincil bölge sıcaklık davranışında yüksek sıcaklıklar ortaya çıkarmıştır. LYK düzleminde maksimum lokal sıcaklık açısından da ideal bir SMD değerine kadar sıcaklıklar azalırken, bu eşik geçildikten sonra yüksek sıcaklıklar gözlemlenmiştir. Püskürtme koni açısının artması ile birincil bölge içerisinde yakıt iyi bir ikincil parçalanma ile simetrik bir şekilde dağılmaktadır. Bununla birlikte birincil bölge sıcaklıları eş dağılımlı olmakta ve böylelikle yanma verimi artmaktadır. Ayrıca çıkış sıcaklık profilleri açısından koni açısı arttıkça kök bölgesindeki sıcaklıklar düşerken uç bölgelerdeki sıcaklıkların arttığı sonucuna ulaşılmıştır. Eş dağılımlı sıcaklık dağılımının bir neticesi olarak artan koni açısı ile maksimum lokal sıcaklık değeri azalmakta ve radyal sıcaklık dağılım faktörü (RSDF) düşmektedir.

One of the primary requirements of a turbojet engine combustion chamber design is to achieve the desired outlet temperature distribution. The combustion chamber outlet temperature distribution directly affects the life span of nozzle guide vane and turbine blades, which operate permanently under these high temperatures. Thus, the combustor outlet temperature distribution profile should have lower temperatures around the tip of the vane and rotor blade where cooling is difficult and around the hub where rotor blade is exposed to high mechanical stresses. The outlet temperature distribution is affected not only by the shape and location of combustion chamber liner holes, but also by the temperature distribution of the primary zone, where most of the chemical reactions occur. Thus, the fuel injection characteristics, which directly affect the primary zone temperature distribution, affect the outlet temperature distribution. In this study, the influences of the fuel injection system parameters of a turbojet engine combustion chamber on the combustion characteristics and the outlet temperature distribution were investigated. Within the scope of the thesis, reactive two-phase computational fluid dynamics (CFD) analyzes were performed using the turbojet combustion chamber developed by KALE ARGE. The CFD solver STAR-CCM+ was used for the simulations in the present study. For the validation of the turbulence and combustion submodels CFD simulations were performed using the combustion chamber developed within framework of the European ESPOSA (Efficient Systems for Propulsion for Small Aircraft) project. Comparison between the present CFD and the measured results by CIAM (Central Institute of Aviation Motors) show that the results obtained using Realizable k-ε turbulence model and the Steady Laminar Flamelet combustion model are in good agreement with the test data. Resolution studies were carried out with the KALE ARGE combustion chamber to be used in this study. In order to achieve the mesh independency three computational grids with the sizes of 1.75, 7, and 20.2 million computational cells were used. It was decided that the computational mesh containing 7 million cells was sufficient for the CFD simulations as it provided consistent results with the computational grid containing 20.2 million cells. As for the Lagrangian two phase flow, 360, 3600 and 36000 parcels were compared in order to determine the sufficient number of parcels for the liquid fuel simulations. The results demonstrate that 3600 number of parcels provides sufficient resolution without having to pay a high penalty for CPU time that would be required for 36000 number of parcels. The parametric studies were examined in order to investigate the effects of fuel types, injection velocity, type of injector, droplet diameter and spray cone angle. These parameters may change not only due to the design of the fuel injection systems, but also due to the change of flight conditions. As a result of these studies, it was observed that the fuel type does not have a significant effect on the outlet temperature distribution. Fuel injection velocity affects the recirculation behavior within the primary zone of the combustor. As the injection velocity increases, the combustion efficiency remains constant up to a certain limit, and then shows a sudden decrease. The maximum local temperature value on the Nozzle Guide Vane (NGV) plane also increases abruptly after a certain injection velocity. Although the type of the injector changes the liquid phase fuel behavior, the injector type does not create significant differences in the outlet temperature distribution. It was found that when the Sauter Mean Diameters (SMD) of the fuel droplets are increased, the combustion efficiency increases up to a specific SMD value. However, larger SMD values result in a sudden decrease in combustion efficiency due to the large droplets leaving the combustion chamber without evaporation. In addition, as the SMD value increases, the amount of the fuel evaporation in the primary zone decreases and it yields in changing the equivalence ratio. The equivalence ratio, which is very close to stoichiometry for the SMD value of 103 μm, has resulted in high temperatures in primary zone. The maximum local temperature on the NGV plane decreases with increasing SMD up to a certain value. Higher temperatures are observed after exceeding this SMD value. With the spray cone angle increment, the fuel distribution shows symmetric behavior within the primary zone owing to a more effective secondary breakup. In this way, temperature distribution in the primary zone becomes more uniform that yields in a higher combustion efficiency. In addition, it was concluded that with increasing the cone angle, the temperatures around the hub zone of the outlet temperature profile decrease while the temperatures in the tip zone increase. As a result of having a more uniform temperature distribution, the maximum local temperature, and the radial temperature distribution factor (RTDF) decrease with enlarging cone angle.