CFD-Analyse der Verbrennungsströmung einer zweistufigen holzstaubgefeuerten Gasturbinenbrennkammer

Abstract

Eine CFD-Analyse wurde für eine zweistufige Gasturbinenbrennkammer durchgeführt, um die Auswirkungen von modifizierten Primärbrennkammergeometrien auf die Verbrennungströmung zu untersuchen. Die Berechnungsgeometrie wurde gegenüber der realen Brennkammer vereinfacht, um den Rechenaufwand zu mindern. Die Primärbrennkammer wurde einerseits dahingehend modifiziert, dass die Winkel zwischen den Achsen der Primärlufteintritte und den Tangenten an die Primärbrennkammerwand verändert wurden. Andererseits wurden drei axiale Positionen des Brennstoffeintrittes angewendet. Die Berechnungen wurden für jede der Brennkammerkonfigurationen für drei Betriebspunkte ausgeführt.<br />Um die physikalischen und chemischen Phänomene, die in einer Verbrennungsströmung auftreten, bei der numerischen Berechnung zu berücksichtigen, sind mathematische Modelle erforderlich.<br />Die Turbulenz wurde mit dem Reynolds-Spannungs-Modell berechnet, da dieses für stark drallbehaftete Strömungen empfohlen wird. Die Verteilungen der in der Strömung auftretenden chemischen Spezien wurden mit dem Mischungsbruch/WDF-Modell bestimmt.<br />Für die Berechnung der Wärmeübertragung zufolge Strahlung wurde das P-1-Modell verwendet.<br />Der Absorptionskoeffizient der Verbrennungströmung wurde mit dem "Weighted-Sum-of-Gray-Gases"-Modell berechnet.<br />Um den numerischen Aufwand zu verringern, wurden die Holzstaubpartikel als vollständig flüchtig modelliert. Die Berechnung der Pyrolyse der Holzstaubpartikel erfolgte mit dem "Single-Kinetic-Rate"-Ansatz.<br />

A CFD-analysis was made for a two-stage gas turbine combustion chamber in order to investigate the effects of modified primary combustion chamber geometries on the reaction flow field. The geometry of computation was simplified comparing to the real combustion chamber in order to decrease the computational effort. For the calculations, the primary combustion chamber was modified in the way that different angles between the axes of the primary air inlets and the tangents to the primary chamber were applied. Furthermore, three axial positions of the fuel inlet were used. The calculations were done for each of the combustion chamber configurations for three operating points. In order to take into account in the computation the physical and chemical phenomena occuring in a combustion flow, mathematical models are required. The turbulence was calculated by means of the Reynolds-Stress-Model since it is recommended for highly swirling flow. The distributions of chemical species occuring in the flow were determined by the Mixture-Fraction/PDF-Model.<br />For the computation of the heat transfer by radiation, the P-1-Model was applied.<br />The absorption coefficient of the combustion flow was calculated with the "Weighted-Sum-of-Gray-Gases"-Model.<br />In order to lower the computational effort, the wood dust particles were modelled as completely volatile. The calculation of the pyrolysis of the wood dust particles occured with the "Single-Kinetic-Rate"-approach.