This document reports on an experimental study investigating the effect of burner shape on flashback in gas turbines. Specifically, it aims to modify a small commercial diesel burner to operate with LPG, determine the burner's operating window with LPG, and investigate how burner geometry affects the operating window. It presents results showing increased burner neck length moves the flame stagnation point outward and widens the operating window by providing higher stability at constant equivalence ratios. However, a longer neck also precipitates flashback. The study concludes neck length and shape impact flame structure, stability and emissions, warranting future work exploring confinement effects and different neck geometries.
8th International Conference on Soft Computing, Mathematics and Control (SMC ...
Experimental study of the effect of the burner shape on the flashback in gas turbines
1. Experimental study of the effect of the
burner shape on the flashback in gas
turbines
supervisors
Asst .prof .Dr. Qahtan A. Abed
Lect .Dr. Mohammed AL- fahham
Jameel AL-Naffakh
4-Dec.-2019
8. Flashback
A. Combustion Induced
Vortex Breakdown (CIVB).
B. Boundary Layer Flashback
(BLF).
C. Turbulent Core Flashback.
D. Combustion instabilities
flashback
0
1
2
3
4
5
6
7
0.1 0.6 1.1
TangentialVelocitym/s
Equivaliance Ratio
Blow Off
Flashback
9. AIM OF STUDY
Modifying an exist small commercial diesel burner to
work with LPG without any additional cost.
Finding the operation widow (stability map) of the
burner after using LPG.
Investigating the effect of burner geometry on the
operation window of the burner. The blowoff limits and
flashback limits will be addressed for different diameter
to length ratio burner .
18. CONCLUSION
The possibility of modifying any external combustion system (Burner)
powered by diesel fuel to use liquefied gas fuel (LPG), and without any
distortion of the system while maintaining the basic parts of the system
and thus not affecting the overall design of the system.
From the aerodynamic point of view, it is concluded that the strength of
the vortex will decrease with increase length due the friction with burner
inner walls. As a consequence, the swirl flow will turn to jet or diffusion.
19. Through practical experiments, it was shown that the increased
length of the burner's neck leads to move the stagnation point
towards the edge of the burner where it was graphically
represented.
Increasing the length of the neck of the burner leads to higher
stability in term of the equivalent ratio. At constant equivalence
value, the burner showed higher stability than the other two
models and therefore requires
increase in the rate of air flow in the mixture area and thus get a
poor mixture so it works it is application in the few loads for
power plants.
Increasing the length of the burner neck has precipitated the
flashback phenomenon.
20. Recommendations (future work)
Studying the effect of the use of confinement in the
combustion area on the stability of the flame and the
operating window.
Studying the amount of emissions with a change in the
length and shape of the burner neck.
Studying the effect of changing the shape of the burner
neck from the cylindrical to other forms such as slot
(rectangular), square, triangular or oval on the amount
of the operating window.
21. Multi-Knowledge Electronic
Comprehensive Journal For
Education And Science Publications
( MECSJ ) ISSUE(24),sep(2019) ISSN:
2616-9185 (ISI)
Energy Research Journal
DOI: 10.3844/erjsp.2019. Scopus
3rd International Conference on
Engineering Sciences (ICES.ME52)
Scopus
Accepted and published papers
Paper Title Journal Name
1- Burner rim geometry effect
on flame stability
2- Experimental Investigate the
Effect of Burner Geometry on the
Operation Window of the Burner
3- The blowoff limits and
flashback limits for different
diameter to length ratio burner
لقد ازداد الطلب على إنتاج الطاقة بشكل كبير منذ بداية الثورة الاقتصادية لتلبية احتياجات الحياة البشرية بطريقة تجعل الطاقة هي المقياس الخاص للتطور في أي مجتمع.
ومع ذلك ، جلب الاستهلاك المفرط للطاقة قضية كبيرة من التلوث البيئي. وبالتالي يؤدي إلى تغير المناخ وبالتالي يسبب الكوارث والأوبئة.
طور المصنعون والمصممون تقنية حديثة للحد من ظاهرة التلوث الناتجة عن أنظمة الاحتراق الخارجي التي تعمل بالوقود السائل. كان من الضروري العثور على وقود بديل وفير متاح يقلل من التلوث الناتج عن الاحتراق ويزيد من الكفاءة الحرارية ، وبالتالي اخترنا الغاز المسال (LPG).
ومع ذلك ، فإن التحدي الرئيسي في استخدام الغاز المسال يتطلب تحكمًا عاليًا في ثبات شعلة محتوى الغاز المسال على عدد ذرات الهيدروجين المرتفعة (C3H8) وإيجاد خريطة لنافذة التشغيل للظواهر Flashback و blowoff .
على الجانب الاقتصادي ، أدى استخدام غاز البترول المسال (LPG) إلى زيادة الطاقة الحرارية الناتجة عن الموقد إلى 120 كيلو واط في الساعة. تم حساب الطاقة الحرارية المولدة بناءً على الحد الأقصى لمعدل التدفق للمنفاخ ونسبة معادلة تبلغ 0.9 كما هو موضح في الملحق (أ).
وأوضح الفرق الكبير في السعة الحرارية لنفس الهندسة عن طريق التذكير بحقيقة عدم وجود عملية احتراق مثالية. خاصة إذا كان الوقود في المرحلة السائلة كديزل في هذه الحالة التي تسقط كفاءة الموقد. إن استخدام غاز البترول المسال (LPG) وخلطه مسبقًا بعيدًا عن منطقة الاحتراق وتقديمه كوقود مسبق الخلط بالكامل ، سوف يحسن عملية الاحتراق. من ناحية أخرى ، فإن دوامة التدفق تكون بنية التدفق واللهب كنتيجة لذلك. سيضمن هذا التماسك عدم تمييع الخليط بالهواء النقي الخارجي وإعطاء عملية الاحتراق استهلاكًا أكبر من الخليط. سوف يكون التسخين المتولد من هذا الاحتراق بتحد أكبر بكثير من توليده عند استخدام الديزل كوقود.
بعد إجراء التجارب المعملية ورسم حدود نافذة التشغيل ، وجد أن طول الموقد كان له تأثير على بنية اللهب. يخرج الخليط (الهواء / الوقود) من حافة الموقد في شكل دوامة نتيجة للمرور عبر دليل الريشة ، مما يؤدي إلى الحصول على الخليط بنية قوية ومتماسكة تحافظ على الشكل الثابت للخليط عند قدومه خارج حافة الموقد ويقلل من عملية الخلط مع المنطقة الخارجية. ينعكس هذا التأثير بوضوح من خلال اللون الأزرق للهب ، والذي يظهر علامات على عملية احتراق شبه كاملة.
من منظور الديناميكا الهوائية ، تعتمد قوة هيكل الدوامة على ما يعرف برقم الدوامة (S) ، والذي يمثل شدة زخم الدوامة إلى شدة الزخم المحوري. ومع ذلك ، فإن طول عنق الموقد سوف يحفز ما يعرف باسم تدهور دوامة ، وكمية فقدان الزخم بسبب الاحتكاك بين الخليط والجدران الموقد.
ينعكس هذا التأثير في شكل انكماش في قطر اللهب كما هو موضح في الصور أدناه. في حالة العنق 5 سم ، كان قطر الشعلة حوالي 1.75 د (8.5 سم) ، في حين كان حوالي 7 سم أو 1.4 د للرقبة من 10 سم ، مع زيادة طول الرقبة بحيث تدفق من تدفق منتشر مثل اللهب يأخذ شكل V وقطر الشعلة حوالي 5 سم.
بالنسبة للتجارب التي أجريت ، تم الحفاظ على نوع الوقود ونسبة التكافؤ لدراسة تأثير الرقم الثابت على المسافة التي يجلس بها اللهب بعيدًا عن حافة الموقد أو ما يعرف بنقطة ركود اللهب.
أظهرت التجارب أن زيادة طول الرقبة يؤدي إلى قرب نقطة الركود من حافة الموقد وكما هو موضح في الصور أدناه.
العلاقة بين طول رقبة الموقد ومسافة ركود اللهب من حافة الموقد تم تمثيلها كما هو موضح
يتم قياس كفاءة أنظمة الاحتراق الخارجي من خلال الاستقرار الذي توفره الشعلة في ظروف التشغيل المختلفة ، على سبيل المثال في محطات الطاقة ، المعيار الرئيسي هو القدرة على الحفاظ على استقرار الاحتراق عندما ينخفض الطلب على الطاقة ، مما يؤدي إلى تشغيل الموقد في الحد الأقصى وبالتالي ، يجب السيطرة على الخليط إما الفقيرة أو الغنية. وفي المحطة. في كلتا الحالتين ، يكون النطاق بين الاثنين أفضل.
إن تأثير طول عنق الموقد على حدود التشغيل (نافذة التشغيل) ، مهم للغاية حيث أن طول عنق الموقد أقصر حيث أن اللهب يتحرك بعيدًا عن حافة الموقد وتحدث ظاهرة الانفجار وأطول تزداد رقبة الموقد مع اقتراب اللهب من مصدر الحافة وتحدث ظاهرة الفلاش باك.
عند تكرار العملية لأكثر من معدل تدفق الهواء والوقود ، نحصل على ما يعرف بخريطة الاستقرار كما هو موضح في الصور أدناه.
إمكانية تعديل أي نظام احتراق خارجي (Burner) مدعوم من وقود الديزل لاستخدام وقود الغاز المسال (LPG) ، ودون أي تشويه للنظام مع الحفاظ على الأجزاء الأساسية للنظام وبالتالي لا يؤثر على التصميم العام للنظام.
من وجهة النظر الديناميكية الهوائية ، استنتج أن قوة الدوامة ستنخفض مع زيادة طول بسبب الاحتكاك مع الجدران الداخلية الموقد. نتيجة لذلك ، سوف يتحول تدفق الدوامة إلى نفاث أو انتشار.
من خلال التجارب العملية ، تبين أن زيادة طول رقبة الموقد تؤدي إلى تحريك نقطة الركود نحو حافة الموقد حيث تم تمثيلها بيانياً.
تؤدي زيادة طول عنق الموقد إلى ثبات أعلى في مدة النسبة المكافئة. في قيمة التكافؤ الثابت ، أظهر الموقد ثباتًا أعلى من النموذجين الآخرين وبالتالي يتطلب ذلك
زيادة في معدل تدفق الهواء في منطقة الخليط وبالتالي الحصول على خليط فقير بحيث يعمل وهو تطبيق في الأحمال القليلة لمحطات الطاقة.
زيادة طول الرقبة الموقد عجلت ظاهرة الفلاش باك.