The optimization of frontal device including fuel nozzle and swirler is required to secure the mixing of fuel and air, and the combustion stability in the gas turbine combustor design for the reduction of pollutant emissions and the increase of combustion efficiency. The effects of injection nozzle and swirler on the flow field, spray characteristics and consequently the combustion stability, were experimentally investigated by measuring the velocity field, droplet sizes of fuel spray, lean combustion limit and the temperature field in the main combustion region. The effect of fuel injection nozzle was tested by adopting three different nozzles; a dual orifice fuel nozzle, a hollow cone nozzle and a solid cone nozzle. These tests were combined with the three different swirler geometries; a dual-stage swirler with 40$^{\circ}$ /-4 5$^{\circ}$ vanes and two single-stage swirlers with 40$^{\circ}$ vane angle having 12 and 16vanes, respectively. Flow fields and spray characteristics were measured with APV(Adaptive Phase Doppler Velocimetry) under atmospheric condition using kerosine fuel. Temperatures were measured by Pt-PtI3%Rh, R-type thermocouple which was 0.2mm thick. It was found that the dual swirler resulted in the biggest recirculation zone with the highest reverse flow velocity at the central region, which lead the most stable combustion. The various combustion characteristics were observed as a function of the combination between the injector and swirler, that gave a tip for the better design of gas turbine combustor.
The preliminary design and performance test for determining dimensions of gas turbine combustor were investigated. The combustor design program was developed and applied to design our combustor. and detailed design for determining of swirler. dome and liner holes were performed experimentally. The swirler. which govern the combustion characteristics of combustor, was determined $40^{\circ}$ as swirl angle at first performance test. After second performance test the swirler was re-determined by 24 mm i.d.. 34 mm o.d., and swirl angle of $45^{\circ}$. The geometry of liner holes were determined by considering the flame stability and recirculation zone size. It was found that flame can be more easily stabilized by adjusting the swirier dimensions rather than liner holes. The geometry of swirler and liner holes were re-determined by final performance test with dilution holes. Also. the performance of combustor was evaluated by analysis of exhaust gases.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.47
no.12
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pp.848-855
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2019
Eco-friendly gas turbine combustors are getting attention due to emission regulations. Swirler is important design factor for flame stability and flashback inside the combustor. Design methods of the axial swirler and the radial swirler were discussed and the suitability of the swirl number calculation considering the geometric design variables and the flow loss was examined in the radial swirl for gas turbine combustor. The swirl number of flow was calculated by computational fluid dynamics and compared with swirl number according to each design method.
Kim, Young-Jin;Jung, Ji-Won;Choi, Gyoung-Min;Kim, Duck-Jool
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.11
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pp.1459-1466
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2004
The purpose of this study is to investigate the effect of swirler angle and the aspect ratio of swirl chamber of nozzle on the characteristics of single and twin spray. The characteristics of sprays have been investigated by measuring the spray angle, droplet size and velocity. Visualization of spray was conducted to obtain the spray angle and breakup process. The spray characteristics such as droplet size and velocity were measured by Phase Doppler Anemometry(PDA). It was found that the spray angle was increased with increasing the swirler angle. For both sprays, the axial velocity and SMD were decreased with increasing the swirler angle. It was also shown that the axial velocity and SMD were decreased with increasing the aspect ratio of swirl chamber, but for the twin spray, the axial velocity and SMD were not influenced significantly by the changing the aspect ratio of swirl chamber. The effect of swirler angle on the spray characteristics was greater than the aspect ratio of swirl chamber for single spray. The nozzle pitch was one of the important factors affecting the spray characteristics of twin spray.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.2
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pp.161-170
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2013
The flow and combustion characteristics in a premixed swirl combustor with a double cone burner are numerically analyzed to adopt a swirler model. The internal recirculation zone formed at the burner exit can be realized by a swirler with inner and outer diameters of 56 and 152 mm, respectively, and accordingly, the flow rate and radial velocity were determined. To select the tangential velocity, swirl and recirculation angles are introduced. A tangential velocity of 40 m/s produces an internal recirculation zone similar to that in a combustor. At the liner exit, the errors in temperature and velocity are 2.8% and 0%, respectively, and they are negligibly small. However, NOx emissions are underestimated by 67% in the numerical results obtained using the swirler model. Although considerable quantitative errors are induced by the swirler model, it can be useful numerical model for the EV burner because it can approximately simulate the essential flow and combustion characteristics in a premixed swirl combustor with a double cone burner and it is expected to make combustion analysis efficient in a gas turbine combustor with complex geometries.
Ryu, Gyong Won;Jin, Yu In;Kim, Yeong Ryon;Kim, Hong Jip
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.20
no.6
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pp.70-75
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2016
A swirler is a flame holding device generating recirculation regions in a gas turbine combustor, and the flow pattern due to a swirler has major effects on the flame distributions, combustion efficiency, and characteristics of exhaust gas. An experimental study for a counter-rotating swirler has been conducted to find out effects of the mass flow rate ratio of the inner/outer swirler flow area, the pressure difference between the swirler inlet and outlet, and the flare exit length ratio on the flow patterns in a model combustion chamber by using PIV(Particle Image Velocimetry) technique.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.15
no.5
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pp.17-23
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2007
This study aims to investigate the property of engine performance and the material property of exhaust gas by application of the intake swirler The fuel of BDF 20 was made by mixing 80% of diesel fuel and 20% of biodiesel fuel. These fuels were used and tested in the diesel engine of CRDI type used currently. The swirler was made by streamlined shape to lessen the intake resistance, The three types of its wing angle are $20^{\circ}$, $40^{\circ}$ and $60^{\circ}$. From experimental results, we found that the characteristics of engine performance, soot was effective in wing angle of $20^{\circ}$ and NOx was effective in $60^{\circ}$.
The optimization of frontal device including fuel nozzle and swirler is required to secure the mixing of fuel and air and the combustion stability leading the reduction of pollutant emissions and the increase of combustion efficiency in gas turbine combustor. The effects of injection nozzle and swirler on the flow field, spray characteristics and consequently the combustion stability, were experimentally investigated by measuring the velocity field, droplet sizes of fuel spray, lean combustion limit and the temperature field in the main combustion region. Flow fields and spray characteristics were measured with APV(Adaptive Phase Doppler Velocimetry) under atmospheric condition using kerosine fuel. Temperatures were measured by Pt-Pt13%Rh, R-type thermocouple which was 0.2mm thick. Spray and flame was visualized by ICCD(Intensified Charge Coupled Device) camera. It was found that the dual swirler resulted in the biggest recirculation zone with the highest reverse flow velocity at the central region, which lead the most stable combustion. The various combustion characteristics were observed as a function of the geometries of injector and swirler, that gave a tip for the better design of gas turbine combustor.
Kim, Yong-Mo;Kim, Seong-Ku;Kang, Sung-Mo;Sohn, Jeong-Lak
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.15
no.1
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pp.88-97
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2001
The present study numerically investigates the fuel-air mixing characteristics, flame structure, and pollutant emission inside a double-swirler combustor. A PSR(Perfectly Stirred Reactor) based microstructural model is employed to account for the effects of finite rate chemistry on the flame structure and NO formation. The turbulent combustion model is extended to nonadiabatic flame condition with radiation by introducing an enthalpy variable, and the radiative heat loss is calculated by a local, geometry-independent model. The effects of turbulent fluctuation are taken into account by the joint assumed PDFs. Numerical model is based on the non-orthogonal body-fitted coordinate system and the pressure/velocity coupling is handled by PISO algorithm in context with the finite volume formulation. The present PSR-based turbulent combustion model has been applied to analyze the highly intense turbulent nonpremixed flame field in the double swirler combustor. The detailed discussions were made for the flow structure, combustion effects on flow structure, flame structure, and emission characteristics in the highly intense turbulent swirling flame of the double swirler burner.
The purpose of this study is to investigate the effect of swirler vane angle and the aspect ratio of swirl chamber of nozzle on the characteristics of single spray. The characteristics of sprat's have been investigated by measuring the spray angle, droplet size and velocity Visualization of spray was conducted to obtain the spray angle and breakup process. The spray characteristics such as droplet size and velocity were measured by Phase Doppler Anemometry(PDA). It was found that the spray angle was increased with increasing the swirler angle. For both sprays, the axial velocity and SMD were decreased with increasing the swirler vane angle. It was also shown that the axial velocity and SMD were decreased with increasing the aspect ratio of swirl chamber The effect of vane angle un the spray characteristics was greater than the aspect ratio of swirl chamber for single spray.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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