1

سازي احتراق سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين شبيه

سعيد صادقي لفمجاني،سعيد ضيايي طباطبايي، علي هاشمي پژوهشگاه نيرو

ايران

محفظه احتراق، ميكروتوربين، اسپري، ديناميك سياالت محاسباتي، نازل سوخت :ي كليديها واژه

چكيدهطراحي محفظه احتراق به منظور مصارف مختلف صـنعتي،

. باشــد نيازمنــد آزمايشــات بســيار پــر هزينــه و گســترده مــي مايع باشد كه براي بخصوص هنگامي كه سوخت استفاده شده

پاشـيده اسپري محترق كردن آن بايستي درون محفظه احتراق ي تجهيزات هاي احتراق اسپري، كليد توسعه فهم مكانيزم. شودهاي از مدليك روش مهم استفاده . باشد ميكارا و آالينده غير

ي تجهيزات اي و توسعه كامپيوتري پيشرفته براي مطالعات پايهسـازي احتـراق در ايـن مقالـه نتـايج شـبيه . باشد ميكاربردي

احتـراق ميكروتـوربين ارائـه اتاق اسپري سوخت گازوئيل در بررسي بخث و وربين سوز نمودن ميكروت شده و قابليت دوگانه

ق از احتراحاصل نتايج بدست آمده از توزيع دماي . استشده ي توزيع سـوخت و نحـوه اسپري گازوئيل در محفظه احتراق،

،دهنـد نتايج نشان مـي . تبخير قطرات سوخت ارائه شده استگازهاي خروجي محفظه احتراق، نسبت اختالف دماي مناسبي

.هاي مقطع خروجي دارند از مركز تا كناره

مقدمهامروزه براي توليد نيرو به داليل مختلـف از جملـه كـاهش

ي توزيـع و خطـوط انتقـال و ضـريب تلفات انرژي در شبكه

اطمينان بيشتر در توليد، توجه بسياري به توليد پراكنده و غيـر انـواع منظور طراحي و سـاخت بدين . ق شده استمتمركز بر

هاي نـوين در سراسر دنيا به عنوان يكي از روش ميكروتوربينتوليد برق به صورت غير متمركز مـورد اسـتفاده قـرار گرفتـه

مورد توجـه واقـع اين مسئله نيز به تازگي در كشورمان . استاشـته هاي نخستين جهت طراحي و سـاخت آن برد شده و گام .شده است

در گذشته، طراحي محفظه احتراق بـر اسـاس يـك سـري بررسي هر گونه تغيير در ]. 1[ت گرف روابط تجربي صورت مي

اي جديـد از آن ي اتاق احتراق مستلزم سـاخت نمونـه هندسههاي كمتـري از آن، گرديد تا نمونه بود كه اين مسئله باعث مي

ي اخيــر، دهــه در دو. مــورد بررســي و آزمــايش قــرار گيــردديناميك سياالت محاسباتي به طور گسترده به عنـوان يكـي از

هـاي صـنعتي بـه كـار هاي ارزيابي و بهبود بازده طـرح روش .رود مي

، كاربردهاي اين روش تحقيقاتي، جريان هوا در ميكروكانالسـازي حركـت هـا تـا شـبيه چيپكاري ميكرو به منظور خنك

هـاي يكـي از قابليـت . تگسترش يافته اس موشك و فضاپيماســازي احتــراق ، تحليــل و شــبيهCFDبســيار پيچيــده و مهــم

هاي مختلفـي توان هندسه با استفاده از اين قابليت مي. باشد مي

98-F-EPG-1915

سازي احتراق سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين شبيه

المللي برق بيست و پنجمين كنفرانس بين

2

هاي متفاوت و شـرايط مـرزي از محفظه احتراق را با سوختي مورد متنوع بررسي نمود و با توجه به نظر طراح، مدل بهينه

.نظر را انتخاب كرد هـاي هـوا اهميت طراحي سـوراخ 2و اسپنسر 1وريكگ مك

سـازي شبيهتوسط رساني بكار رفته روي الينر اتاق احتراق را CFD ها مـدل اسـتاندارد آن. ]2[ بررسي نمودندk-eps را بـه

هـاي و بـه تفـاوت كـرده عنوان مدل توربوالنس خود انتخاب خـود اشـاره مهمي در شكل و نوع مش بكار رفته در تحليـل

.ها ارائه كردند اي از سوراخ نمودند و در نهايت مدل بهينهسازي محفظه احتراق ي خود به شبيه در پايان نامه 3كارلسن

او ].3[ را بدست آورد پرداخته و خصوصيات ترموديناميكي آندر اين كار، ابتدا به بررسي سيكل توربين گاز پرداخته و سپس

اكم، خواص ترموديناميكي با استفاده از روابط ترموديناميك حســپس بــا در نظــر گــرفتن . اتــاق احتــراق را اســتخراج نمــود

فرضيات الزم براي پارامترهاي مورد نظر، به مدلسازي سـيكل هـاي بـا اسـتفاده از روش نهايـت در . و اتاق احتراق پرداخت

.عددي به تأييد نتايج بدست آمده از اتاق احتراق پرداختو همكارانش به بررسي اثر رفتار شعله بـر احتـراق 4شينجو

اسـتفاده LESتوربين گاز پرداختند و به ايـن منظـور از روش ها براي تحليل خود، از دو نمونه اتاق احتـراق آن ].4[ نمودند

هـا به همراه سه سري از شرايط مرزي استفاده نمودند و اثر آن .را بر يكديگر ارائه كردند

نش، احتــراق ســوخت گــاز در محفظــه تيــوراد و همكــارادر اين . ]5[ احتراق يك ميكروتوربين مورد بررسي قرار دادند

ي محاســباتي تيــوراد بــراي تغييــر مقالــه، از هندســه و شــبكهسوخت و اسـتفاده از گازوئيـل در آن محفظـه، اسـتفاده شـده

ي كـار انجـام در اين راسـتا، ابتـدا مـروري بـر پيشـينه . استبنـدي در ايط مرزي حاكم، هندسـه و مـش سپس، شر. شود مي

ــت ــر اســاس آن 5گمبي ــده و ب ــين ش ــل تعي ــا و روش تحلي هانجـام 6افـزار فلوئنـت سازي و تحليل عددي با كمك نرم مدل

1. McGurik 2. Spencer 3. Geir Karlsen 4. Shinjo 5. Gambit 6. Fluent

.گردند شود و در انتها نتايج بدست آمده تحليل مي مياي محفظه احتراق تـوربين گـاز، دسـتگاه احتراقـي پيچيـده

هـاي بـه هـم ي وسـيعي از پديـده باشد كه در آن محدوده مياز . ي بر هـم كنشـي فيزيكـي و شـيميايي وجـود دارد پيوسته

سوخت مايع به عنوان منبع انرژي استفاده شده است كه بـراي تسـهيل سـرعت ايش سطح در تماس سوخت با گـاز داغ، افز

شدن و تركيب با اكسيژن غني محيط، بايستي به قطـرات گازيهـا بـه طـور د احتراق و آلـودگي عملكر. كوچكتر اتميزه شود

عمده با اتميزه شدن سوخت مايع، حركـت و تبخيـر قطـرات .گيرد سوخت و تركيب سوخت و هوا تحت تاثير قرار مي

: توان به پنج المان تقسـيم كـرد فرايند احتراق اسپري را ميبه طـور كلـي، . و احتراق 7اتميزاسيون، انتقال، تبخير، آميختگي

ي احتراق تزريـق نازل به داخل محفظهسوخت مايع از طريق . شود تا اسپري قطرات سوخت تشكيل شـود شده و اتميزه مي

1شـكل در مـايع اسـپري سـوخت از اي ساختار آرايش سادهيزاسيون، سوخت مايع بـه ي اتم در ناحيه. نشان داده شده است

ي اسـپري غلـيظ، كسـر ناحيه. شود بندها و قطرات تجزيه ميي حجمي مايع قابـل تـوجهي دارد و شـامل شكسـت ثانويـه

قطـره، همچـون -قطرات و بندها، به علت بر هم كـنش قطـره ي اسـپري رقيـق، در ناحيـه . باشـد تصادم و بهم آميختگي مـي كـنش قدرتمنـدي بـا گيرند و برهم قطرات به خوبي شكل ميبه طور كلـي، سـاختار اسـپري، بـه . جريان هواي آشفته دارند

ي ي انژكتــور، ويســكوزيته اخــتالف فشــار انژكســيون، انــدازهقطرات سوخت بـا . ي سوخت بستگي دارد سوخت و دانسيته

. شـوند ي انژكسيون، وارد هواي گرم محفظـه مـي سرعت اوليهكنـد تـا روي مـي اسپري سوخت با گذشت زمان، آنقدر پـيش

.قطرات توسط هواي گرم و گاز احتراق، تبخير شود

ساختار يك اسپري ساده: 1شكل

7. mixedness

سازي احتراق سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين شبيه

المللي برق بيست و پنجمين كنفرانس بين

3

در آرايش اسپري، قطرات سوختي كه توسـط هـواي گـرم محيط گرم شده، پس از رسيدن به دماي جوشـش، شـروع بـه

ي ي قطـره، نقطـه نرخ تبخيـر اساسـاً بـه انـدازه . كند تبخير مي. جوشش، گرماي نهان سوخت مايع و دماي گاز بسـتگي دارد

بخار سـوخت بـا هـواي ورودي در آرايـش اسـپري مخلـوط ي ط سوخت، هنگامي كه دمـاي گـاز بـه نقطـه مخلو. شود مي

ــعله ــي ش ــدن م ــوط ور ش ــه نســبت مخل ــامي ك ــد و هنگ رسپذيري قرار دارد، شـروع بـه ي اشتعال هوا در محدوده/سوخت

احتـراق سوختن، گرما و احتراق، محصوالت . كند سوختن مي H2Oو CO2محصوالت احتراق، بيشتر شامل . كند توليد ميرا

.باشد مي NOxهايي همچون و مقدار كمي آلودگيتبادل جرم، مومنتوم و انرژي بين فاز گاز و مايع در محفظه

از . باشـند ، پارامترهاي مهم فرايند احتـراق مـي 1احتراق اسپريباشـد، معقـول اسـت كـه آنجايي كه اسپري شامل قطرات مـي

انتظار داشته باشيم خصوصيات كلي قطرات، بـر خصوصـيات ير بگذارد، كه در نهايت كارايي محفظه ي اسپري تأث تبخير توده

نرخ احتراق در بخش محفظه احتراق . كند احتراق را تعيين ميمسير حركت قطره، بر نرخ . توان با نرخ تبخير كنترل كرد را مي

گـذارد و نيـروي درگ قطـره بـر مسـير تبخير محلي تأثير مي .حركت آنــا حافظــه توســعه هــاي زيــاد و ي كامپيوترهــاي پيشــرفته ب

سـازد تـا پروسسورهاي پر سرعت، تئوري پردازها را قادر ميهاي جامعتري با در نظر گرفتن جزئيات بيشتر فرايندهاي مدل

سـازي فيزيكي و شيميايي موجود در احتـراق اسـپري فرمـول .نموده و به طور عددي حل نمايند

سازي ميدان جريان محفظه احتـراق اسـپري، بـه حـد شبيهسوخت احتراق اسپري . باشد انگيز مي لشزيادي، پيچيده و چا

در يك سيستم سه بعدي، وابسته به زمـان بـه همـراه جريـان . افتـد هاي شـيميايي، اتفـاق مـي دوفازي توربوالنس و واكنش

خصوصيات احتراق كـامالً تحـت تـأثير خصوصـيات اسـپري هـا ارتبـاط نزديكـي بـا و ساير آلودگي NOxتشكيل . باشد مي

ساير فاكتورهاي مهم، توربـوالنس، . ري داردفرايند احتراق اسپ

1. Spray combustor

.دنباش هوا مي-انتقال حرارت تشعشعي و اختالط سوختسازي اتـاق احتـراق، براي بررسي و شبيهي حاضر در مقاله

جهت حل معادالت سرعت و فشـار، از روش ارائـه شـده در جهـت انتقـال اطالعـات نيـز از . استفاده شده است] 6[ مرجع

، هـا مـدل با استفاده از اين . فاده شده استاست 2روش باالدستتوزيع دمايي، تغييرات سرعت و فشـار ايجـاد شـده در تمـام

فـرض . بينـي شـده اسـت بررسي و پـيش ي اتاق احتراق دامنهمهمي كه در اين پژوهش در نظر گرفتـه شـده اسـت، وجـود

نتيجـه كامـل بـودن احتـراق اكسيژن كافي براي احتـراق و در .باشد مي

ت حاكممعادالسـازي احتـراق اســپري بـراي شـبيه 3افـزار فلوئنـت از نـرم

سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين استفاده شده حـل 4سـازي، بـه صـورت پايـا معادالت حاكم بر شبيه. استدر ادامه، معـادالت مختلـف اسـتفاده شـده، بـه طـور . اند شده

.شود اجمالي توضيح داده مي

معادله بقاي جرم :باشد ي بقاي جرم به صورت زير مي دلهمعا

)1( ( ). mv Stρ ρ∂+∇ =

∂r

اين رابطه، فرم كلـي معادلـه بقـاي جـرم اسـت كـه بـراي mS. باشـد پـذير، برقـرار مـي ناپذير و تراكم هاي تراكم جريان) kg/m3.s(ي جرم اضافه شده بـه فـاز پيوسـته ي چشمه جلمه

هـا حاصل از تبخيـر قطـرات مـايع، احتـراق و سـاير واكـنش ) m/s(بردار سـرعت vr، )kg/m3(چگالي سيال ρ. باشد مي .باشد مي) s(زمان tو

بقاي مومنتوممعادله ي بقاي مومنتوم در يك مرجع مختصات لخت، توسط رابطه

:شود زير تعريف مي 2. Upwind 3. Fluent 4. Steady

سازي احتراق سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين شبيه

المللي برق بيست و پنجمين كنفرانس بين

4

)2( ( ) ( ) ( ). .v vv p Ftρ ρ τ∂

+∇ = −∇ +∇ +∂

rr rr

Fباشـد، مي) pa(كميت مقداري فشار pدر اين رابطه، r

ي باشد كه از رابطـه تانسور تنش مي τبردار نيروي حجمي و

:آيد زير بدست مي

)3( ( ) 2 .3

Tv v vIτ μ ⎡ ⎤= ∇ +∇ − ∇⎢ ⎥⎣ ⎦r r r

معادله انرژي مدل احتراق غير پيش مخلوطي آنتـالپي بـه فرم آنتالپي كلي معادله انرژي بـراي محاسـبه

:استصورت زير

)4( ( ) ( ). . th

p

kH vH H St cρ ρ

⎛ ⎞∂+∇ =∇ ∇ +⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ⎝ ⎠

r

ضريب هـدايت حرارتـي، tkآنتالپي، Hي باال، در رابطه

pc ظرفيت حرارتي سيال وhSباشـد ي انـرژي مـي ، چشمه .هـاي تـوان جملـه ، مـي )Le=1(با فرض عدد لويس برابر يك

در ايـن . ها را بـا يكـديگر تركيـب نمـود هدايت و نفوذ گونه :شود به صورت زير تعريف مي Hمعادله، آنتالپي كلي

)5( j jj

H Y H=∑

ــه ــوري ك ــه ط ــه jYب ــي گون ــر جرم ــت و jي كس اس( )0

,j ref jh T ي توليد آنتالپي گونهj در دماي مرجـع,ref jT .است

)6( ( ),

0, ,

ref j

T

j p j j ref jTH c dT h T= +∫

توربوالنســدل ــوع k-epsاز م ــبيه realizableن ــراي ش ــر ب ــازي اث س

realizableمزيت اصلي مـدل . توربوالنس استفاده شده است

k-eps اي و هاي صفحه نرخ انتشار جت بيني دقت بال در پيشهاي چرخشي، اليه كارايي بااليي نيز در جريان. باشد ميمدور هاي تحـت گراديـان فشـار مخـالف مضـر، جـدايش و مرزي

.چرخشي دارد

مدلسازي فاز گسستهبــراي اســپري ســوخت بــه محفظــه احتــراق، از مــدل فــاز

تـوان فـاز دوم در اين روش، مـي . استفاده شده است 1گسستهاين فـاز . سازي نمود ناپيوسته را در قالب مرجع الگرانژي شبيه

خطوط مسـير . باشد ميذرات پخش شده در فاز پيوسته دارايمـدل . شـود حرارت و جرم محاسبه مي اين فاز همچون انتقال

. كند الگرانژ پيروي مي-ي اويلر الگرانژي فاز ناپيوسته از نظريهفرض اساسي انجام شده در اين مدل اين اسـت كـه فـاز دوم

خط جريان . پخش شده، كسر حجمي كمي اشغال نموده استي فـاز هر ذره يا قطره در فواصـل مشـخص و حـين محاسـبه

.ودش سيال، محاسبه مي

احتراق غير پيش مخلوطسازي احتـراق اسـپري از مدل غير پيش مخلوط براي شبيه

پـيش مخلـوط، مدل غير. سوخت گازوئيل استفاده شده استمعادالت انتقال را براي يـك يـا دو مقـدار بقـايي و كسـرهاي

هـاي شـيميايي چندگانـه، شـامل گونـه . كنـد مخلوط، حل ميتـوان در تعريـف مسـئله مـي هاي ميـاني را ها و گونه راديكال

توان از توزيع كسـر مخلـوط ها را مي غلظت آن. استفاده نمودشيمي نيز -بر هم كنش توربوالنس. بيني شده بدست آورد پيش

.، مدل شده استPDFبا استفاده از تابع بتا براي بـر اسـاس يـك سـري مخلـوط پـيش روش مدلسازي غير

ايي آنـي سـيال، فرضيات ساده كننده است كه حالت ترموشيميكسر مخلوط را . است fوابسته به كميت مقداري كسر مخلوط

:توان به صورت كسر جرمي اتمي نوشت مي

)7( ,

, ,

i i ox

i fuel i ox

Z Zf

Z Z−

=−

زيـر نـويس . ام اسـت iي كسر جرمي گونه Ziبه طوري كه ox ي ورودي و نشــانگر مقــدار در جريــان اكســيد كننــده

ــويس ــان ســوخت ورودي fuelزيرن ــدار در جري نشــانگر مقها برابر باشد، آنگـاه اگر ضرايب ديفيوژن تمامي گونه. باشد مي

و تعريـف كسـر هها يكسـان بـود براي تمامي گونه) 7( معادلهبنـابراين كسـر مخلـوط، كسـر جرمـي . مخلوط يكسان اسـت

.است كه از جريان سوخت سرچشمه گرفته است اي گونه

1. Discrete Phase

سازي احتراق سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين شبيه

المللي برق بيست و پنجمين كنفرانس بين

5

هندسهي اســتفاده شــده در تحليــل از هندســهدر ايــن مدلســازي

. محفظــه احتــراق تيــوراد و همكــارانش اســتفاده شــده اســتي شود، اتاق احتراق شامل دو استوانه طور كه مشاهده مي همان

ي داخلـي را الينـر و اسـتوانه باشـد كـه اسـتوانه هم مركز ميهوا وارد محفظه شده و با توجه به . نامند ي را پوسته ميخارجحـدود . گـردد ي اتاق احتراق، به دو قسمت تقسيم مـي هندسه

شـود از هواي ورودي، وارد فضاي بين الينر و پوسته مي% 80قسمتي از طريـق . گردد كه اين هوا نيز به دو قسمت تقسيم مي

شـود تـراق مـي هاي ايجاد شده روي الينر وارد اتاق اح سوراخكاري گازهـاي كه به منظور بهبود عمليات احتراق و نيز خنك

ي داخلي الينر، از طريق كاري ديواره خروجي از الينر و خنكقسمت دوم . گيرد ايجاد محافظ روي آن مورد استفاده قرار مي

فاصله هواي ورودي به فضاي الينر و پوسته نيز در انتها از اين گـردد كـه خروجي از الينر تركيب ميخارج گشته و با هواي

.باشد الينر مي ي كاري ديواره ي آن در كل، خنك وظيفهــبكه ــار ش ــبكه، چه ــتقالل از ش ــراي بررســي اس ــوراد ب تيمحاسباتي را مورد بررسـي قـرار داد و سـرعت گـاز بـر روي محور محفظه احتراق را به ازاي اين چهار شبكه، مقايسه كـرد

در اين . سلول را انتخاب كرد 245443اي با و در نهايت شبكهبندي شده توسط ايـن گـروه، بـراي ي شبكه كار نيز، از هندسه

سوز كردن محفظه احتراق ميكروتوربين اسـتفاده تحليل دوگانه .شده است

)الف(

)ب(مدل سه بعدي برش خورده از اتاق ) ب(و هندسه ) الف: (2شكل

.]5[احتراق

ايط مرزيشركلـوين 678و با دماي kg/s (14073/1(هوا با دبي جرمي

سوخت گازوئيل از طريق يك نـازل كـه . شود وارد محفظه مي) kg/s(به صـورت فـاز گسسـته مـدل شـده اسـت، بـا دبـي

، m/s (150(درجــه، ســرعت 45، بــا زاويــه نــازل 018536/0ميكرومتـر بـه 40كلوين و قطـر ميـانگين قطـرات 300دماي

.شود اخل محفظه پاشيده ميد

حل عددي

. دهـد تغييرات فشار در محفظه احتراق را نشان مي 3شكل شود، گراديان فشـار بسـيار كمـي در طور كه مشاهده مي همان

فشـار هـواي ورودي حـدود . محفظه احتراق ايجاد شده است)atm (8/2 و فشار گاز خروجي)atm (7/2 ماكزيمم . باشد مي

ايجاد 1است كه در پشت سوئيلر atm (92/2(فشار محفظه نيز جلوي سوئيلر و درون محفظه احتراق، فشار تقريباً . شده است

شـدن فشـار حـل يكنواخت است كه اين مسئله با فـرض هـم .باشد مسائل احتراقي، منطقي مي

يكروتوربينكانتور فشار در محفظه احتراق م: 3شكل

نشانگر بردارهاي سرعت محفظه احتراق است كـه 4شكل

فـرض . ي بردار سـرعت، رنـگ شـده اسـت متناسب با اندازهپذير بودن هـوا و سـوخت ي حل مسئله به صورت تراكم اوليه

m/s (130(و نتايج نشانگر حداكثر سرعت حـدود بوده است .باشد ي سوئيلر مي در ناحيه

1. Swirler

سازي احتراق سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين شبيه

المللي برق بيست و پنجمين كنفرانس بين

6

ي ها نشانگر اندازه بردارهاي سرعت در محفظه احتراق، رنگ: 4شكل

باشد مي) m/s(سرعت

كانتور عدد ماخ محفظه احتراق نشان داده شـده 5شكل در باشد كه نبايستي عدد ماخ از اين جهت مورد اهميت مي. است

شـود، مـاكزيمم مقـدار طور كه مشاهده مي همان. به يك برسد .باشد در سوئيلر مي 26/0آن،

كانتور عدد ماخ در محفظه احتراق: 5شكل

پـذير بـودن سـيال عبـوري از محفظـه به دليل فرض تراكم

در مـدل ايجـاد 6شـكل احتراق، تغييرات چگالي به صـورت دليـل احتـراق گازوئيـل در محفظـه گرديده اسـت و نيـز بـه

تـر از چگـالي هـواي بـين احتراق، چگالي هواي محفظه پايين .الينر و پوسته است

)kg/m3(كانتور چگالي محفظه احتراق : 6شكل

شكل تغييرات دماي حاصل از احتراق سوخت گازوئيل، در پروفيل دماي بدسـت آمـده، بـا دبـي . نشان داده شده است 7

ي قطرات سوخت، دماي سوخت، سرعت پاشش سوخت، اندازه .رابطه دارد... سوخت، ميزان اختالط درون محفظه احتراق و

احتراق، در اثر احتراق سوخت گازوئيلكانتور دماي محفظه : 7شكل

يكـي از . دهـد تغييرات دمـاي الينـر را نشـان مـي 8شكل اي كه در طراحي اتاق احتراق، بايد مـورد توجـه قـرار نواحي

هاي طراحي شده روي الينر اخسور. باشد گيرد، دماي الينر ميي محـافظتي از هـواي خنـك، روي و ديفيوزر الينر، يك اليه

. كند كند كه از افزايش دماي الينر جلوگيري مي الينر ايجاد ميكلـوين بدسـت آمـده 1350در اين مدل، حداكثر دماي الينر،

.باشد ي الينر مي است كه قابل تحمل براي بدنه

كانتور دماي الينر محفظه احتراق: 8شكل

كانتور كسـر مخلـوط سـوخت درون محفظـه احتـراق، در ايـن كـانتور، از درجـه اهميـت . نشان داده شده است 9شكل

نشانگر توزيع سوخت در محفظـه بااليي برخوردار است، زيرا بوده و از طرفي نشانگر عدم وجود سوخت در انتهاي محفظـه

با توجه بـه شـكل، واضـح اسـت كـه سـوخت . احتراق استپاشيده شده، محترق شده و كامالً سوخته است، به طوري كـه

.مقدار آن در خروجي اتاق احتراق، بسيار ناچيز است

سازي احتراق سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين شبيه

المللي برق بيست و پنجمين كنفرانس بين

7

كانتور كسر مخلوط سوخت در محفظه احتراق: 9شكل

نشانگر تغييـرات كسـر مخلـوط در طـول محـور 10شكل شود، با حركت طور كه مشاهده مي همان. محفظه احتراق است

سـر مخلـوط كاسـته در جهت خروجي محفظـه احتـراق، از ك .شود مي

كانتور نرخ تبخير قطرات سوخت پاشيده شـده در محفظـه ي همچنـين نحـوه . نشان داده شده است 11شكل احتراق، در

12شـكل حركت سوخت اتميزه شده و تغييرات جـرم آن در شـود سـوخت طور كه مشاهده مي انهم. نشان داده شده است

با استفاده از يك نازل توپر، به داخل محفظه احتـراق، پاشـيده با حركت قطرات سوخت در محفظه احتـراق، بـه . شده است

علت احاطه شدن قطرات سوخت با هواي گـرم و بـاال بـودن نرخ انتقال حـرارت و انتقـال جـرم، در حـين افـزايش دمـاي

شده، از جـرم ذرات سـوخت سوخت، قطرات سوخت تبخير .شود كاسته شده و وارد فاز پيوسته مي

نمودار تغييرات كسر مخلوط سوخت: 10شكل

در طول محفظه احتراق

كانتور نرخ تبخير قطرات سوخت: 11شكل

در محفظه خت اتميزه شدهي حركت سو كانتور نحوه: 12شكل

.اند رنگ شده) kg(احتراق، كه با توجه به جرم قطرات سوخت

براي كاهش دماي گاز خروجي از ناحيه ثانويـه، بخشـي از سازي از طريق يك يـا چنـد رديـف هواي كل در ناحيه رقيق

پـارامتر . شـود سوراخ در الينر، به جريان گاز گرم تزريـق مـي شـود، بـه صـورت زيـر نشـان داده مـي T.Qتوزيع دما كه بـا

:شود تعريف مي

)8( . 100

Peak Temperature Mean TemperatureT Q

Mean Temperature Rise

−= ×

ــه موتورهــاي هــوايي معمــوالً در حــدود و % 25محفظ

اين مقدار در محفظـه . است% 10موتورهاي صنعتي در حدود توزيـع حـرارت مقطـع . اسـت % 30احتراق حاضـر، برابـر بـا

. نشان داده شـده اسـت 13شكل خروجي محفظه احتراق، در باشد و برابـر ماكزيمم دماي مقطع خروجي، در مركز مقطع مي

.كلوين است 1900با كــه يكــي از پارامترهــاي مهــم محفظــه احتــراق P.Fعــدد

، برابر اسـت بـا مـاكزيمم دمـاي مقطـع خروجـي بـر باشد ميميانگين دماي مقطع و اين مقدار بـراي ايـن محفظـه احتـراق

.43/1 برابر است با

Comb. Chamb. Axis (m)

Mix

ture

Frac

tion

-0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

سازي احتراق سوخت گازوئيل در محفظه احتراق ميكروتوربين شبيه

المللي برق بيست و پنجمين كنفرانس بين

8

توزيع دماي مقطع خروجي محفظه احتراق: 13شكل

توزيع سـرعت گازهـاي خروجـي از محفظـه 14شكل در

شـود، طور كه مشاهده مي همان. احتراق، نشان داده شده استدر مركز مقطع، به علـت تشـكيل شـعله و در نتيجـه افـزايش چگالي گازهاي محفظه احتراق، سرعت آن بيشتر از ساير نقاط

اســت و هرچــه از مركــز مقطــع دور m/s (85(و حــدود .يابد شويم، سرعت گاز كاهش مي مي

توزيع سرعت گاز در مقطع خروجي: 14شكل

گيري نتيجهقابليت دوگانه سوز كردن محفظه احتراق طراحي شده براي

سازي و مـورد تحليـل و بررسـي قـرار يك ميكروتوربين شبيهي تشـكيل دهد طول شـعله نتايج بدست آمده نشان مي. گرفت

تر از گاز است كـه ايـن مسـئله شده از سوختن گازوئيل، بلندز تواند مشكالتي همچون افزايش دماي گازهاي خروجـي ا مي

محفظه احتراق و حتي رسيدن شعله به انتهاي محفظه احتـراق را در پي داشته باشد؛ بـا ايـن وجـود، توزيـع دمـاي گازهـاي خروجي ناشي از سوختن گازوئيل، مقـادير مناسـبي را نشـان

هـاي روي الينـر، بـه دليـل نشان داده شد كه سـوراخ . دهد مييش دمـاي ي محافظ، به شدت به جلوگيري از افـزا ايجاد اليه

به طوري كه تفاوت دماي گازهـاي داخـل . كند الينر كمك ميدرجـه 1000ي الينـر، در حـدود ترين نقطـه الينر با دماي داغ

كلوين است و در واقع به علت مناسب بودن زاويه، سرعت و قطر قطرات سوخت پاشيده شده، موجب افزايش دماي بـيش

بخير و احتراق روند پخش، گرمايش، ت. از حد مجاز الينر نشدهمچنـين . ارائـه شـد اين مقاله اسپري سوخت گازوئيل نيز در

مطابق نتايج بدست آمده، افت فشار در محفظه احتراق بسـيار ي ناچيز و عدد ماخ جريان گاز در محفظه احتراق نيـز فاصـله

.زيادي از عدد ماخ يك دارد

مراجع1. Karlsen, G., "Dynamic Modeling & Simulation of oxy-fuel

gas turbine processes, The Norwegian Univ. Of Sci. & Tech., 2002.

2. Lefebvre, A. H., "Gas turbine combustion", Taylor&Francis, 1999.

3. McGurik, J., Spencer, A., "Computational Method For Modeling Port Flows in Gas-Turbine Combustors", International Gas Turbine and Aeroengine, Houston, June 5-8 1995.

4. Shinjo, L., Mizobuchi, Y., Ogawa, S., "Numerical analysis of flame behavior in gas turbine combustor using LES", 7-44-1 Jindaiji-higasshimachi, Chofu, Tokyo 182-8522 JAPAN.

5. Woodfield, P. L., Nakabe, K., Suzuki, K., "The Simulation of Mixing Enhancement in Micro Scale Can-type Combustor with a Low Reynolds Number Turbulence Model", Computational Heat & Mass Transfer Conference - Federal University of Rio de Janeiro, 2001.

تحليـل اتـاق ”، .، رئـوفي راد، م .، سـيدي، م .ضيايي، س ،.تيوراد، م .6احتراق بكار رفته در يك ميكروتوربين نمونه با استفاده از ديناميـك

.2006 المللي برق، امين كنفرانس بين 21، “يسياالت محاسبات