The individual tubular low-toxic combustion chamber

Cover Page

Cite item

Abstract

BACKGROUND: intensive works in improvement and development of microturbine power plants for energy and transport continues worldwide. These works are still relevant due to near-to-zero emissions of microturbines, as well as due to the fact that microturbines efficiency can be increased up to 50% and above, which opens the potential to compete with well-known power plants in the foreseeable future, including in terms of efficiency. Therefore, the work on the study of a low-toxic combustion chamber for a microturbine seems relevant as well.

AIM: Сomputational and experimental study of an individual tubular low-toxic combustion chamber of a 50 kW microturbine with an increase in pressure at the inlet to the chamber.

METHODS: The description of the experimental facility for combustion chamber testing and the results of its experimental study are given. A sufficient convergence of the experimentally obtained parameters of the combustion chamber with the parameters obtained from the simulation modeling of flow and combustion in the combustion chamber was obtained.

RESULTS: In the course of the calculated and full-scale studies, hydraulic losses, nitrogen oxide emissions, and temperature unevenness at the outlet of the combustion chamber with increasing air pressure at its inlet were determined.

CONCLUSIONS: The calculated study showed a significant effect of an increase in air pressure from 3 to 3.5 bar at the entrance to the combustion chamber on its main parameters. Thus, hydraulic losses have more than doubled and nitrogen oxide emissions have increased almost 1.3 times. The conducted experimental study of the combustion chamber generally confirmed the results of mathematical modeling and thereby tested the computational model used. Thus, the discrepancy in the experimentally and computationally obtained values of relative pressure losses in the combustion chamber does not exceed 15%, and in emissions of nitrogen oxides 7%.

About the authors

Andrey V. Kostyukov

Central Scientific and Research Automobile and Automotive Engines Institute NAMI

Email: kostukov123@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0005-5137-7259

Cand. Sci. (Engineering), Main Specialist of the Alternative Engines Department

Russian Federation, Moscow

Anton G. Valeev

Moscow Polytechnic University

Email: valeevanton@gmail.com
ORCID iD: 0009-0005-7067-1269

Assistant of the Power Plants for Transport and Small Energy Department

Russian Federation, 38 Bolshaya Semenovskaya street, 107023 Moscow

Alexander A. Dementiev

Moscow Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: w1941w@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-2311-0849
SPIN-code: 7826-5560

Associate Professor of the Power Plants for Transport and Small Energy Department

Russian Federation, 38 Bolshaya Semenovskaya street, 107023 Moscow

References

  1. Teng SY, Máša V. New insights into the potential of the gas microturbine in microgrids and industrial applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020;134. doi: 10.1016/j.rser.2020.110078
  2. Benini E. Progress in Gas Turbine Performance. University of Padua: InTech Open. 2013:270.
  3. Matveev S, Abrashkin V, Orlov M, et al. Development of an algorithm for design calculation of a combustion chamber for a microturbine power plant. Bulletin of the Samara State Aerospace University. 2013;3(41):146–155. (In Russ).
  4. Kostyukov A, Karpukhin K, Nadareishvili G. Design Features when Using an Effective Microturbine as a Range Extending Engine. Science and Technique. 2018;18(6):447–460. doi: 10.21122/2227-1031-2019-18-6-447-460
  5. Karpukhin K, Terenchenko A, Kolbasov A, et al. The use of microturbines as an energy converter for motor transport. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering. 2019:8(10):2700-2703. doi: 10.35940/ijitee.J9451.0881019
  6. Mnogotselevye malogabaritnye gazoturbinnye dvigateli (mikroturbiny) so sverkhvysokoy ste-penyu regeneratsii. Otchet. Etap 1. Moskva 2015. Gosudarstvennyy registratsionnyy nomer № 1027700140192. 2015. (In Russ).
  7. Gornovskii A, Valeev A, Kosach L, et al. Optimization and tuning of a low-toxic combustion chamber using numerical modeling of combustion chamber processes. Izvestiya MGTU MAMI. 2017;3(33):14–20. (In Russ).
  8. Gornovskii A, Valeev A, Kostyukov A. Designing combustion chamber based on RQL concept. Naukograd Scientific and social journal. 2017:2:73–76. (In Russ).
  9. Menter F. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994.
  10. Menter F, Carregal Ferreira J, Esch T, et al. The SST turbulence model with improved wall treatment for heat transfer predictions in gas turbines. In: Proceedings of the international gas turbine congress. Tokyo, November 2–7, 2003. Tokio: Nippon Foundation, 2003. [cited: 28.12.2023] Available from: https://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2003/00916/pdf/igtc2003tokyo_ts059.pdf
  11. Muller CM, Breitbach H, Peters N. Partially premixed turbulent flame propagation in jet flames. In: Symposium (International) on Combustion. 1994;25(1):1099–1106. doi: 10.1016/S0082-0784(06)80747-2
  12. Pitsch H, Chen M, Peters N. Unsteady flamelet modeling of turbulent hydrogen-air diffusion flames. In: 27th Symposium (International) on combustion. The combustion institute. 1998;27(1):1057–1064. doi: 10.1016/S0082-0784(98)80506-7
  13. Pitsch H, Peters N. A consistent flamelet formulation for non-premixed combustion considering differ-ential diffusion effects. Combustion and flame. 1998;114:26–40.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 3. The flame tube with an injector and a swirler of the individual tubular combustion chamber.

Download (120KB)
3. Fig. 5. Diagram of thermal couples location at the outlet of the studied combustion chamber.

Download (62KB)
4. Рис. 6. Экспериментальная установка для испытаний камеры сгорания.

Download (253KB)
5. Fig. 1. The individual tubular direct-flow low-toxic combustion chamber with rich-lean burn [5].

Download (96KB)
6. Fig. 2. Temperature fields of flame (on the left) and the flame tube of the combustion chamber.

Download (192KB)
7. Fig. 4. Principal diagram of a test rig for combustion chamber testing: 1 — a gas-analyzer; 2, 3 — water-gate valve; 4 — the № 1 thermal couple; 5, 11 — differential pressure gauges; 6 — a measuring orifice; 7 — a gas cylinder; 8 — a gas-pressure reducer; 9 — a valve of gas supply to the №1 combustion chamber; 10 — a valve of gas supply to the № 2 combustion chamber; 12 — a pressure gauge; 13 — an electrical heater of the gas-pressure reducer; 14 — an ignition spark of the № 1 combustion chamber; 15 — an ignition spark of the № 2 combustion chamber; 16 — the № 1 combustion chamber; 17 — the combustion chamber ignition control unit; 18 — a receiver for flow temperature equalization in front of the № 1 combustion chamber; 19 — a control unit for transferring data of thermal couples; 20 — a thermal couple at the № 1 combustion chamber inlet; 21 — the studied № 2 combustion chamber; 22 — a viewpoint; 23 — a thermal couple at the № 1 combustion chamber outlet; 24 — an exhaust pipe; 25 — a valve of the № 2 combustion chamber exhaust gas offtake; 26 — a water reservoir; 27 — an exhaust pipe; 28 — a sampling probe of the gas-analyzer; 29 — an exhaust pipe cooling screen; 30 — a personal computer; 31 — a Wi-Fi- router for transferring data of thermal couples; 32 — a compressor for air supply for exhaust pipe cooling; 33 — the № 1 combustion chamber exhaust pipe for NOₓ measurement.

Download (176KB)
8. Fig. 7. Calculated and experimental curves of temperature inequality.

Download (214KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».