Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions

1.1 Introduction......Page 1
1.2 Early Combustor Developments......Page 2
1.2.1 Britain......Page 3
1.2.2 Germany......Page 5
1.2.3 The United States......Page 6
1.3 Basic Design Features......Page 8
1.4 Combustor Requirements......Page 9
1.5 Combustor Types......Page 10
1.5.2 Tuboannular......Page 11
1.5.3 Annular......Page 12
1.6 Diffuser......Page 14
1.7 Primary Zone......Page 15
1.8 Intermediate Zone......Page 16
1.9 Dilution Zone......Page 17
1.10.1 Pressure-Swirl Atomizers......Page 18
1.10.2 Airblast Atomizer......Page 19
1.11 Wall Cooling......Page 20
1.11.1 Wall-Cooling Techniques......Page 22
1.12 Combustors for Low Emissions......Page 23
1.13 Combustors for Small Engines......Page 26
1.14 Industrial Chambers......Page 28
1.14.1 Aeroderivative Engines......Page 31
Bibliography......Page 33
2.1.2 Detonation......Page 34
2.2 Classification of Flames......Page 35
2.4 Flammability Limits......Page 36
2.5 Global Reaction-Rate Theory......Page 37
2.5.2 Rich Mixtures......Page 38
2.6.1 Factors Influencing Laminar Flame Speed......Page 40
2.7 Laminar Diffusion Flames......Page 41
2.8 Turbulent Premixed Flames......Page 42
2.9 Flame Propagation in Heterogeneous Mixtures of Fuel Drops, Fuel Vapor, and Air......Page 44
2.10 Droplet and Spray Evaporation......Page 48
2.10.1 Heat-Up Period......Page 49
2.10.2 Evaporation Constant......Page 50
2.10.4 Effective Evaporation Constant......Page 51
2.10.6 Some Recent Developments......Page 53
2.11.1 Gaseous Mixtures......Page 54
2.11.2 Heterogeneous Mixtures......Page 55
2.12 Spontaneous Ignition......Page 63
2.13 Flashback......Page 68
2.14 Stoichiometry......Page 69
2.15.1 Factors Influencing the Adiabatic FlameTemperature......Page 70
Nomenclature......Page 72
References......Page 73
Bibliography......Page 76
3.1 Introduction......Page 77
3.2 Diffuser Geometry......Page 79
3.3 Flow Regimes......Page 80
3.4 Performance Criteria......Page 81
3.4.2 Ideal Pressure-Recovery Coefficient......Page 82
3.4.4 Loss Coefficient......Page 83
3.5 Performance......Page 84
3.5.1 Conical Diffusers......Page 85
3.5.2 Two-Dimensional Diffusers......Page 86
3.5.3 Annular Diffusers......Page 87
3.6 Effect of Inlet Flow Conditions......Page 88
3.6.2 Mach Number......Page 89
3.6.3 Turbulence......Page 90
3.7.1 Faired Diffusers......Page 91
3.7.2 Dump Diffusers......Page 95
3.7.3 Splitter Vanes......Page 97
3.7.4 Vortex-Controlled Diffuser......Page 98
3.7.5 Hybrid Diffuser......Page 99
3.7.6 Diffusers for Tubular and Tuboannular Combustors......Page 102
3.7.7 Testing of Diffusers......Page 103
3.8 Numerical Simulations......Page 104
Nomenclature......Page 106
References......Page 107
4.1 Introduction......Page 111
4.3 Pressure-Loss Parameters......Page 112
4.4 Relationship between Size and Pressure Loss......Page 115
4.5 Flow in the Annulus......Page 116
4.6.1 Discharge Coefficient......Page 118
4.6.2 Initial Jet Angle......Page 121
4.7.1 Experiments on Single Jets......Page 122
4.7.2 Penetration of Multiple Jets......Page 124
4.8.1 Cylindrical Ducts......Page 127
4.8.2 Rectangular Ducts......Page 129
4.9 Temperature Traverse Quality......Page 131
4.10 Dilution Zone Design......Page 133
4.10.1 Cranfield Design Method......Page 134
4.10.3 Comparison of Cranfield and NASA Design Methods......Page 135
4.11 Correlation of Pattern Factor Data......Page 136
4.13 Swirler Aerodynamics......Page 138
4.14 Axial Swirlers......Page 140
4.14.1 Swirl Number......Page 141
4.14.2 Size of Recirculation Zone......Page 142
4.14.3 Flow Reversal......Page 143
4.15 Radial Swirlers......Page 144
Nomenclature......Page 145
References......Page 147
5.2 Combustion Efficiency......Page 150
5.3 Reaction-Controlled Systems......Page 151
5.3.1 Burning Velocity Model......Page 152
5.3.2 Stirred Reactor Model......Page 156
5.4 Mixing-Controlled Systems......Page 157
5.5 Evaporation-Controlled Systems......Page 158
5.6 Reaction- and Evaporation-Controlled Systems......Page 162
5.7.1 Definition of Stability Performance......Page 164
5.7.2 Measurement of Stability Performance......Page 165
5.7.3 Water Injection Technique......Page 167
5.8.1 Experimental Findings on Bluff-Body Flame Stabilization......Page 170
5.9 Mechanisms of Flame Stabilization......Page 176
5.9.1 Homogeneous Mixtures......Page 178
5.9.2 Heterogeneous Mixtures......Page 179
5.10 Flame Stabilization in Combustion Chambers......Page 180
5.10.1 Influence of Mode of Fuel Injection......Page 181
5.10.2 Correlation of Experimental Data......Page 182
5.11 Ignition......Page 185
5.12 Assessment of Ignition Performance......Page 186
5.13.1 The High-Energy Ignition Unit......Page 187
5.13.2 The Surface Discharge Igniter......Page 188
5.14.1 Torch Igniter......Page 192
5.14.3 Hot-Surface Ignition......Page 193
5.14.5 Laser Ignition......Page 194
5.14.6 Chemical Ignition......Page 195
5.15 Factors Influencing Ignition Performance......Page 196
5.15.1 Ignition System......Page 197
5.15.2 Flow Variables......Page 200
5.15.3 Fuel Parameters......Page 204
5.16 The Ignition Process......Page 206
5.16.2 Factors Influencing Phase 2......Page 207
5.17 Methods of Improving Ignition Performance......Page 208
5.17.1 Correlation of Experimental Data......Page 209
Nomenclature......Page 211
References......Page 213
6.1.1 Introduction......Page 218
6.1.2 Breakup of Drops......Page 219
6.2 Classical Mechanism of Jet and Sheet Breakup......Page 220
6.2.1 Breakup of Fuel Jets......Page 221
6.2.2 Breakup of Fuel Sheets......Page 223
6.3 Prompt Atomization......Page 224
6.5.1 Graphical Representation of Drop-Size Distributions......Page 225
6.5.2 Mathematical Distribution Functions......Page 227
6.5.3 Rosin–Rammler......Page 228
6.5.4 Modified Rosin–Rammler......Page 230
6.5.6 Representative Diameters......Page 231
6.5.7 Prediction of Drop-Size Distributions......Page 233
6.7 Pressure Atomizers......Page 234
6.7.2 Simplex......Page 235
6.7.3 Dual Orifice......Page 236
6.7.4 Spill Return......Page 237
6.8 Rotary Atomizers......Page 238
6.9 Air-Assist Atomizers......Page 239
6.10.1 Plain-Jet Airblast......Page 240
6.10.2 Prefilming Airblast......Page 241
6.10.3 Piloted Airblast......Page 242
6.10.4 Airblast Simplex......Page 243
6.11 Effervescent Atomizers......Page 246
6.12 Vaporizers......Page 248
6.13 Fuel Nozzle Coking......Page 251
6.15 Equations for Mean Drop Size......Page 253
6.16.2 Pressure Swirl......Page 255
6.17 SMD Equations for Twin-Fluid Atomizers......Page 258
6.18 SMD Equations for Prompt Atomization......Page 261
6.18.1 Comments on SMD Equations......Page 262
6.20 Flow Number......Page 263
6.21.1 Plain-Orifice Atomizers......Page 265
6.21.3 Film Thickness......Page 267
6.22.1 Plain-Orifice Atomizers......Page 270
6.22.2 Pressure-Swirl Atomizers......Page 271
6.23 Radial Fuel Distribution......Page 273
6.24.1 Pressure-Swirl Atomizers......Page 277
6.24.2 Airblast Atomizers......Page 279
Nomenclature......Page 281
References......Page 282
7.1 Introduction......Page 289
7.2.1 Theory......Page 290
7.2.2 Core Noise Prediction Methods......Page 292
7.3.1 Descriptions of Acoustic Oscillations......Page 293
7.3.2 Characteristic Times......Page 294
7.3.4 Influence of Combustor Operating Conditions......Page 295
7.3.6 Aerodynamic Instabilities......Page 296
7.3.7 Fuel-Injector Instabilities......Page 298
7.3.8 Compressor-Induced Oscillations......Page 299
7.3.10 Test Rig Simulations......Page 300
7.4.1 Passive Control......Page 301
7.4.2 Active Control......Page 302
7.4.3 Examples of Active Control......Page 303
7.5 Modeling of Combustion Instabilities......Page 305
References......Page 306
Bibliography......Page 309
8.1 Introduction......Page 310
8.2 Heat-Transfer Processes......Page 311
8.3.1 Radiation from Nonluminous Gases......Page 313
8.3.2 Radiation from Luminous Gases......Page 315
8.4 External Radiation......Page 316
8.5 Internal Convection......Page 317
8.6 External Convection......Page 318
8.7 Calculation of Uncooled Liner Temperature......Page 319
8.7.1 Method of Calculation......Page 320
8.7.2 Significance of Calculated Uncooled Liner Temperatures......Page 323
8.8.1 Wigglestrips......Page 324
8.8.2 Stacked Ring......Page 325
8.8.5 Rolled Ring......Page 326
8.8.6 ̿ Ring......Page 327
8.9 Correlation of Film-Cooling Data......Page 328
8.9.1 Theories Based on Turbulent Boundary-Layer Model......Page 329
8.9.2 Theories Based on Wall-Jet Model......Page 330
8.9.3 Calculation of Film-Cooled Wall Temperature......Page 332
8.9.4 Film Cooling with Augmented Convection......Page 336
8.9.5 Impingement Cooling......Page 337
8.10 Practical Applications of Transpiration Cooling......Page 338
8.10.1 Transply......Page 339
8.10.2 Lamilloy......Page 340
8.11.1 Angled Effusion Cooling......Page 341
8.11.2 Tiles......Page 342
8.13 Thermal Barrier Coatings......Page 344
8.14 Materials......Page 346
8.14.1 Metal Alloys......Page 347
8.14.2 Ceramics......Page 348
8.15 Liner Failure Modes......Page 349
Nomenclature......Page 350
References......Page 351
9.1 Introduction......Page 354
9.2 Concerns......Page 355
9.3.1 Aircraft Engines......Page 357
9.3.2 Stationary Gas Turbines......Page 359
9.4.1 Carbon Monoxide......Page 361
9.4.3 Smoke......Page 365
9.4.4 Oxides of Nitrogen......Page 369
9.4.5 Influence of Pressure on Oxides of Nitrogen Formation......Page 374
9.4.6 Influence of Fuel Atomization on Oxides of Nitrogen Formation......Page 376
9.5 Pollutants Reduction in Conventional Combustors......Page 377
9.5.1 Carbon Monoxide and Unburned Hydrocarbons......Page 378
9.5.2 Smoke......Page 379
9.5.3 Oxides of Nitrogen......Page 382
9.6.1 Variable Geometry......Page 386
9.6.2 Staged Combustion......Page 388
9.7.1 Solar Dry Low-Emissions Concepts......Page 393
9.7.2 Siemens Hybrid Burner......Page 395
9.7.3 General Electric DLN Combustor......Page 396
9.7.4 ABB EV Burner......Page 398
9.7.5 Rolls Royce RB211 Industrial Burner......Page 401
9.7.6 EGT DLN Combustor......Page 402
9.7.7 General Electric LM6000 Combustor......Page 404
9.7.8 Allison AGT100 Combustor......Page 407
9.7.9 Developments in Japan......Page 408
9.8 Lean Premix Prevaporize Combustion......Page 410
9.8.1 Fuel–Air Premixing......Page 411
9.9 Rich-Burn, Quick-Quench, Lean-Burn Combustor......Page 413
9.10 Catalytic Combustion......Page 416
9.10.1 Design Approaches......Page 417
9.10.3 Fuel Preparation......Page 418
9.10.4 Catalyst Bed Construction......Page 419
9.10.6 Design and Performance......Page 420
9.10.7 Use of Variable Geometry......Page 422
9.11 Correlation and Modeling of Oxides of Nitrogen and Carbon Monoxide Emissions......Page 423
9.11.1 Oxides of Nitrogen Correlations......Page 424
9.11.2 Carbon Monoxide Correlations......Page 427
9.12 Concluding Remarks......Page 429
References......Page 430
10.1 Introduction......Page 437
10.2.1 Paraffins......Page 438
10.2.2 Olefins......Page 439
10.2.4 Aromatics......Page 440
10.3.1 Removal of Sulfur Compounds......Page 442
10.3.2 Contaminants......Page 443
10.3.3 Additives......Page 447
10.4.1 Relative Density......Page 450
10.4.3 Vapor Pressure......Page 452
10.4.4 Flash Point......Page 453
10.4.6 Viscosity......Page 454
10.4.8 Freezing Point......Page 456
10.4.9 Specific Heat......Page 457
10.4.11 Thermal Conductivity......Page 459
10.5.1 Calorific Value......Page 460
10.5.2 Enthalpy......Page 462
10.5.3 Spontaneous-Ignition Temperature......Page 463
10.5.4 Limits of Flammability......Page 464
10.5.5 Smoke Point......Page 465
10.5.6 Pressure and Temperature Effects......Page 466
10.6 Classification of Liquid Fuels......Page 468
10.6.1 Aircraft Gas Turbine Fuels......Page 469
10.6.3 Industrial Gas Turbine Fuels......Page 470
10.7 Classification of Gaseous Fuels......Page 472
10.7.1 Gaseous Fuel Impurities......Page 474
10.8.1 Pure Compounds......Page 475
10.8.3 Slurry Fuels......Page 479
10.9.1 Fuels Produced by Fischer–Tropsch Synthesis of Coal/Biomass......Page 480
10.9.2 Biofuels......Page 482
10.9.3 Alternative Fuel Properties......Page 483
10.9.4 Combustion and Emissions Performance......Page 484
References......Page 502
Contents......Page 509
Preface......Page 521
Authors......Page 523