Enhancement of Aeroengine Combustion Chamber Air Cooling Holes Design for Emission Reduction and Pattern Factor Control
The results of a comprehensive numerical analysis of temperature uniformity and NOx and CO emission predictions in an aeroengine annular combustor liner, conducted by geometrical modifications through design changes in primary cooling air, including effusion cooling holes, are shown in the paper. A...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2025
|
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/321233 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Journal of Mechanical Engineering |
Репозитарії
Journal of Mechanical Engineering| id |
journalsuranuajme-article-321233 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Journal of Mechanical Engineering |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-01-20T16:27:43Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| format |
Article |
| author |
Hajivand, Masoud |
| spellingShingle |
Hajivand, Masoud Enhancement of Aeroengine Combustion Chamber Air Cooling Holes Design for Emission Reduction and Pattern Factor Control |
| author_facet |
Hajivand, Masoud |
| author_sort |
Hajivand, Masoud |
| title |
Enhancement of Aeroengine Combustion Chamber Air Cooling Holes Design for Emission Reduction and Pattern Factor Control |
| title_short |
Enhancement of Aeroengine Combustion Chamber Air Cooling Holes Design for Emission Reduction and Pattern Factor Control |
| title_full |
Enhancement of Aeroengine Combustion Chamber Air Cooling Holes Design for Emission Reduction and Pattern Factor Control |
| title_fullStr |
Enhancement of Aeroengine Combustion Chamber Air Cooling Holes Design for Emission Reduction and Pattern Factor Control |
| title_full_unstemmed |
Enhancement of Aeroengine Combustion Chamber Air Cooling Holes Design for Emission Reduction and Pattern Factor Control |
| title_sort |
enhancement of aeroengine combustion chamber air cooling holes design for emission reduction and pattern factor control |
| title_alt |
Удосконалення конструкції отворів повітряного охолодження камери згоряння авіаційного двигуна для зменшення викидів і контролю рівномірності температури Удосконалення конструкції отворів повітряного охолодження камери згоряння авіаційного двигуна для зменшення викидів і контролю рівномірності температури |
| description |
The results of a comprehensive numerical analysis of temperature uniformity and NOx and CO emission predictions in an aeroengine annular combustor liner, conducted by geometrical modifications through design changes in primary cooling air, including effusion cooling holes, are shown in the paper. A total of five geometric configurations were studied using computational fluid dynamics (CFD) simulations in ANSYS CFX. The adopted combustion model was sort of a combination of the finite-rate (i.e., chemistry, chemical processes) and eddy dissipation model (FRC/EDM). Further, the combustion of liquid kerosene (C10H22) with air, subsequent to the evaporation of fuel droplets, was simulated, and the Rosin-Rammler droplet size distribution was used in spray modeling for accurate depiction of fuel atomization. Both thermal and prompt formation mechanisms of NOx were considered, while k-ε model for turbulence was adapted to capture the nature of emission. An annular combustion chamber of realistic dimensions with a double radial air swirler was modelled in 3D CAD to undertake this study for good, tangible results. Built contour plots allowed to analyze the temperature distribution and NOx concentration along the axis from the center of the injector. Charts on the pattern factor, temperature, and NOx and CO concentrations at the outlet of the combustor served as performance metrics. The simulation was implemented with a two-step chemical kinetics scheme for kerosene combustion with the P1 radiation model, which would give an accurate thermal radiation prediction. One of the major objectives of this research is to compare the CFD results at the combustor outlet with gas dynamic and thermodynamic calculations that have been carried out using AxStream software at the Department of Aeroengine Design, Kharkiv Aviation Institute. It is important to emphasize that the mean deviation of gas dynamic results obtained from AxStream and CFD simulation results was found to be insignificant, hence the CFD approach has been validated. The results testify that redesigning the combustor liner, especially in the design related to primary and effusion cooling holes, drastically reduced NOx and CO emissions. Also, these design modifications have helped in reducing or improving temperature uniformity at the combustor outlet, either way enhancing combustion efficiency and performance. |
| publisher |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/321233 |
| work_keys_str_mv |
AT hajivandmasoud enhancementofaeroenginecombustionchamberaircoolingholesdesignforemissionreductionandpatternfactorcontrol AT hajivandmasoud udoskonalennâkonstrukcííotvorívpovítrânogooholodžennâkamerizgorânnâavíacíjnogodvigunadlâzmenšennâvikidívíkontrolûrívnomírnostítemperaturi |
| first_indexed |
2025-01-21T04:05:18Z |
| last_indexed |
2025-01-21T04:05:18Z |
| _version_ |
1821920432056434688 |
| spelling |
journalsuranuajme-article-3212332025-01-20T16:27:43Z Enhancement of Aeroengine Combustion Chamber Air Cooling Holes Design for Emission Reduction and Pattern Factor Control Удосконалення конструкції отворів повітряного охолодження камери згоряння авіаційного двигуна для зменшення викидів і контролю рівномірності температури Удосконалення конструкції отворів повітряного охолодження камери згоряння авіаційного двигуна для зменшення викидів і контролю рівномірності температури Hajivand, Masoud The results of a comprehensive numerical analysis of temperature uniformity and NOx and CO emission predictions in an aeroengine annular combustor liner, conducted by geometrical modifications through design changes in primary cooling air, including effusion cooling holes, are shown in the paper. A total of five geometric configurations were studied using computational fluid dynamics (CFD) simulations in ANSYS CFX. The adopted combustion model was sort of a combination of the finite-rate (i.e., chemistry, chemical processes) and eddy dissipation model (FRC/EDM). Further, the combustion of liquid kerosene (C10H22) with air, subsequent to the evaporation of fuel droplets, was simulated, and the Rosin-Rammler droplet size distribution was used in spray modeling for accurate depiction of fuel atomization. Both thermal and prompt formation mechanisms of NOx were considered, while k-ε model for turbulence was adapted to capture the nature of emission. An annular combustion chamber of realistic dimensions with a double radial air swirler was modelled in 3D CAD to undertake this study for good, tangible results. Built contour plots allowed to analyze the temperature distribution and NOx concentration along the axis from the center of the injector. Charts on the pattern factor, temperature, and NOx and CO concentrations at the outlet of the combustor served as performance metrics. The simulation was implemented with a two-step chemical kinetics scheme for kerosene combustion with the P1 radiation model, which would give an accurate thermal radiation prediction. One of the major objectives of this research is to compare the CFD results at the combustor outlet with gas dynamic and thermodynamic calculations that have been carried out using AxStream software at the Department of Aeroengine Design, Kharkiv Aviation Institute. It is important to emphasize that the mean deviation of gas dynamic results obtained from AxStream and CFD simulation results was found to be insignificant, hence the CFD approach has been validated. The results testify that redesigning the combustor liner, especially in the design related to primary and effusion cooling holes, drastically reduced NOx and CO emissions. Also, these design modifications have helped in reducing or improving temperature uniformity at the combustor outlet, either way enhancing combustion efficiency and performance. Поточне дослідження є комплексним числовим аналізом, що стосується рівномірності температури та прогнозування викидів NOx і CO в жаровій трубі кільцевої камери згоряння авіаційного двигуна шляхом геометричних модифікацій, зокрема зміни конструкції первинного охолоджувального повітря, включаючи отвори для ефузійного охолодження. Було досліджено п’ять геометричних конфігурацій із використанням моделювання CFD в ANSYS CFX. Прийнята модель горіння поєднувала хімію з кінцевою швидкістю реакції та модель вихрової дисипації (FRC/EDM). Крім того, моделювалося згоряння рідкого гасу (C12H23) з повітрям після випаровування паливних крапель. Моделювання розпилення використовувало розподіл розмірів крапель Розіна-Раммлера для точного відображення процесу розпилення палива. Було розглянуто як термічні, так і миттєві механізми утворення NOx, тоді як для турбулентності використовувалася модель k-ε. Кільцева камера згоряння реалістичних розмірів із подвійним радіальним завихрювачем повітря була змодельована в 3D CAD для проведення цього дослідження з хорошими, надійними результатами. Контурні графіки розподілу температури та концентрації NOx аналізувалися вздовж осі від центру інжектора. Діаграми рівномірності температури та концентрацій NOx і CO на виході з камери згоряння слугували показниками продуктивності. Моделювання було реалізовано за допомогою двоетапної схеми хімічної кінетики для згоряння гасу та моделі випромінювання P1, яка забезпечила точне прогнозування теплового випромінювання. Однією з основних цілей цього дослідження було порівняння результатів CFD на виході з камери згоряння з газодинамічними та термодинамічними розрахунками, виконаними за допомогою програмного забезпечення AxStream на кафедрі конструкції авіаційних двигунів Харківського авіаційного інституту. Важливо зазначити, що середнє відхилення результатів газодинаміки, отриманих із результатів моделювання AxStream і CFD, було незначним, що підтвердило правильність підходу CFD. Результати свідчать про те, що перепроєктування жарової труби камери згоряння, зокрема конструкцій, пов’язаних із первинними та ефузійними охолоджувальними отворами, значно скоротило викиди NOx і CO. Крім того, ці конструктивні зміни допомогли знизити або покращити рівномірність температури на виході з камери згоряння, що підвищило ефективність і продуктивність згоряння. Поточне дослідження є комплексним числовим аналізом, що стосується рівномірності температури та прогнозування викидів NOx і CO в жаровій трубі кільцевої камери згоряння авіаційного двигуна шляхом геометричних модифікацій, зокрема зміни конструкції первинного охолоджувального повітря, включаючи отвори для ефузійного охолодження. Було досліджено п’ять геометричних конфігурацій із використанням моделювання CFD в ANSYS CFX. Прийнята модель горіння поєднувала хімію з кінцевою швидкістю реакції та модель вихрової дисипації (FRC/EDM). Крім того, моделювалося згоряння рідкого гасу (C12H23) з повітрям після випаровування паливних крапель. Моделювання розпилення використовувало розподіл розмірів крапель Розіна-Раммлера для точного відображення процесу розпилення палива. Було розглянуто як термічні, так і миттєві механізми утворення NOx, тоді як для турбулентності використовувалася модель k-ε. Кільцева камера згоряння реалістичних розмірів із подвійним радіальним завихрювачем повітря була змодельована в 3D CAD для проведення цього дослідження з хорошими, надійними результатами. Контурні графіки розподілу температури та концентрації NOx аналізувалися вздовж осі від центру інжектора. Діаграми рівномірності температури та концентрацій NOx і CO на виході з камери згоряння слугували показниками продуктивності. Моделювання було реалізовано за допомогою двоетапної схеми хімічної кінетики для згоряння гасу та моделі випромінювання P1, яка забезпечила точне прогнозування теплового випромінювання. Однією з основних цілей цього дослідження було порівняння результатів CFD на виході з камери згоряння з газодинамічними та термодинамічними розрахунками, виконаними за допомогою програмного забезпечення AxStream на кафедрі конструкції авіаційних двигунів Харківського авіаційного інституту. Важливо зазначити, що середнє відхилення результатів газодинаміки, отриманих із результатів моделювання AxStream і CFD, було незначним, що підтвердило правильність підходу CFD. Результати свідчать про те, що перепроєктування жарової труби камери згоряння, зокрема конструкцій, пов’язаних із первинними та ефузійними охолоджувальними отворами, значно скоротило викиди NOx і CO. Крім того, ці конструктивні зміни допомогли знизити або покращити рівномірність температури на виході з камери згоряння, що підвищило ефективність і продуктивність згоряння. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2025-01-20 Article Article application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/321233 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 27 No. 4 (2024); 6-21 Проблемы машиностроения; Том 27 № 4 (2024); 6-21 Проблеми машинобудування; Том 27 № 4 (2024); 6-21 2709-2992 2709-2984 en https://journals.uran.ua/jme/article/view/321233/311748 Copyright (c) 2025 Hajivand Masoud http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |