Thermally accurate LES of the stability-emission performance of staged gas-turbine combustion

• Auteur / Autrice : Patrick Schmitt
• Direction : Thierry Poinsot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution atmosphérique -- Lutte contre

Oxydes d'azote

Turbines à gaz

Simulation par ordinateur

Combustion

Mots clés libres

Simulation aux grandes échelles

Résumé

Modern gas turbines use turbulent lean partially premixed combustion in order to minimise nitrous oxide (NOX) emissions. The Large-Eddy Simulation (LES) of such a device is the goal of this work. Focus is laid on correctly predicting the NOX emissions, which are influenced by four factors: heat transfer, mixing quality, combustion modelling and thermo-acoustic stability. The resulting LES shows a strong thermoacoustic instability due to the coupling of mixing an acoustics, comparing well with experimental observations. By making the boundaries completely anechoic it is shown that when the instability disappears, the NOX levels are reduced by 75%. Additionally, neglecting all heat transfer, effusion and film cooling, the NOX levels are increased again by one order of magnitude.

La combustion partiellement prémélangée en régime pauvre est utilisée dans les turbines à gaz modernes afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote. Le travail présenté propose de montrer que la simulation aux grandes échelles permet de prédire la formation de ces polluants dans un brûleur de turbine à gaz. La position de la flamme et les champs de vitesses associés sont les principaux critères de validation du calcul réactif. On montre que les pertes thermiques et les conditions aux limites acoustiques influencent grandement la prédiction des émissions d'oxydes d'azote. En particulier, une forte instabilité de combustion due au couplage entre l'acoustique et la formation du mélange air-carburant est mise en évidence. Sans cette instabilité, les émissions d'oxydes d'azote sont réduites de 75%. Négliger les pertes thermiques et le refroidissement conduit à décupler la production d'oxydes d'azote.