Numerical Simulations of Cooling Concepts Related to Gas Turbine Combustors

Abstract: Popular Abstract in Swedish I utvecklingen av gasturbiner och förbränningsmotorer (som används i bilar, flygplan & båtar) finns idag ett modernt miljötänkande som strävar efter att reducera utsläpp och öka effektiviteten (verkningsgraden). Med användning av rätt kylmetoder kan man påverka dessa parametrar. Den bästa möjliga kyltekniken skapar utrymme för att höja temperaturen vid förbränningen vilket får en positiv inverkan på motorernas verkningsgrad. Dessutom, och kanske ännu viktigare, ger en effektiv kylteknik utrymme för lägre emissoner då en del av luftflödet från kompressorn används som kylmedium. Denna metod är i praktiken mycket vanlig och kräver en minimal användning av kylluft, eftersom emissioner av framför allt kväveoxider kan minskas om förbränningen sker under luftöverskott. Avhandlingen är ett bidrag till att ta fram beräkningsmetoder som kan stödja ingenjörer i designen av framtida kylkoncept. Extremt kraftfulla datorer krävs för att simulera kylningen av en brännkammare och s.k. CFD-(Computational Fluid Dynamics) koder utgör plattformen för forskningen. Ett av de framtida kylkoncepten är kylning med påtvingad konvektion. Kylluften strömmar då i trånga kanaler på utsidan av brännkammaren och får svepa över ytor som är speciellt designade för största möjliga värmebortförsel. Till exempel kan man använda s.k. ribbor som stör strömningen och ökar kyleffekten. En annan ide är att låta strålar av kyllyft slå mot brännkammarväggen med hög hastighet (impingement-kylning). I avhandlingen presenteras en optimeringsstudie kring utformning av ribbade kylkanaler, samt en undersökning av deformerade geometriers prestanda. En stor utmaning i beräkningarna är att simulera turbulens (virvlar och fluktuationer) i kylluftens strömning, vilket kräver avancerad matematisk modellering. Avhandlingen omfattar därför också en studie hur olika modeller klarar att hantera detta.