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Large eddy simulation and acoustic analysis of multi-burner industrial gas turbines

Staffelbach, Gabriel (2006) Large eddy simulation and acoustic analysis of multi-burner industrial gas turbines. (Simulation aux grandes échelles et analyse acoustique de turbines à gaz industrielles multi-bruleurs.)

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Abstract

Des mesures de plus en plus restrictives sur les émissions polluantes poussent les constructeurs de turbines à gaz à développer de nouvelles technologies ainsi qu'à faire travailler les machines dans des conditions opérationnelles inédites. Il arrive que ces conditions opérationnelles produisent des effets indésirables qui déclenchent des instabilités de combustion. Seuls des tests poussés depuis la phase de conception à la mise au point des derniers réglages permettent de prévoir ces instabilités. Mais ces tests sont quasiment impossibles sur une vraie turbine et souvent une version simplifiée est utilisée pour les essais expérimentaux ainsi que dans les études numériques. Une simplification habituelle est alors de n'étudier que l'un des brûleurs de la turbine complète (qui peut en compter plusieurs dizaines) et d'extrapoler ces résultats. Cette démarche rend impossible l'étude de deux mécanismes: l'interaction entre brûleurs voisins et le développement de modes acoustiques azimutaux dans des chambres annulaires. Dans cette thèse nous utilisons la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) pour étudier ces deux effets et de fac¸on plus générale pour comprendre la structure des flammes dans ces foyers et leur stabilisation. Premièrement la stabilisation de flamme à l'aide de flammes pilote est étudié dans une configuation de laboratoire. Après, l'influence de modes azimutaux sur des turbines à gaz annulaires est évaluée en utilisant une méthode numérique développée pendant cette thèse qui permet d'évaluer l'impact de ces modes sur une turbine en n'étudiant que un seul brûleur. Puis une SGE d'un brûleur triple est présentée. L'impact des brûleurs latéraux sur le brûleur central est évalué. En dernier, la faisabilité d'une simulation complète de chambre annulaire est démontrée. ABSTRACT : Pollutant emissions restrictions have driven gas turbine manufacturers to employ new technologies and to operate these systems in extreme operating conditions. These operating conditions produce in some cases combustion instabilities which can have dramatic effects for the turbine. Extended experimental and numerical studies are then required to analyze the possible behavior of the end design. Unfortunately tests on the real set-up are not possible and simplified cases are used. Although gas turbines can contain up to 30 burners blowing into the same annular chamber, tests in laboratories are often performed on one single burner. This simplification obviously suppresses two mechanisms: burner/burner interaction and the possibility of acoustic azimuthal modes of the full annular chamber. The objective of this thesis is to use Large Eddy Simulation (LES) to investigate whether these mechanisms are important or not. An additional issue considered is the effect of the pilot fuel injection on flame stability. First, the influence of a pilot flame on the flame stabilization of a laboratory scale burner is studied. Then, using a numerical method developed during this thesis, the impact of an azimuthal mode on a turbine is analyzed using single burner LES. A LES of a triple burner configuration is presented and the impact of the side burners on the central burner analyzed. To finish, the feasibility of full chamber LES is demonstrated.

Department:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Poinsot, Thierry
Uncontrolled Keywords:Simulation aux Grandes Echelles - SGE - Combustion partiellement prémélangée - Interaction Brûleur/Brûleur - Modes acoustiques azimutaux - Réponse de flamme. KEYWORDS : Large-Eddy Simulation - Turbulent lean partially premixed combustion - Combustion instabilities - Burner-burner interaction - Azimuthal acoustic modes - Flame response.
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:27 November 2006

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