Thermodynamic cycle analysis of superadiabatic matrix-stabilized combustion for gas turbine engines
Thermodynamic cycle analysis of superadiabatic matrix-stabilized combustion for gas turbine engines
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燃气轮机超绝热基体稳定燃烧的热力循环分析
DOI：
10.1016/j.energy.2020.118171
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
9
通讯作者：
Ihme, Matthias
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Mohaddes, Danyal;Chang, Clarence T.;Ihme, Matthias
在飞机推进和固定发电中，燃气轮机发动机因其高热效率和低排放而仍然是一项关键的能源转换技术。然而，随着排放要求变得越来越严格，发动机制造商寻求设计出在可燃性的燃料贫乏极限附近运行的燃烧系统。在这项研究中，超绝热基质稳定燃烧，也被称为多孔介质燃烧，被认为是一种先进的燃烧概念，可以延长稀薄燃烧极限，实现更高的效率和排放。为此，发展了布雷顿循环分析，并确定了多孔基质的关键参数，以最大限度地扩大稀薄可燃极限。结果表明，将燃烧稳定在标称稀薄可燃极限以下，可以在不增加涡轮进口温度的情况下，显著提高发动机的压比和稀释率，从而提高循环热效率。当采用基质稳定燃烧时，燃烧室的可燃极限可扩展高达32%，与标称设计相比，热效率提高高达11%。
In aircraft propulsion as well as stationary power generation, gas turbine engines remain a key energy conversion technology due to their high thermal efficiencies and low emissions. However, as emission requirements become increasingly stringent, engine manufacturers have sought to design combustion systems that operate near the fuel-lean limit of flammability. In this study, superadiabatic matrix-stabilized combustion, also known as porous media combustion, is evaluated as an advanced combustion concept for extending the lean flammability limit to achieve improved efficiency and emissions. To this end, a Brayton cycle analysis is developed and key parameters of the porous matrix are identified for maximizing the extension of the lean flammability limit. It is shown that stabilization of combustion below the nominal lean flammability limit allows for the design of engines with significantly higher pressure ratios and lower dilution ratios without increasing turbine inlet temperatures, thus improving cycle thermal efficiency. Combustor flammability limits were shown to be extendable by up to 32% when employing matrix-stabilized combustion, resulting in thermal efficiency gains of up to 11% compared to a nominal design.
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