GE H-series combustion chamber preliminary re-design for performance improvement

The object of the study carried out is the optimization of the unique slinger ring GE H-Series Turboprop combustor with the target to increase combustion efficiency and reliability of the mechanical components. Analysis performed aims to understand the aerodynamic and combustion behaviours of the actual combustion chamber, modeling of proposed preliminary design concepts and their verification by means of CFD simulations, considering both cold flow and reacting flow conditions. The main areas involved in the re-design process are the improvement of the flame stabilization mechanism, intending to reach a more compact reaction zone to improve fuel burn and reduce pollutant emissions and generate a suitable combustor outlet temperature profile, improving turbine section operational environment. Finally, an adequate review of the combustor liners cooling system has been performed, to provide a preliminary design of the cooling system to be tested and validated. A proposal of a preliminary design concept, comprehensive of all features to meet requirements is presented at the end of the present work. A thorough description of combustor liner components modifications, satisfying criteria for combustion performance, combustor outlet profile and material capability of the combustor liners is eventually provided.

L'oggetto dello studio condotto è l'ottimizzazione dell'esclusiva camera di combustione del motore turboelica GE H-Series, con l'obiettivo di aumentare l'efficienza di combustione e l'affidabilità dei componenti meccanici. L'analisi effettuata ha lo scopo di comprendere i comportamenti aerodinamici e di combustione della camera di combustione reale, la modellazione dei concetti di progettazione preliminare proposti e la loro verifica mediante simulazioni CFD, considerando sia il flusso a freddo che le condizioni di flusso di reagente. Le principali aree coinvolte nel processo di riprogettazione sono il miglioramento del meccanismo di stabilizzazione della fiamma, con l'intenzione di raggiungere una zona di reazione più compatta per migliorare il consumo di carburante, ridurre le emissioni di inquinanti e generare un profilo di temperatura di uscita del combustore adeguato, migliorando l'ambiente operativo della sezione della turbina. Infine, è stata eseguita un'adeguata revisione del sistema di raffreddamento del combustore, al fine di fornirne una progettazione preliminare da testare e convalidare. Alla fine del presente lavoro viene presentata una proposta di un concetto progettuale preliminare, soddisfacente tutti i requisiti. Viene infine fornita una descrizione completa delle modifiche dei componenti della camera di combustione, soddisfacenti le prestazioni di combustione, il profilo di uscita del combustore e le capacità meccaniche dei materiali utilizzati per la realizzazione della camera di combustione.