Preliminary design of a combustor for a micro-gas turbine

The aim of this Thesis consists in developing and presenting a method for preliminarly designing a Premixed, Reverse-flow Annular Combustor (PRAC) for a Micro-Gas Turbine (MGT). With respect to conventional combustors, designing a PRAC implies a deeper analysis of some critical aspects of this type of combustor, such as pressure losses, the design of the liner holes and the injectors, and flame stability. Moreover, within this method it is highlighted how the sizing process can be integrated with the use of the software Cantera, which is able to provide some useful quantities. Although this Thesis focuses on the preliminary design phase and on the nominal operating conditions, important remarks are also made on the ’off-design’ conditions and the problems that may arise during the advanced phases of the design process and how to deal with them. Lastly, this work includes a final part in which a PRAC for a real MGT is sized according to the developed design method.

In questa Tesi viene sviluppato e presentato un metodo per il dimensionamento preliminare di una camera di combustione di tipo anulare, a flusso inverso e con fiamma premiscelata (denominata PRAC in questo documento) per una MicroTurbina a Gas (MGT). Rispetto alle camere di combustione tradizionali, dimensionare una PRAC implica un’analisi più approfondita riguardo ad alcune problematiche tipiche di questa configurazione come le perdite di pressione, il dimensionamento dei fori del liner e degli iniettori, e la stabilità di fiamma. In più, all’interno di questo metodo emerge la potenzialità offerta dall’utilizzo del software Cantera che è in grado di fornire informazioni molto utili durante il processo di dimensionamento. Nonostante questo lavoro si concentri sulla fase preliminare del dimensionamento e sul funzionamento in condizioni nominali, importanti considerazioni vengono fatte anche sui regimi di ’off-design’ e sui possibili problemi che potrebbero scaturire nelle fasi avanzate del dimensionamento e su come affrontarli. Questo metodo di dimensionamento viene poi applicato al caso di una MGT reale, i cui risultati vengono presentati a fine documento.