Miniature fuel film combustor : swirl vane design and combustor characterization

Previous research on fuel film combustors has shown their potential as portable power devices with high mass and volume specifi c power and energy. In this work, the addition of a swirl vane at the bottom of the film combustor, while retaining the original design of tangential fuel inlets, will be presented. Two prototypes with di erent subcentimeter inner diameters were studied. The construction challenge of building small devices with complex geometry was met by taking advantage of rapid prototyping (3D stereolithography techniques). The spatial resolution of the rapid prototyping technology created some limitations to the burner design. Di fferent swirl vanes were designed, varying the geometry and the fluid dynamic features. The swirl vanes were tested in sub-centimeter burners, changing the metal of the chamber and investigating various chamber lengths. Operating limits and combustion stability were analyzed in a wide range of overall equivalence ratios. A general combustion assessment was completed by the measurement of flame plume length and by direct and Schlieren imaging. The e ffects of each designed swirl vane on the combustion stability and on the air/fuel mixing behaviour were studied. The characterization of each swirl vane and combustion covered di fferent aspects: pressure measurements, swirl number calculation, temperature pro file both of the wall and the flame.

Precedenti studi su combustori a film liquido di combustibile, hanno dimostrato la possibilità di sfruttare questa tecnologia per impiegarla in dispositivi portatili per la generazione di energia. I combustori a film liquido di combustibile sono in grado di mantenere una combustione tra un idrocarburo ed aria in volumi molto piccoli, rilasciando elevate quantità di potenza ed energia specifiche. Nella presente ricerca si è considerata la possibilità di sostituire gli iniettori tangenziali di aria, necessari per generare turbolenza e permettere la miscela dei reagenti, con uno swirler. Sono stati progettati due diversi prototipi con diametro interno della camera di combustione inferiore al centimetro, verificando la possibilità di miniaturizzare ulteriormente le dimensioni rispetto i combustori realizzati in precedenza. La realizzazione di complesse geometrie con dimensioni così contenute ha richiesto la realizzazione completa o parziale del dispositivo mediante prototipazione rapida, scegliendo diverse tecnologie e materiali di prototipazione tra quelli disponibili. In fase realizzativa, insufficienze di risoluzione della prototipazione rapida hanno limitato le possibilità di progettazione. Sono stati realizzati diversi swirlers, variando geometria e le caratteristiche fluidodinamiche impartite al flusso d'aria. Essi sono stati analizzati in combustori di diverso materiale e differenti lunghezze della camera di combustione, valutando i limiti operativi e le caratteristiche della combustione in un ampio intervallo di rapporti di equivalenza. Ciascun swirler è stato caratterizzato con misure della lunghezza di fiamma, immagini Schlieren, calcolo del numero di swirl, creazione di mappe della distribuzione di pressione all'interno del combustore, misure di temperatura della camera di combustione e della fi amma.