Numerical Investigation of Flame Holder Effects on the Performance of a Turbofan Combustion Chamber Used in a Ramjet

Gharezi, Sajjad; Doustdar, Mohammad Mehdi

doi:10.22034/jsst.2023.1451

Numerical Investigation of Flame Holder Effects on the Performance of a Turbofan Combustion Chamber Used in a Ramjet

Document Type : Original Research Paper

Authors

Sajjad Gharezi ¹

Mohammad Mehdi Doustdar ²

¹ M.S c., Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran,Iran

² Professor, Department of Aerospace Engineering, Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran

10.22034/jsst.2023.1451

Abstract

In recent years, many turbofan engines that lack flight certification have been repurposed for other applications, such as power generation or providing air mass flow. This article investigates the feasibility and characteristics of using a standard turbofan combustion chamber in a ramjet application. One can of the combustion chamber from the D30K engine, which is of a can-annular type, was selected as the basis for this study. A redesign process was undertaken to determine the geometry of the combustion chamber based on existing scientific and technical literature. The geometric ratios of the D30K engine were used for validation, demonstrating satisfactory adaptation.The Gas Turb software was employed to determine the flow entrance conditions for a combustion chamber applied in a ramjet engine. Subsequently, the Fluent software was used to perform simulations of combustion using a non-premixed liquid phase method. The results indicated that, in this configuration, the induced vortices were not strong enough to stabilize the flame, making using a flame holder essential.Additionally, a parametric study was conducted to investigate the effects of the flame holder's size, number, position, and distance on parameters such as pressure loss, maximum temperature, Mach number, and flame stability. The results demonstrate that a multi-flame holder setup positively impacts performance, while more oversized flame holders are not recommended due to undesirable effects.

Keywords

Ramjet Engine

Combustion Chamber

Design

Numerical Analysis

Flameholder

Subjects

System Design, Space Propulsion and Space System Simulation

Article Title Persian

بررسی اثر شعله‌نگهدار در عملکرد محفظه احتراق یک موتور توربوفن برای کاربرد در موتور رم‌جت

Authors Persian

سجاد قارزی ¹

محمد مهدی دوستدار ²

¹ کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین علیه السلام، تهران، ایران

² استاد، گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین علیه السلام، تهران، ایران

Abstract Persian

امروزه موتورهای توربوفن فراوانی در داخل کشور وجود دارند که به‌خاطر رعایت ایمنی مجوز پرواز به آنها داده نمی‌شود اما می‌توانند در سایر کاربردها از جمله در شناورها، نیروگاه‌ها، تونل‌های باد و امثال آن برای تولید قدرت و یا ایجاد جریان هوا مورد استفاده قرار گیرند. در این پژوهش امکان به‌کارگیری محفظه احتراق یک موتور توربوفن با جریان‌های ثانویه و رقیق‌سازی در یک موتور رم‌جت مطالعه شده است. موتور D30K دارای محفظه احتراق لوله‌ای-حلقوی است که یکی از لوله‌های آن به‌عنوان مبنا در این تحقیق مد نظر قرار گرفته است. برای ایجاد چشم‌انداز وسیع‌تر و قابلیت توسعه دستاوردهای این تحقیق در ابتدا به فرآیند طراحی و یا به تعبیری باز طراحی محفظه احتراق لوله‌ای با جریان‌های ثانویه و بر اساس دانش و پیشنهادات موجود در ادبیات علمی و صنعتی پرداخته شده تا هندسه محفظه مورد نظر برای شبیه‌سازی استخراج شود. نتایج این باز طراحی جهت صحت‌سنجی، از نظر نسبت ابعاد هندسی اجزاء با نسبت‌های مربوط به محفظه لوله‌ای موتور D30K مقایسه شده که تطبیق رضایت‌بخشی را نشان می‌دهند. برای تعیین شرایط جریان ورودی به این محفظه در موتور رم‌جت، از نرم‌افزار GasTurb استفاده شده است. سپس نرم‌افزار فلوئنت برای شبیه‌سازی احتراق به روش غیرپیش‌آمیخته فاز مایع به‌کار گرفته شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهند که وقتی از محفظه احتراق یک موتور توربوفن با مجاری جریان ثانویه که روی لاینر تعبیه شده‌اند برای شرایط موتور رم‌جت استفاده می‌شود، گردابه‌های ایجاد شده از قدرت کافی برای ماندگاری شعله برخوردار نیستند و به‌کارگیری شعله‌نگهدار ضرورت می‌یابد. پس از درک این ضرورت به مطالعه اثر ابعاد، تعداد، موقعیت و فاصله شعله‌نگهدار بر ماندگاری شعله، افت فشار، دمای بیشینه خروجی و سرعت جریان پرداخته شد. نتایج بیانگر آن است که استفاده از چند شعله‌نگهدار اثر مطلوبی روی عملکرد دارد اما شعله‌نگهدار با ابعاد نسبی بزرگ توصیه نمی‌گردد

Keywords Persian

موتور رم‌جت

محفظه احتراق

طراحی

تحلیل عددی

شعله‌نگهدار

[1] M. Doustdar, "Spark ignition engines; quasi dimensional simulation," Imam Hossein Comprehensive University Publications, 2021, (in Persian).

[2] A. F. El-Sayed, Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engines. CRC press, 2017.

[3] A. C. Conrado, P. T. Lacava, A. C. Pereira Filho, and M. de Souza Sanches, "Basic design principles for gas turbine combustor," in 10th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, Brazil, 2004.

[4] A.Bayat, "Preliminary design and numerical simulation of ramjet combustion chamber," M.S. thesis, Department of Mechanical Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran, 2015, (in Persian).

[5] C. P. Mark and A. Selwyn, "Design and analysis of annular combustion chamber of a low bypass turbofan engine in a jet trainer aircraft," Propulsion and Power Research, vol. 5, no. 2, pp. 97-107, 2016, https://doi.org/10.1016/j.jppr.2016.04.001.

[6] Z. Vosoughi and S. Tabejamaat, "Design and simulation of a 30kw microturbine combustor fed by biofuel," in 9th Fuel & Combustion Conference, Iran, 2022, (in Persian).

[7] M. Bondaryuk and S. Lyashenko, "Translation of ramjet engines," Ohio: Technical Information Center, Wright-Patterson Air Force Base, 1960.

[8] M. T. Schobeiri, Gas Turbine Design, Components and System Design Integration: Second Revised and Enhanced Edition. Springer Nature, 2019.

[9] A. H. Lefebvre and D. R. Ballal, Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions. CRC press, 2010.

[10] M. N. Mohamed and R. Sivaprasad, "CFD simulation for the design of combustor in turbocharger test rig," in AIP Conference Proceedings, Tamil Nadu, India vol. 2161, no. 1: 2019, https://doi.org/10.1063/1.5127597.

[11] R. Marudhappan, C. Udayagiri, and K. H. Reddy, "Combustion chamber design and reaction modeling for aero turbo-shaft engine," Aircraft Engineering and Aerospace Technology, vol. 91, no. 1, pp. 94-111, 2019, https://doi.org/10.1108/AEAT-10-2017-0217.

[12] R. S. E. Mohammed, "Design and analysis of annular combustion chamber for a micro turbojet engine," International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering, vol. 13, no. 4, pp. 282-287, 2019, https://doi.org/10.5281/zenodo.2643908.

[13] J. D. Mattingly, W. H. Heiser, and D. T. Pratt, Aircraft Engine Design. American Institute of Aeronautics and Astronautics(AIAA), 2002.

[14] F. L. G. Dias, M. A. R. do Nascimento, and L. de Oliveira Rodrigues, "Reference area investigation in a gas turbine combustion chamber using CFD," Journal of Mechanical Engineering and Automation, vol. 4, no. 2, pp. 73-82, 2014, https://doi.org/10.5923/j.jmea.20140402.04.

[15] T. Inamura, M. Takahashi, and A. Kumakawa, "Combustion characteristics of a liquid-fueled ramjet combustor," Journal of Propulsion and Power, vol. 17, no. 4, pp. 860-868, 2001, https://doi.org/10.2514/2.5817.

[16] J. Jafarian, "Conceptual Design of Liquid-Fueled Ramjet Engine", B.S. thesis, Department of Mechanical. Engineering, Imam Hossein University, 2008, (in Persian).

[17] J. F. Lee, Theory and Design of Steam and Gas Turbines, McGraw-Hill, 1954.

[18] ANSYS Fluent Tutorial Guide, 18th Release, ANSYS Inc., 2017.