GPU-beschleunigte Large Eddy Simulationen von Verbrennungsinstabilitäten in industriellen Gasturbinen unter EGR-Bedingungen

Zusammenfassung Die Abgasrückführung (EGR) ist eine vielversprechende Technologie zur Erhöhung der CO2-Konzentrationen in Gasturbinenausläufen, wodurch die Effizienz nachgelagerter CO2-Abscheidungsprozesse gesteigert wird. Bei EGR wird ein Teil des Abgasstroms des Motors zurück zum Brennkammer-Einlass geleitet, mit Frischluft gemischt und wieder in das Verbrennungssystem eingeführt. Hohe Rückführungsraten sind entscheidend, um das gesamte Potenzial zur CO2-Abscheidung zu maximieren; jedoch kann zu viel Rückführung Verbrennungsinstabilitäten hervorrufen und andere operationale Herausforderungen mit sich bringen. In dieser Studie werden Large Eddy Simulationen (LES) verwendet, um die Auswirkungen von EGR auf Verbrennungsinstabilitäten und Emissionen im Brenner Taurus 60 SoLoNOx der Solar Turbines zu untersuchen. Zunächst werden gitterkonvergierte Simulationen für eine Brennergeometrie mit Doppel-Injektoren unter Verwendung des Cadence Fidelity LES-Solvers und eines Flamletts-Fortschrittsvariablen (FPV) turbulenten Verbrennungsmodells durchgeführt. Das LES-Modell wird für eine atmosphärische Teststandbedingung validiert und zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit dem experimentellen Temperaturprofil am Brennerausgang. Das validierte LES-Modell wird dann auf Hochdruck-Vollastbedingungen für ein breites Spektrum an EGR-Niveaus angewendet, um die Auswirkungen von EGR auf Verbrennungsinstabilität und NOx-Emissionen zu quantifizieren. Die Sensitivitäten der Instabilitäts- und NOx-Vorhersagen auf die Wahl des chemischen Reaktionsmechanismus sowie die Einbeziehung der Leitlamelle am Kompressorausgang und der Düsen der ersten Turbinestufe werden im Detail untersucht. Insgesamt beginnen mit zunehmendem EGR-Niveau die Instabilitäten exponentiell zu wachsen, sobald das EGR-Niveau 80 % des maximal getesteten Wertes erreicht, was zwischen LES und den Experimenten konsistent ist. Die Wahl des Reaktionsmechanismus hat kaum Einfluss auf die Vorhersagen der Verbrennungsinstabilität, während USC-Mech II eine genauere NOx-Vorhersage im Vergleich zum UCSD-Mechanismus zeigt. Im Gegensatz dazu zeigt die Einbeziehung geometrischer Details vor und nach dem Berechnungsbereich eine signifikante Verbesserung des vorhergesagten Instabilitätswachstums mit zunehmendem EGR. Schließlich wird eine LES des T60-Brenners unter Verwendung der vollständigen 360°-Geometrie für die höchste EGR-Bedingung durchgeführt. Im Vergleich zur Simulation mit Doppel-Injektoren werden mehr Druckschwankungsmoden vorhergesagt, während der Einfluss auf die NOx-Vorhersage minimal ist. Darüber hinaus zeigt der GPU-residente Solver eine hervorragende Skalierbarkeit und Effizienz für die großflächigen ringförmigen Simulationen (83 Millionen Netze) und bietet eine um zwei Größenordnungen schnellere Ausführung im Vergleich zu konventionellen CPU-basierten Simulationen.