Development of an Emissions Prediction Model for Aviation Gas Turbines Based on Chemical Reactor Networks

Abstract

[ES] El presente Trabajo de Fin de Máster desarrolla un modelo de red de reactores químicos 0D/1D que emula la combustión en una cámara de combustión de motor turbina de gas de aviación con la finalidad de predecir la termodinámica y los índices de emisiones de Óxido Nítrico (EINOx), Monóxido de carbono (EICO) e Hidrocarburos sin quemar (EIHC). En primer lugar, se estudian y modelan con el software Cantera redes ya existentes en la literatura. La comparación de los resultados obtenidos indica que dichas redes proporcionan resultados que distan de la realidad en algunos puntos de operación típicos de las aeronaves. Posterior a esto, y asumiendo nuevas hipótesis, se desarrolla un modelo de redes de reactores químicos propio y se calibra con los datos geométricos y de emisiones del motor CFM56-7B27/B1F, estos últimos extraídos de la base de datos de la Organización de Aviación Civil Internacional. Finalmente se calibra el modelo con los citados datos para configurar adecuadamente la repartición de gastos y volumen de zonas de la cámara de combustión obteniendo buenas predicciones de temperatura, EINOx y EICO para todo el rango de potencia del motor y siendo subestimados los EIHC para bajas potencias.

[EN] The present Master Thesis develops a 0D/1D chemical reactor network model that emulates combustion in a combustion chamber of an aviation gas turbine engine to predict thermodynamics and emission indexes of: Nitric Oxide (EINOx), Carbon Monoxide (EICO) and Unburnt Hydrocarbons (EIHC). First, existing chemical reactor network models in the literature are studied and modelled with Cantera software. Results obtained are compared, showing that such networks provide results that are far from reality in some points of typical aircraft operations. After that, and assuming new hypotheses, an own chemical reactor network model is developed and calibrated with the geometric and emission data of the CFM56-7B27/B1F engine, which have been obtained from the International Civil Aviation Organisation database. Finally, the model is calibrated with the aforementioned data to properly setup the mass flow distribution and volumes of combustion chamber zones, obtaining good predictions for temperature, EINOx and EICO for the entire power range of the engine and underestimating EIHC in the low power range.