航改燃气轮机燃烧室与烟气出口温度品质改善的数值研究

发布时间：2017-11-02 17:05

  本文关键词：航改燃气轮机燃烧室与烟气出口温度品质改善的数值研究

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【摘要】：燃气轮机具有系统效率高、投资成本低、最小的现场施工场地和污染物排放低等优势,其在多产业领域的发电备受关注。在工业化国家,燃气轮机多年来已经广泛的应用于发电,船舶和机械驱动领域。为了保护环境,国内近年来对陆基燃气轮机发电量需求的增长非常快。在众多的燃气轮机的应用中,航改机以其研发周期短,风险和成本低,性能和稳定性高而得到越来越多的关注。为深入理解燃气轮机燃烧室的燃烧特性、优化燃气轮机的设计,仍然需要大量的基础研究,数值研究可以为完成上述目标发挥重要的作用。本文三维数值研究航改机燃烧室燃烧特性,同时给出了改善出口温度品质的建议。本燃烧室为某发电厂11500kw燃气轮机,利用PRO-E软件重建燃烧室结构,采用Gambit软件生成网格。在化学反应剧烈的主燃区,以及物性变化较大的空气入口出采用了较细的网格,网格总数为123万,并进行了网格无关化的检验。建立的数学模型包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程,以及描述湍流和燃烧模型。稳态的Navier-Stokes方程组,在适当的边界条件,基于有限容积法和SIMPLE算法求解。计算基于三维k-ε湍流模型,化学反应采用PDF计算。模型中考虑了气体辐射传热,辐射方程用DO模型求解,压力和速度的耦合选用SIMPLE算法。首先,数值计算了设计工况下的燃烧器内的流动、传热和燃烧,并就行了讨论。计算结果显示,火焰稳定在主燃烧区,这是因为在回流区燃料和空气快速混合和反应。本文的模型成功的预测到了该现象。这种类型的回流区有助于改善燃气和空气的混合,并且成功的应用于工业级的燃气轮机中。主燃烧区最高温度为2376K,在主燃烧区的下游,由于冷空气的掺混,气体温度下降。随后,在掺混孔的下游观测到气体温度的小幅度上升,这是由于未燃尽的燃气在主燃孔二次风喷入后,烟气将二次风温度提升所致。其次,为提高烟气出口品质,优化供气方式,重点研究旋流器安装角度,头锥外环孔安装角度、主燃孔和掺混孔的进气比例对燃烧器燃烧特性和烟气出口温度的影响。结果表明,适当降低旋流器和头锥外环孔安装角度,提高混合主燃孔的空气投入比例可以改善烟气出口品质;高温区域轻微的向上游移动。最后,本文给出了空气进气方式的改进方案,并给出和分析了改进方案的计算结果。结果表明,根据改进的方案,烟气温度出口品质得到改善,烟气出口的平均温度和热点温度降低;平均温度,最高温度,周向温度分布系数和径向温度分布系数,分别由1278K,1409K,0.2025,0.1167,降低到1239K,1358K,0.1968和0.1039。数值模拟的设计工况下的计算结果,以及本文提出的为改善烟气出口温度质量的空气供给方式的改进建议,为燃气轮机的设计和性能改进提供指导。
【关键词】：航改燃气轮机 环形燃烧室 数值模拟 空气供给方式
【学位授予单位】：沈阳工程学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK473
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 主要符号表16-17
• 1 绪论17-26
• 1.1 问题的提出与研究意义17-18
• 1.2 国内外研究现状及发展分析18-23
• 1.3 本文主要研究内容与方法23-25
• 1.4 本章小节25-26
• 2 燃烧室模拟的数学方法26-36
• 2.1 燃烧室流场基本控制方程26-27
• 2.2 湍流模型27-30
• 2.2.1 湍流基本理论27-28
• 2.2.2 两方程模型28-30
• 2.3 湍流燃烧模型30-32
• 2.3.1 简单化学反应系统30-31
• 2.3.2 快速反应假设31
• 2.3.3 混合分数与质量守恒31-32
• 2.4 辐射模型32-33
• 2.5 燃烧室燃烧过程数值计算方法33-35
• 2.5.1 控制方程的离散34
• 2.5.2 SIMPLEC算法简介34-35
• 2.6 本章小节35-36
• 3 燃烧室结构及燃烧室计算方法36-46
• 3.1 燃烧室基本结构36-38
• 3.2 环形燃烧室的建模38-41
• 3.2.1 燃机燃烧室几何建模38-39
• 3.2.2 燃机燃烧室网格划分39-40
• 3.2.3 边界条件40-41
• 3.3 非预混燃烧的预处理41-44
• 3.4 燃烧室流场的相关评定参数44-45
• 3.4.1 出口温度均匀性44-45
• 3.4.2 壁面温度分布45
• 3.4.3 火焰长度45
• 3.5 本章小节45-46
• 4 数值模拟结果与燃烧状态分析46-59
• 4.1 燃烧室主燃区模拟结果分析46-52
• 4.1.1 燃烧室主燃区温度、速度分布46-49
• 4.1.2 燃烧室中燃料的分布49-52
• 4.2 燃烧室掺混区模拟结果分析52-56
• 4.2.1 掺混区模拟结果52-53
• 4.2.2 掺混区对出口温度品质的影响53-56
• 4.3 冷却系统模拟结果分析56
• 4.4 燃烧室内部流动分析56-57
• 4.5 本章小节57-59
• 5 燃机燃烧室出口温度品质的优化研究59-75
• 5.1 旋流器安装角度值的优化研究59-62
• 5.2 头锥外环孔角度的优化研究62-66
• 5.3 掺混孔进气比例优化研究66-69
• 5.4 主燃孔进气比例优化研究69-71
• 5.5 优化研究结果验证71-74
• 5.6 本章小节74-75
• 6 结论与展望75-77
• 6.1 结论75
• 6.2 展望75-77
• 参考文献77-80
• 攻读硕士学位期间科研项目及科研成果80-81
• 致谢81-82
• 作者简介82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1132363