三旋流燃烧室配气与三维设计方法研究

发布时间：2020-07-25 19:57

【摘要】：随着环境污染问题的日益严峻,燃气轮机的污染物排放标准也日趋严格,高性能低污染已然是现今燃气轮机设计所追求的目标。燃烧室作为燃气轮机重要的核心部件,其结构设计的合理性直接影响了燃机整体性能。传统的经验、半经验设计方法灵活性差、耗时耗力,大大增加了燃烧室设计周期,因此化学反应器网络法和计算流体力学相结合的方法日益受到学者们的重视。通过CFD计算结果指导燃烧室一维设计,再根据一维设计最优结果进行三维数值模拟校核和结构优化,以此形成的一维和三维交互式设计方法可以大大节约设计成本,有非常广阔的应用前景。本文针对某环管型燃烧室,采用化学反应器网络法(CRN)对其简化模型进行一维配气设计,并采用多旋流中心分级技术,对燃烧室进行低排放设计,通过一维和三维相互指导的设计方法,探究了燃烧室头部结构参数、燃油分级特性等因素对NO_x排放的影响规律。本文的主要研究内容如下:(1)利用Chemkin-Pro化学分析软件,基于简化燃烧室的流场计算结果,将燃烧室划分为八个特征区域,搭建化学反应器网络模型图。分别控制三个进气边界的进口空气流量比,进行一维配气优化,最终得到的最佳配气比为:头部冷却孔8%,旋流器进口70%,壁面冷却孔22%。(2)采用微元法对燃烧室有效体积和特征长度进行优化设计,计算得到燃烧室有效体积为6061.72cm~3,有效长度为28.01cm,最终得到优化设计后的火焰筒总长为49.51cm。为后续燃烧室三维建模提供了依据。(3)利用Fluent软件对燃烧室进行低排放优化设计。将燃烧室火焰筒及机匣简化,着重分析多旋流头部结构对污染物排放的影响。在等效面积法的基础上结合CFD计算结果优化了壁面冷却孔数量及排列方式,探究了冷却孔数量及排列方式对三级旋流器进口空气流量的变化规律。(4)对经验公式设计得到的三级旋流器结构进行优化,探究了中间级轴向旋流器不同旋向方案下叶片角对燃烧性能的影响。结果表明同向安装下各参数随叶片角增大均得到优化,而反向方案并没有统一规律,相同角度下反旋方案要大大优于同旋方案,其NO_x排放值要相差100ppm左右。在此基础上研究了三级径向旋流器的叶片角和叶片数对燃烧室性能的影响规律(5)采用燃油中心分级的低排放方式,探究了环状多点喷油对燃烧室性能的影响。对三级旋流器进行结构优化,得到更符合低排放设计要求的头部结构。对主燃级和值班级燃油比例的研究表明,主燃级燃油量增加会使燃烧室性能逐渐提升,并使出口污染物排放逐渐降低。(6)在值班级燃油比例为10%的边界条件下,探究了燃油喷射位置及喷射角度对燃烧室性能及NO_x排放的影响,结果表明在主旋流器喉部喷油更有利于燃油的雾化和完全燃烧;三种角度方案中,喷射角度为沿x轴正向45~?时,燃料喷射的随流性最好,燃烧效率最高且出口NO_x最低,排放值为26.68ppm。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK472
【图文】：

多喷嘴,低排放,燃烧室

图 1.1 多喷嘴低排放燃烧室[52] Mohamad Shaiful Ashrul Ishak 等人的方法研究了径向旋流器叶片角对时，相比于30°情况NO排放量降低明增加径向旋流器叶片角会一定程研究进展计方法为数值模拟与试验相结合，相序、参数化建模等手段被越来越多预处理的时间，除此以外多维交互式流场又可以简短设计周期，是一种[18]对 100kW 级微型燃气轮机环型燃总压恢复系数、燃烧完全度和原准机

燃烧室,总体结构

图 1.2 燃烧室总体结构图大学的石梦华等人[21]针对传统建模方式和网格生成空发动机环形燃烧室开发了一套参数化的三维建模低，有效提高 CFD 前处理的效率。此外还利用 U数据转换程序，实现了该参数化设计软件和其他建模对于高效解决工程实际问题具有实际意义。冬霞通[22][23]过自编程将燃烧室的建模、模拟后处理闭，初步实现了参数化的设计方法。应用该参数化实现了一个符合设计要求的筒型燃烧室。通过该算设计参数到实现结构设计的自动化运行，并具有一峰[24]对某重型燃气轮机燃烧室过渡段开发了一套三数化定义 8 个几何参数和 3 个造型函数确定过渡段可以实现不同形状的过渡段快速建模。通过与现有

燃烧室,轴向,径向,分级燃烧

0]通过研究燃烧室空气流量分配与流动面积之间的关系，的计算模型。该计算模型双向可用，对于给定的流动面分配，还可以计算出该部分的压降。现已得到一些应用设计。1]也开发了一种基于时间特征模型的燃烧室的设计方法。空气的进气方案设计。与试验结果的对比证明：该方法配有比较准确的计算结果，也能较精确的模拟压力损失使用一套经验化模型进行燃烧室的设计计算，经过试验endra Khandelwal 等人[33]针对分级燃烧室，在经验法的基体和部件进行了结构设计。在对扩压器、旋流器、冷却 NASA 某双环径向分级燃烧室的实验数据吻合良好，证该方法设计出的两种分级燃烧室（轴向分级和径向分级50-60ppm 的范围内，其中轴向分级方式的 NOX更低。

【参考文献】