航改燃气轮机燃烧室头部结构参数及燃烧特性研究
发布时间：2022-01-05 10:58
航空发动机改型燃气轮机具有研制基础好、研发风险小、设计周期短、开发成本低、技术升级快等优势,可用于发电、分布式能源、天然气输气管线、机械驱动、坦克装甲车动力以及舰船推进等军民用非航空领域,经过半个多世纪的发展,其产品谱系越来越完善,应用范围越来越宽广。英、美、俄罗斯等西方发达国家凭借其雄厚的航空发动机基础在航改燃气轮机领域技术领先,并且其代表机型市场占有率高。我国的航改燃气轮机型号少,燃烧技术发展起步晚,借鉴国外成熟航改机型的技术,在此基础上进行消化、吸收和再改进,成为相对快速、经济地发展新型发动机的有效途径。然而,目前国内和国外在用的相当数量的航改燃气轮机的母型机都是上世纪六七十年代的产品,燃烧室燃烧技术滞后,存在改进和提升的空间。本文针对以上问题,对航改燃气轮机中应用较多的旋流杯环形燃烧室头部结构参数进行研究,为旋流杯燃烧室头部优化及性能改善提供参考。本文首先采用理论分析与实验研究相结合的方法对某型航改燃机燃烧室中燃气喷嘴和旋流杯文氏管的组合结构进行了优化,并进行了单头部燃烧室性能验证实验;随后揭示了壁面及周期旋流边界条件下流场的异同,由此引出旋流喷嘴间的相互作用以及喷嘴间距设计的...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
航改燃气轮机的应用Figure1.1Applicationofaero-derivativegasturbine
第1章绪论5以及大庆油田的某备用电源机组。另外，这些项目中的航改燃气轮机还可用于电力调峰，在用电高峰时段利用储备的焦炉煤气发电，减少网上电量的使用，甚至向电网送电，实现能源利用平衡[11]。图1.2联合循环系统示意图Figure1.2Sketchofcombinedcirculationsystem1.2.2.2输气管线和机械驱动长期以来，航改燃气轮机作为机械驱动的动力装置一直主要用于石油工业的石油、天然气的开发和输送。航改燃机更以其可靠性高、安装方便、维修性好及功率范围适宜在油田的注水注气采油和油、气的长距离管线输送加压等方面占主导地位[8]。“十一五”期间，中国石油输气管道输送产业大力发展，相继建成投产了一系列西气东输天然气管道，燃驱机组作为天然气输送增压设备的动力源，其需求也逐年增加，截止到2015年我国（包括中亚管道）安装投产的用于驱动压缩机的燃气轮机组已经达到近200套，主要包括美国GE公司研制的LM2500+SAC、英国罗·罗公司研制的RB211-24G、Solar以及国产化燃驱机组（乌克兰GT25000），其中GE公司研制的LM2500+SAC型号航改燃气轮机应用超过一半[12,13]。1.2.2.3大中型舰船动力舰船燃气轮机具有尺寸孝重量轻、机动性好、系统简单、维护方便和工作可靠等诸多优点，已经成为现代大中型和高性能舰船的主要动力装置。世界上大多数舰船燃气轮机主要是走航改道路，它是一种最快捷、最经济的技术途径，在燃气轮机作动力的舰船中有95%以上使用航改燃机。国外航改型舰用燃气轮机技术较为雄厚的国家主要有美国、英国和俄罗斯
第1章绪论9图1.3LM2500燃气轮机Figure1.3LM2500gasturbine图1.4GT25000燃气轮机Figure1.4GT25000gasturbine航改型燃气轮机根据其使用领域不同，需要燃烧不同种类的燃料，并具备一定的燃料灵活性。改型过程中，一般需要对燃料喷嘴进行改造或重新设计，完成燃料适应性转换，而燃烧室整体结构不需要改变。对于以轻质柴油为燃料的在役航改型舰船燃气轮机，其燃烧室沿用了母型机的传统燃烧室或早期为降低冒烟设计的燃烧室，改型工作主要解决柴油在喷嘴处结焦、油雾在火焰筒壁上燃烧造成烧蚀以及冒烟过高等问题，但是NOx排放过高的问题依然存在[17-20]。燃烧室所采用的燃烧技术与燃烧室结构为环管型或环型结构存在一定的关联。例如，对于ГТД25000和GT25000的环管型燃烧室，其采用了早期涡喷发动机的燃烧技术，燃烧室头部使用单级旋流器和雾化较差的燃油喷嘴，火焰筒上开设有主燃孔和掺混孔。在燃烧过程中，燃油雾化不完全、颗粒较大，冒烟指数高、热辐射强、NOx排放水平高且燃烧效率低，燃烧技术较为落后。而对于在具有代表性的LM2500序列机型中应用的环型燃烧室，则采用了改进的燃烧技术，燃烧室头部使用压力雾化或气动雾化燃油喷嘴以及带文丘里管和套筒结构的“双级旋流杯”（SwirlCup）[21]，燃油喷嘴的雾化性能良好，同时借助文丘里管预膜和双旋流产生的强剪切作用，强化了燃油在燃烧室头部的雾化、
【参考文献】：
期刊论文
[1]涡轮导叶对环形燃烧室点火的影响[J]. 叶沉然,王高峰,方元祺,马承飚. 燃烧科学与技术. 2020(01)
[2]环形燃烧室点火过程的实验与数值研究[J]. 夏一帆,赵冬梅,葛海文,林其钊,郑耀,王高峰. 浙江大学学报(工学版). 2020(02)
[3]发动机环形燃烧室点火过程可视化实验研究[J]. 王慧,钟亮,王高峰. 航空工程进展. 2019(06)
[4]壁面约束对旋流流场影响的实验研究[J]. 王博涵,姜磊,胡宏斌. 燃气轮机技术. 2019(04)
[5]喷嘴间距对贫油熄火特性和流场结构的影响[J]. 姜磊,王博涵,肖波,胡宏斌. 航空动力学报. 2019(10)
[6]旋流杯结构及进气参数对燃烧性能的影响[J]. 姜磊,熊健,肖波,王博涵,胡宏斌. 推进技术. 2020(03)
[7]我国航改型燃气轮机发展现状及建议[J]. 刘培军,李辉全,张凤梅,谷思宇,李顺勇. 燃气轮机技术. 2019(02)
[8]环形燃烧室周向点火机理基础研究进展[J]. 王高峰,夏一帆,叶沉然,胡科琪,令狐昌鸿. 实验流体力学. 2019(01)
[9]旋流器出口结构对旋流火焰的影响研究[J]. 俞森彬,刘潇,郑洪涛. 推进技术. 2019(06)
[10]斜喷环流环形燃烧室点火实验研究[J]. 叶沉然,王高峰,马承飚,方元祺,钟亮,令狐昌鸿,夏一帆. 工程热物理学报. 2018(11)
博士论文
[1]环形旋流燃烧室点火过程的数值研究[D]. 赵冬梅.中国科学技术大学 2019
[2]面向航空发动机燃烧室点火问题的数值计算方法研究[D]. 夏一帆.浙江大学 2019
[3]火焰面波动激发漩涡脱落的热声振荡机理研究[D]. 王昆.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2016
[4]贫直喷燃烧室理论与实验研究[D]. 曾青华.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
[5]多级旋流空气雾化喷嘴雾化特性及光学测试方法研究[D]. 刘存喜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[6]微小型燃气轮机径向旋流预混燃烧特性研究[D]. 邢双喜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[7]双旋流合成气非预混燃烧特性的实验研究与数值模拟[D]. 郭培卿.上海交通大学 2011
[8]双旋流环形燃烧室试验研究与数值模拟[D]. 党新宪.南京航空航天大学 2009
[9]燃气轮机合成气燃烧室燃烧稳定性的实验研究[D]. 房爱兵.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2007
硕士论文
[1]某航改燃气轮机前支承结构设计[D]. 潘春霖.大连理工大学 2018
[2]低NOx双旋流燃气燃烧器流动及燃烧特性的实验研究[D]. 姜磊.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2017
本文编号：3570229
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
航改燃气轮机的应用Figure1.1Applicationofaero-derivativegasturbine
第1章绪论5以及大庆油田的某备用电源机组。另外，这些项目中的航改燃气轮机还可用于电力调峰，在用电高峰时段利用储备的焦炉煤气发电，减少网上电量的使用，甚至向电网送电，实现能源利用平衡[11]。图1.2联合循环系统示意图Figure1.2Sketchofcombinedcirculationsystem1.2.2.2输气管线和机械驱动长期以来，航改燃气轮机作为机械驱动的动力装置一直主要用于石油工业的石油、天然气的开发和输送。航改燃机更以其可靠性高、安装方便、维修性好及功率范围适宜在油田的注水注气采油和油、气的长距离管线输送加压等方面占主导地位[8]。“十一五”期间，中国石油输气管道输送产业大力发展，相继建成投产了一系列西气东输天然气管道，燃驱机组作为天然气输送增压设备的动力源，其需求也逐年增加，截止到2015年我国（包括中亚管道）安装投产的用于驱动压缩机的燃气轮机组已经达到近200套，主要包括美国GE公司研制的LM2500+SAC、英国罗·罗公司研制的RB211-24G、Solar以及国产化燃驱机组（乌克兰GT25000），其中GE公司研制的LM2500+SAC型号航改燃气轮机应用超过一半[12,13]。1.2.2.3大中型舰船动力舰船燃气轮机具有尺寸孝重量轻、机动性好、系统简单、维护方便和工作可靠等诸多优点，已经成为现代大中型和高性能舰船的主要动力装置。世界上大多数舰船燃气轮机主要是走航改道路，它是一种最快捷、最经济的技术途径，在燃气轮机作动力的舰船中有95%以上使用航改燃机。国外航改型舰用燃气轮机技术较为雄厚的国家主要有美国、英国和俄罗斯
第1章绪论9图1.3LM2500燃气轮机Figure1.3LM2500gasturbine图1.4GT25000燃气轮机Figure1.4GT25000gasturbine航改型燃气轮机根据其使用领域不同，需要燃烧不同种类的燃料，并具备一定的燃料灵活性。改型过程中，一般需要对燃料喷嘴进行改造或重新设计，完成燃料适应性转换，而燃烧室整体结构不需要改变。对于以轻质柴油为燃料的在役航改型舰船燃气轮机，其燃烧室沿用了母型机的传统燃烧室或早期为降低冒烟设计的燃烧室，改型工作主要解决柴油在喷嘴处结焦、油雾在火焰筒壁上燃烧造成烧蚀以及冒烟过高等问题，但是NOx排放过高的问题依然存在[17-20]。燃烧室所采用的燃烧技术与燃烧室结构为环管型或环型结构存在一定的关联。例如，对于ГТД25000和GT25000的环管型燃烧室，其采用了早期涡喷发动机的燃烧技术，燃烧室头部使用单级旋流器和雾化较差的燃油喷嘴，火焰筒上开设有主燃孔和掺混孔。在燃烧过程中，燃油雾化不完全、颗粒较大，冒烟指数高、热辐射强、NOx排放水平高且燃烧效率低，燃烧技术较为落后。而对于在具有代表性的LM2500序列机型中应用的环型燃烧室，则采用了改进的燃烧技术，燃烧室头部使用压力雾化或气动雾化燃油喷嘴以及带文丘里管和套筒结构的“双级旋流杯”（SwirlCup）[21]，燃油喷嘴的雾化性能良好，同时借助文丘里管预膜和双旋流产生的强剪切作用，强化了燃油在燃烧室头部的雾化、
【参考文献】：
期刊论文
[1]涡轮导叶对环形燃烧室点火的影响[J]. 叶沉然,王高峰,方元祺,马承飚. 燃烧科学与技术. 2020(01)
[2]环形燃烧室点火过程的实验与数值研究[J]. 夏一帆,赵冬梅,葛海文,林其钊,郑耀,王高峰. 浙江大学学报(工学版). 2020(02)
[3]发动机环形燃烧室点火过程可视化实验研究[J]. 王慧,钟亮,王高峰. 航空工程进展. 2019(06)
[4]壁面约束对旋流流场影响的实验研究[J]. 王博涵,姜磊,胡宏斌. 燃气轮机技术. 2019(04)
[5]喷嘴间距对贫油熄火特性和流场结构的影响[J]. 姜磊,王博涵,肖波,胡宏斌. 航空动力学报. 2019(10)
[6]旋流杯结构及进气参数对燃烧性能的影响[J]. 姜磊,熊健,肖波,王博涵,胡宏斌. 推进技术. 2020(03)
[7]我国航改型燃气轮机发展现状及建议[J]. 刘培军,李辉全,张凤梅,谷思宇,李顺勇. 燃气轮机技术. 2019(02)
[8]环形燃烧室周向点火机理基础研究进展[J]. 王高峰,夏一帆,叶沉然,胡科琪,令狐昌鸿. 实验流体力学. 2019(01)
[9]旋流器出口结构对旋流火焰的影响研究[J]. 俞森彬,刘潇,郑洪涛. 推进技术. 2019(06)
[10]斜喷环流环形燃烧室点火实验研究[J]. 叶沉然,王高峰,马承飚,方元祺,钟亮,令狐昌鸿,夏一帆. 工程热物理学报. 2018(11)
博士论文
[1]环形旋流燃烧室点火过程的数值研究[D]. 赵冬梅.中国科学技术大学 2019
[2]面向航空发动机燃烧室点火问题的数值计算方法研究[D]. 夏一帆.浙江大学 2019
[3]火焰面波动激发漩涡脱落的热声振荡机理研究[D]. 王昆.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2016
[4]贫直喷燃烧室理论与实验研究[D]. 曾青华.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
[5]多级旋流空气雾化喷嘴雾化特性及光学测试方法研究[D]. 刘存喜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[6]微小型燃气轮机径向旋流预混燃烧特性研究[D]. 邢双喜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[7]双旋流合成气非预混燃烧特性的实验研究与数值模拟[D]. 郭培卿.上海交通大学 2011
[8]双旋流环形燃烧室试验研究与数值模拟[D]. 党新宪.南京航空航天大学 2009
[9]燃气轮机合成气燃烧室燃烧稳定性的实验研究[D]. 房爱兵.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2007
硕士论文
[1]某航改燃气轮机前支承结构设计[D]. 潘春霖.大连理工大学 2018
[2]低NOx双旋流燃气燃烧器流动及燃烧特性的实验研究[D]. 姜磊.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2017
本文编号：3570229
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