燃气轮机低排放燃烧室冲击冷却研究

摘要

在燃烧室设计中，一方面为了提高燃气轮机效率，燃烧室温升不断提高，不断增加的火焰温度促使燃烧室冷却结构的进一步改进。另一方面，环境问题得到了公众越来越多的关注，2012年国家出台的《火电厂大气排放标准》，要求燃气轮机出口 NOx排放低于25ppm，这更加促进了低排放燃烧室的研究。贫燃预混是降低排放的重要手段之一，但是，贫燃条件下，燃烧室需要更多的空气参与燃烧，在传统的燃烧室冷却结构下冷却空气量不得不减少，为燃烧室的结构设计带来了更大挑战。因此，有必要针对低排放燃烧室的冷却结构开展深入的分析和设计工作。本文主要完成了如下几方面的工作：
　　首先，调查了国内外几类主要的燃烧室冷却结构，考虑到低排放和壁面冷却性能的要求，着重对冲击冷却结构进行研究，对采用气膜冷却结构的原型环管型燃烧室进行了数值模拟，分析了该型燃烧室的气动性能、壁面及内部温度场以及低排放性能。
　　其次，通过平板冲击冷却模拟研究了结构参数对冲击冷却效果的影响，结果表明：在小孔无倾角、板间距2至3.5倍孔径、纵向间距8倍孔径、横向间距6.5至10倍孔径、采用顺排布置并且孔径尽量缩小的条件下，平板冲击冷却能获得最好的冷却效果。
　　最后，在原型燃烧室的基础上设计了三种燃烧室冲击冷却结构，对采用这三种冲击冷却结构的某型燃气轮机燃烧室进行了数值模拟，并与采用气膜冷却结构的原型燃烧室进行了性能对比。结果表明：在燃烧空气量不变时，采用冲击冷却结构时，虽然燃烧室的总压损失和出口不均匀度较气膜冷却燃烧室略微上升，但是壁面的最高温度明显下降并且出口CO排放大幅度降低。
　　本文通过对低排放燃烧室冲击冷却的研究，掌握了贫燃预混燃烧室的基本特性和规律，对后续低排放燃烧室的优化设计具有重要的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2冷却结构研究现状

1.3方案选取及研究内容

第二章 数值计算方法

2.1基本控制方程

2.2湍流模型

2.3辐射模型

2.4燃烧模型

2.5污染物生成模型

2.6本章小结

第三章 气膜冷却燃烧室性能计算

3.1燃烧室性能要求

3.2燃烧空气量分配

3.3几何模型

3.4湍流模型

3.5网格划分及边界设置

3.6计算方法

3.7计算结果

3.8本章小结

第四章 平板冲击冷却研究

4.1湍流模型及网格验证

4.2研究内容及结果分析

4.3实际应用中冲击冷却结构参数的优化

4.4本章小结

第五章 冲击冷却燃烧室性能计算

5.1燃烧室冲击冷却结构说明

5.2模拟结果及分析

5.3本章小结

结论

致谢

参考文献

附录（一） 攻读硕士期间发表论文