三旋流燃烧室配气与三维设计方法研究

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NOx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6061.72cm3，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NOx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NOx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NOx最低，排放值为26.68ppm。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究目的和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1数值模拟研究进展

1．2．2燃烧室设计方法研究进展

1．2．3化学反应网络方法的研究进展

1．2．4多旋流燃烧室研究进展

1．3本文研究内容

第2章数学模型的建立

2．2湍流流动模型

2．3湍流燃烧模型

2．4离散相模型

2．5污染物生成模型

2．6燃烧室性能指标

2．7本章小结

第3章燃烧室流场分析及一维配气优化设计

3．1引言

3．2 Chemkin化学反应器模型

3．2．1 Chemkin-Pro软件及模型介绍

3．2．2完全扰动反应器(PSR)

3．2．3柱塞流反应器(PFR)

3．3燃烧室流场分析与网络图建立

3．3．1简化燃烧室模型及网格无关性验证

3．3．2燃烧室流场分析

3．3．3特征区域划分及CRN建立

3．4燃烧室最佳配气比的确定

3．5特征区域有效长度的确定

3．6本章小结

第4章满足一维配气的三旋流燃烧室结构优化

4．1引言

4．2几何模型与网格划分

4．3壁面冷却孔数量及排列方式对燃烧场的影响

4．3．1冷却孔数量的确定

4．3．2冷却孔排列方式的确定

4．4二级轴向旋流器特性对燃烧场的影响

4．4．1同向旋流器叶片燃烧场性能分析

4．4．2反向旋流器叶片燃烧场性能分析

4．4．3最佳设计方案特性分析

4．5三级径向旋流器特性对燃烧场的影响

4．5．1旋流器叶片角的确定

4．5．2旋流器叶片数的确定

4．6本章小结

第5章三旋流燃烧室多点喷油特性分析

5．1引言

5．2燃油分级特性研究

5．2．1燃油分级燃烧室性能分析

5．2．2燃油分级燃烧室头部结构优化

5．3环状多点喷油特性研究

5．3．1燃油分级比例对燃烧性能的影响

5．3．2喷油位置对燃烧性能的影响

5．3．3喷油角度对燃烧性能的影响

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢