环形燃烧室低排放设计研究

摘要

当今世界对发动机的排放标准越来越苛刻，低排放成为燃烧室先进性的重要性能指标之一，设计先进低排放燃烧室也变得十分有必要的。对燃气轮机燃烧室排放物 NOx来说，最主要的影响因素包括反应区温度和过量空气系数，对低排放燃烧室进行设计时，常用的降低NOx手段也是控制这两方面参数。但是，传统的燃烧室结构设计主要借助于经验、半经验公式，具有研制周期长、费用高、可移植性差等缺点。若能够利用化学反应器网络法对低排放燃烧室的流场组织进行初步设计，优化燃烧室配气方案，就可以通过控制燃烧场内各反应区域的过量空气系数实现控制反应温度、降低NOx生成的目的。并且对流场的一维设计可以在零维和三维之间提供一个中间环节，对零维参数和三维结构设计进行修正和指导，实现零维、一维和三维设计之间的互相指导和修正，最终通过三维燃烧流场数值模拟结果的对比分析确定燃烧室详细结构设计，并对其进行性能分析和优化。这种低排放设计方法可以代替传统设计方法中进行反复试验的过程，不仅节约设计成本，还可以缩短设计周期。
　　若想使这种零维、一维和三维互相指导和修正的低排放燃烧室设计方法能够高效准确地完成低排放燃烧室设计，还需解决很多问题。如：一维设计中怎样控制反应区过量空气系数来实现降低NOx的目的；一维设计得到的配气、反应区体积等结果，能否在三维设计中实现；调整三维结构以满足一维设计结果时，主要影响的零维参数有哪些；如何能简化这一调整优化过程，使三维设计能够快速满足低排放的要求等等。
　　在对燃烧室三维结构的反复调试修改设计过程中，如果采用参数化建模方法建立燃烧室几何模型和网格划分，则可以简化三维结构设计优化过程中的数值计算预处理工作，更有利于节省设计优化研究工作的时间。但是燃烧室这样复杂结构的参数化建模还处于探索阶段，要实现低排放燃烧室的参数化建模需要克服种种困难。针对这些问题，本文进行了以下几方面的研究工作：
　　1.建立了一个燃气轮机燃烧室参数化建模系统，包含旋流器和火焰筒两种燃烧室部件，拥有清晰完善的菜单和窗口设计，可以完成旋流器和环形燃烧室火焰筒部件的参数化几何建模，燃烧室模型修改和更新只需要几分钟，相比传统燃烧室建模方法节约了99％的时间。
　　2.提出了多维交互式低排放燃烧室设计方法，根据给定的燃烧室燃料和空气等数据，使用该方法通过改变反应区过量空气系数控制NOx生成量，设计了一个低 NOx排放燃烧室结构方案。具体包括：
　　（1）借鉴传统的经验公式，对燃烧室进行了初步的零维设计。进行了燃烧室热力参数计算、燃烧室整体尺寸的气动计算以及各部分进气量的经验估计，得到常规燃烧室的初始零维参数设计。
　　（2）采用CRN方法对低排放燃烧室进行一维设计分析。对流场进行网络分区。通过分析反应区不同过量空气系数对NOx生成量的影响，确定燃烧室排放量最低时的最佳空气配比，运用微元法确定燃烧室的有效燃烧体积，计算一维特征长度。
　　（3）利用参数化建模系统，以一维设计的配气方案和特征长度为指导，对零维设计的参数进行修正，建立不同结构的燃烧室几何模型。对比不同结构的燃烧室三维燃烧流场性能，最终确定一种低排放燃烧室结构。证实这种多维交互式低排放燃烧室设计方法相较传统的反复试验调试的设计方法是可行且更节省时间的。
　　3.通过分析影响回流区的部分参数，得出了旋流器旋流数和回流区体积之间的关系，并拟合成一个多项式表达。确定了回流区体积和环流区体积之间的比例关系。
　　4.定义了一个面积-流量系数af，在结构设计中使用并验证了该系数的准确度。该面积-流量系数可以从一维设计结果中快速计算出三维几何模型的进气孔尺寸参数，大大节省了三维设计中反复调试进气量的工作，提高了三维设计的准确度。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

图目录

表目录

符号集

目录

第1章 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的主要内容

第2章 燃烧室零维设计

2.1引言

2.2气动热力计算

2.3燃烧室总体尺寸确定

2.4旋流器计算

2.5本章小结

第3章 低排放燃烧室一维配气方案设计

3.1引言

3.2反应器网络图设计

3.3燃烧反应区过量空气系数对出口NOx的影响

3.4火焰筒各进气孔流量配比

3.5有效体积和特征长度

3.6本章小结

第4章 燃烧室参数化建模系统

4.1引言

4.2参数化建模思想

4.3参数化系统设计

4.4图形模板数据库

4.5网格生成

4.6结果对比

4.7本章小结

第5章 实现一维配气的低排放燃烧室多维设计方法

5.1引言

5.2三维燃烧流场的数学模型

5.3网格无关性验证

5.4确定回流区和环流区边界的方法.

5.5影响回流区体积的因素

5.6进气流量分配

5.7低排放燃烧室结构调试

5.8低排放燃烧室设计方法小结

5.9本章小结

结论

本文创新点：

展望：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的研究成果

致谢