带有径向旋流器的火焰筒配气设计方法研究

摘要

燃气轮机作为常用的动力装备，经过半个多世纪的发展，已经被广泛地应用于航空、船舶、电力、石油等诸多工业领域。燃烧室作为燃气轮机的三大部件之一，其性能直接影响燃料利用率、涡轮叶片寿命、燃气轮机整机效率以及燃气轮机工作稳定性。设计一种燃料利用率效率高、流阻损失低、燃烧稳定可靠、使用寿命长、排放污染低、出口温度分布合理的高温升燃烧室是燃气轮机研制的一项非常艰巨的任务。
　　开发一种设计周期短、可靠性高、性能优良的燃烧室设计方法，是当今国内自主燃气轮机设计急需。其中，火焰筒作为燃烧室重要部件，其设计方法直接制约着燃烧室设计的发展与进步。
　　针对这种状况，本文研究了一种燃烧室火焰筒的多维设计方法。该方法从零维设计出发，针对零维设计所得燃烧室火焰筒雏型，利用数值计算的方法快速进行火焰筒各部分流量分配以及火焰筒结构设计。本文所作的具体研究工作如下：
　　（1）针对设计要求，本文进行了燃烧室的零维设计，完成燃烧室选型及火焰筒基本尺寸的确定；
　　（2）本文利用Chemkin软件，构建燃烧室化学反应器网络，在满足低排放特性要求的基础上进行一维配气优化设计，确定燃烧室各部分最佳配气比例以及有效反应体积，得到燃烧室有效长度，结果表明，头部进气量的增加有利于降低燃烧室出口 NOX排放；
　　（3）本文利用 Fluent软件，对燃烧室火焰筒二维模型进行数值分析，通过对二维模型进行合理简化及假设，得到优化的二维模型结构参数，以满足一维配气设计所得的各部分配气比例及有效反应体积；
　　（4）针对得到的火焰筒二维模型参数进行三维周期拓展，利用 Fluent软件对三维周期几何参数进行优化设计，最终得出燃烧室火焰筒三维结构参数；
　　（5）选择成型的火焰筒及机匣结构，进行燃烧室三维建模，并对三维燃烧室模型进行数值分析，计算所得燃烧室效率为98.30％，总压回复系数为93.68％，出口的OTDF为17.68％，出口NOX排放为162.79ppm。
　　（6）文章在总结整理零维设计的基础上，形成了一套完整的采用数值模拟分析方法进行的燃气轮机燃烧室火焰筒配气优化以及结构设计的方法，为燃气轮机燃烧室设计提供了一定的参考。

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第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 燃烧室零维结构设计方法

2.1 引言

2.2 燃烧室设计参数与选型

2.3 燃烧室热力计算

2.4 燃烧室整体尺寸气动设计

2.5 旋流器以及火焰筒壁面进气量的确定

2.6 本章小结

第3章 燃烧室一维配气优化设计

3.1 引言

3.2 化学反应器网络模型

3.3 燃烧室一维设计方法

3.4 燃烧室化学反应器网络划分依据

3.5 燃烧室化学反应网络(CRN)的建立

3.6 燃烧室各部分配气比例对燃烧室性能的影响

3.7 有效长度的确定

3.8 本章小结

第4章 燃烧室数学物理模型

4.1 引言

4.2 燃烧室燃烧流场基本控制方程

4.3 Realizable k-ε湍流流动模型

4.4 PDF湍流燃烧模型

4.5 离散相模型

4.5 燃烧室性能评价指标

4.6 本章小结

第5章 燃烧室二维结构优化设计

5.1 引言

5.2 燃烧室二维CFD计算方法

5.3 燃烧室二维设计过程

5.4 本章小结

第6章 燃烧室三维周期拓展结构优化设计

6.1 引言

6.2 燃烧室周期拓展建模及网格划分

6.3 主燃孔对燃烧流场的影响

6.4 径向旋流器旋流角对燃烧流场的影响

6.5 两级旋流器旋向对燃烧流场的影响

6.6 两级旋流器流量比对燃烧流场的影响

6.8 本章小结

第7章 三维燃烧室性能校核

7.1 引言

7.2 数值计算边界条件

7.3 燃烧室单头部全尺寸建模及网格划分

7.4 燃烧室三维单头部全尺寸流场分析

7.5 燃烧室火焰筒多维设计方法

7.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果

致谢