【摘要】：隨著環(huán)境污染問題的日益嚴峻,燃氣輪機的污染物排放標準也日趨嚴格,高性能低污染已然是現(xiàn)今燃氣輪機設(shè)計所追求的目標。燃燒室作為燃氣輪機重要的核心部件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接影響了燃機整體性能。傳統(tǒng)的經(jīng)驗、半經(jīng)驗設(shè)計方法靈活性差、耗時耗力,大大增加了燃燒室設(shè)計周期,因此化學反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)法和計算流體力學相結(jié)合的方法日益受到學者們的重視。通過CFD計算結(jié)果指導(dǎo)燃燒室一維設(shè)計,再根據(jù)一維設(shè)計最優(yōu)結(jié)果進行三維數(shù)值模擬校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以此形成的一維和三維交互式設(shè)計方法可以大大節(jié)約設(shè)計成本,有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文針對某環(huán)管型燃燒室,采用化學反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)法(CRN)對其簡化模型進行一維配氣設(shè)計,并采用多旋流中心分級技術(shù),對燃燒室進行低排放設(shè)計,通過一維和三維相互指導(dǎo)的設(shè)計方法,探究了燃燒室頭部結(jié)構(gòu)參數(shù)、燃油分級特性等因素對NO_x排放的影響規(guī)律。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)利用Chemkin-Pro化學分析軟件,基于簡化燃燒室的流場計算結(jié)果,將燃燒室劃分為八個特征區(qū)域,搭建化學反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型圖。分別控制三個進氣邊界的進口空氣流量比,進行一維配氣優(yōu)化,最終得到的最佳配氣比為:頭部冷卻孔8%,旋流器進口70%,壁面冷卻孔22%。(2)采用微元法對燃燒室有效體積和特征長度進行優(yōu)化設(shè)計,計算得到燃燒室有效體積為6061.72cm~3,有效長度為28.01cm,最終得到優(yōu)化設(shè)計后的火焰筒總長為49.51cm。為后續(xù)燃燒室三維建模提供了依據(jù)。(3)利用Fluent軟件對燃燒室進行低排放優(yōu)化設(shè)計。將燃燒室火焰筒及機匣簡化,著重分析多旋流頭部結(jié)構(gòu)對污染物排放的影響。在等效面積法的基礎(chǔ)上結(jié)合CFD計算結(jié)果優(yōu)化了壁面冷卻孔數(shù)量及排列方式,探究了冷卻孔數(shù)量及排列方式對三級旋流器進口空氣流量的變化規(guī)律。(4)對經(jīng)驗公式設(shè)計得到的三級旋流器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,探究了中間級軸向旋流器不同旋向方案下葉片角對燃燒性能的影響。結(jié)果表明同向安裝下各參數(shù)隨葉片角增大均得到優(yōu)化,而反向方案并沒有統(tǒng)一規(guī)律,相同角度下反旋方案要大大優(yōu)于同旋方案,其NO_x排放值要相差100ppm左右。在此基礎(chǔ)上研究了三級徑向旋流器的葉片角和葉片數(shù)對燃燒室性能的影響規(guī)律(5)采用燃油中心分級的低排放方式,探究了環(huán)狀多點噴油對燃燒室性能的影響。對三級旋流器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到更符合低排放設(shè)計要求的頭部結(jié)構(gòu)。對主燃級和值班級燃油比例的研究表明,主燃級燃油量增加會使燃燒室性能逐漸提升,并使出口污染物排放逐漸降低。(6)在值班級燃油比例為10%的邊界條件下,探究了燃油噴射位置及噴射角度對燃燒室性能及NO_x排放的影響,結(jié)果表明在主旋流器喉部噴油更有利于燃油的霧化和完全燃燒;三種角度方案中,噴射角度為沿x軸正向45~?時,燃料噴射的隨流性最好,燃燒效率最高且出口NO_x最低,排放值為26.68ppm。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK472
【圖文】：

圖 1.1 多噴嘴低排放燃燒室[52] Mohamad Shaiful Ashrul Ishak 等人的方法研究了徑向旋流器葉片角對時，相比于30°情況NO排放量降低明增加徑向旋流器葉片角會一定程研究進展計方法為數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合，相序、參數(shù)化建模等手段被越來越多預(yù)處理的時間，除此以外多維交互式流場又可以簡短設(shè)計周期，是一種[18]對 100kW 級微型燃氣輪機環(huán)型燃總壓恢復(fù)系數(shù)、燃燒完全度和原準機

圖 1.2 燃燒室總體結(jié)構(gòu)圖大學的石夢華等人[21]針對傳統(tǒng)建模方式和網(wǎng)格生成空發(fā)動機環(huán)形燃燒室開發(fā)了一套參數(shù)化的三維建模低，有效提高 CFD 前處理的效率。此外還利用 U數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，實現(xiàn)了該參數(shù)化設(shè)計軟件和其他建模對于高效解決工程實際問題具有實際意義。冬霞通[22][23]過自編程將燃燒室的建模、模擬后處理閉，初步實現(xiàn)了參數(shù)化的設(shè)計方法。應(yīng)用該參數(shù)化實現(xiàn)了一個符合設(shè)計要求的筒型燃燒室。通過該算設(shè)計參數(shù)到實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的自動化運行，并具有一峰[24]對某重型燃氣輪機燃燒室過渡段開發(fā)了一套三數(shù)化定義 8 個幾何參數(shù)和 3 個造型函數(shù)確定過渡段可以實現(xiàn)不同形狀的過渡段快速建模。通過與現(xiàn)有

0]通過研究燃燒室空氣流量分配與流動面積之間的關(guān)系，的計算模型。該計算模型雙向可用，對于給定的流動面分配，還可以計算出該部分的壓降。現(xiàn)已得到一些應(yīng)用設(shè)計。1]也開發(fā)了一種基于時間特征模型的燃燒室的設(shè)計方法�？諝獾倪M氣方案設(shè)計。與試驗結(jié)果的對比證明：該方法配有比較準確的計算結(jié)果，也能較精確的模擬壓力損失使用一套經(jīng)驗化模型進行燃燒室的設(shè)計計算，經(jīng)過試驗endra Khandelwal 等人[33]針對分級燃燒室，在經(jīng)驗法的基體和部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。在對擴壓器、旋流器、冷卻 NASA 某雙環(huán)徑向分級燃燒室的實驗數(shù)據(jù)吻合良好，證該方法設(shè)計出的兩種分級燃燒室（軸向分級和徑向分級50-60ppm 的范圍內(nèi)，其中軸向分級方式的 NOX更低。

【參考文獻】

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本文編號：2770295