環(huán)形燃燒室低排放設計研究.pdf

1、當今世界對發(fā)動機的排放標準越來越苛刻，低排放成為燃燒室先進性的重要性能指標之一，設計先進低排放燃燒室也變得十分有必要的。對燃氣輪機燃燒室排放物 NOx來說，最主要的影響因素包括反應區(qū)溫度和過量空氣系數(shù)，對低排放燃燒室進行設計時，常用的降低NOx手段也是控制這兩方面參數(shù)。但是，傳統(tǒng)的燃燒室結(jié)構(gòu)設計主要借助于經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式，具有研制周期長、費用高、可移植性差等缺點。若能夠利用化學反應器網(wǎng)絡法對低排放燃燒室的流場組織進行初步設計，優(yōu)化燃燒室

2、配氣方案，就可以通過控制燃燒場內(nèi)各反應區(qū)域的過量空氣系數(shù)實現(xiàn)控制反應溫度、降低NOx生成的目的。并且對流場的一維設計可以在零維和三維之間提供一個中間環(huán)節(jié)，對零維參數(shù)和三維結(jié)構(gòu)設計進行修正和指導，實現(xiàn)零維、一維和三維設計之間的互相指導和修正，最終通過三維燃燒流場數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析確定燃燒室詳細結(jié)構(gòu)設計，并對其進行性能分析和優(yōu)化。這種低排放設計方法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)設計方法中進行反復試驗的過程，不僅節(jié)約設計成本，還可以縮短設計周期。
　

3、　若想使這種零維、一維和三維互相指導和修正的低排放燃燒室設計方法能夠高效準確地完成低排放燃燒室設計，還需解決很多問題。如：一維設計中怎樣控制反應區(qū)過量空氣系數(shù)來實現(xiàn)降低NOx的目的；一維設計得到的配氣、反應區(qū)體積等結(jié)果，能否在三維設計中實現(xiàn)；調(diào)整三維結(jié)構(gòu)以滿足一維設計結(jié)果時，主要影響的零維參數(shù)有哪些；如何能簡化這一調(diào)整優(yōu)化過程，使三維設計能夠快速滿足低排放的要求等等。
　　在對燃燒室三維結(jié)構(gòu)的反復調(diào)試修改設計過程中，如果采用參數(shù)化

4、建模方法建立燃燒室?guī)缀文Ｐ秃途W(wǎng)格劃分，則可以簡化三維結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化過程中的數(shù)值計算預處理工作，更有利于節(jié)省設計優(yōu)化研究工作的時間。但是燃燒室這樣復雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模還處于探索階段，要實現(xiàn)低排放燃燒室的參數(shù)化建模需要克服種種困難。針對這些問題，本文進行了以下幾方面的研究工作：
　　1.建立了一個燃氣輪機燃燒室參數(shù)化建模系統(tǒng)，包含旋流器和火焰筒兩種燃燒室部件，擁有清晰完善的菜單和窗口設計，可以完成旋流器和環(huán)形燃燒室火焰筒部件的參數(shù)化幾何

5、建模，燃燒室模型修改和更新只需要幾分鐘，相比傳統(tǒng)燃燒室建模方法節(jié)約了99％的時間。
　　2.提出了多維交互式低排放燃燒室設計方法，根據(jù)給定的燃燒室燃料和空氣等數(shù)據(jù)，使用該方法通過改變反應區(qū)過量空氣系數(shù)控制NOx生成量，設計了一個低 NOx排放燃燒室結(jié)構(gòu)方案。具體包括：
　?。?）借鑒傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式，對燃燒室進行了初步的零維設計。進行了燃燒室熱力參數(shù)計算、燃燒室整體尺寸的氣動計算以及各部分進氣量的經(jīng)驗估計，得到常規(guī)燃燒室的初始

6、零維參數(shù)設計。
　　（2）采用CRN方法對低排放燃燒室進行一維設計分析。對流場進行網(wǎng)絡分區(qū)。通過分析反應區(qū)不同過量空氣系數(shù)對NOx生成量的影響，確定燃燒室排放量最低時的最佳空氣配比，運用微元法確定燃燒室的有效燃燒體積，計算一維特征長度。
　　（3）利用參數(shù)化建模系統(tǒng)，以一維設計的配氣方案和特征長度為指導，對零維設計的參數(shù)進行修正，建立不同結(jié)構(gòu)的燃燒室?guī)缀文Ｐ?。對比不同結(jié)構(gòu)的燃燒室三維燃燒流場性能，最終確定一種低排放燃燒室結(jié)構(gòu)

7、。證實這種多維交互式低排放燃燒室設計方法相較傳統(tǒng)的反復試驗調(diào)試的設計方法是可行且更節(jié)省時間的。
　　3.通過分析影響回流區(qū)的部分參數(shù)，得出了旋流器旋流數(shù)和回流區(qū)體積之間的關(guān)系，并擬合成一個多項式表達。確定了回流區(qū)體積和環(huán)流區(qū)體積之間的比例關(guān)系。
　　4.定義了一個面積-流量系數(shù)af，在結(jié)構(gòu)設計中使用并驗證了該系數(shù)的準確度。該面積-流量系數(shù)可以從一維設計結(jié)果中快速計算出三維幾何模型的進氣孔尺寸參數(shù)，大大節(jié)省了三維設計中反復調(diào)試