R0110重型燃气轮机燃烧室掺混特性的数值研究

论文摘要

出口温度场品质是燃气轮机燃烧室的重要安全性指标之一。但因为燃烧室的复杂性,使设计和试验调试都带有较强的经验性。因条件所限,试验中也不可能随意改变各种参数。因此,加强出口温度特性的理论研究,有重要的意义。国产R0110重型燃气轮机干式低污染(DLN)燃烧室的试验表明,出口温度参数与设计值不符,经多次调试均未从根本上获得改善。分析认为,其主要原因一是燃烧室的掺混机构设计不合理;二是人们对DLN燃烧室内部的燃烧和掺混规律的特殊性认识不足,以往的经验已不完全适用和满足试验的要求。针对上述问题,本文在试验基础上,采用数值模拟方法,研究了R0110燃烧室的掺混特性及其对出口温度场的影响规律,并反推无法测得的进入掺混段之前的燃气主流的参数分布,为进一步改进燃烧室的设计和试验提供了参考。本文首先研究了对出口温度场有直接影响的参数,包括燃气主流的温度和速度分布、主流和掺混射流的湍流度、主流的残余旋转、主流和射流之间的热量分配、流量分配等。研究表明,燃气主流参数是出口温度场总体特征的决定性因素,掺混射流只能在一定程度上改变温度分布的形貌。这与试验结果相一致。在分析了以上因素各自对温度场影响的基础上,本文进一步研究了这些因素的综合作用。发现燃气主流的温度分布比较均匀,符合DLN燃烧室采用均相预混燃烧方式的特点;主流速度分布则不完全均匀,因径向分级燃烧的缘故,燃烧室中心燃烧区和环形燃烧区分别在外侧和中心处形成两个高速区;火焰筒的燃气导流管向内弯转,导致下侧射流更深,掺冷作用更强;燃烧室的逆流式设计,使下部掺混射流流量大于上部,这种上下不对称的流量分配,使出口的中心高温区向上部偏移。本文通过大量的算例,加深了对掺混射流对出口温度场的作用规律的认识,为深入研究可描述这种规律的理论关系式,优化燃烧室设计和掺混结构,为试验提供理论指导奠定了重要基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 出口温度场品质的评价方法
• 1.3 相关研究现状
• 1.4 本文研究目的和研究内容
• 第2章 计算几何模型、数学模型、边界条件和算例设计
• 2.1 计算域的几何结构和尺寸
• 2.2 网格画法和计算软硬件
• 2.3 计算相关方程的选取
• 2.4 计算边界条件
• 2.5 计算网格检验
• 2.6 计算算例选择
• 2.7 本章小结
• 第3章 单一参数变化对出口温度场品质的影响
• 3.1 无射流时，主流参数的影响
• 3.1.1 主流温度分布
• 3.1.2 主流速度分布
• 3.2 湍流度的影响
• 3.2.1 主流湍流度
• 3.2.2 射流湍流度
• 3.3 主流残余旋转效应
• m'>3.4 主流/射流之间的流量分配J_m
• Q'>3.5 主流/射流之间的热量比J_Q
• 3.6 本章小结
• 第4章 多种参数综合作用的规律
• 4.1 中心高温区的形成与变化
• 4.1.1 高温区位置的偏移
• 4.1.2 高温区面积的变化
• 4.2 近壁区温度过低的问题
• 4.3 计算中出现的温度条带问题
• 4.3.1 降低主流与射流之间的温度差
• 4.3.2 改变局部主流/射流掺混动量比
• 4.4 本章小节
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 未收入正文的算例条件及结果
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果