涡轮叶间超紧凑燃烧室研究

摘要

涡轮叶间超紧凑燃烧室作为一种新型燃烧室，以其结构紧凑，燃烧效率高，压力损失小的特点应用于燃气涡轮发动机。本文在已有研究的基础之上，设计了涡轮叶间燃烧室的试验件模型(Turbine inter-Blade Burner with3Cavities,简称TIB-3C)以及与之配套的试验系统，进行了初步的验证性试验测量，并且利用CFD软件FLUENT对试验件简化模型进行数值模拟，探究流量分配与操作压力对燃烧室性能的影响。此外，本文针对不同结构的主燃（Main Combustor，MC）-涡轮叶间补燃（Turbine inter-Blade Burner，TIB）一体化燃烧室（简称MC-TIB）进行了数值模拟分析，主要研究了燃烧环长宽比以及燃烧环射流角对主燃-涡轮叶间补燃一体化燃烧室性能的影响。
　　本文首先研究了燃烧工况对涡轮叶间超紧凑燃烧室（TIB-3C）的影响，发现：（1）在总流量保持不变的条件下，适当提高二次流流量，有利于提高出口速度，改善出口温度分布，提高燃烧效率，降低出口污染物污染物NOx、CO以及UHC的排放，并且在较高二次流流量工况下，出口径向平均温度分布较理想，有利于燃烧室的设计；（2）适当的增加燃烧室的操作压力有利于总压损失的减少，提高燃烧效率，提高出口温度，减少污染物CO以及UHC的排放。
　　随后，本文对涡轮叶间超紧凑燃烧室TIB-3C模型进行了试验件的设计，并且进行了以验证性为目的的初步试验，试验成果包括：（1）设计了燃烧环射流角度组合45°&55、燃烧环长宽比0.6、涡轮导向器采用带凹槽的弯曲叶片、加入了预旋叶片的涡轮叶间超紧凑燃烧室试验件（TIB-3C）模型；（2）设计了针对涡轮叶间超紧凑燃烧室试验件（TIB-3C）的试验系统（3）保持总流量不变，减少主流流量，增加二次流流量，会导致总压损失增大，并且与数值模拟计算的结果对比发现，相对误差在10％左右，二者吻合较好。（4）涡轮导向器叶片温度分布的试验数据与数值模拟相比，相对误差在18％左右，试验得出的结论与数值计算的结果吻合较好。
　　最后，本文对不同结构的主燃-涡轮叶间补燃一体化燃烧室（MC-TIB）燃烧室进行了数值模拟研究，研究表明：(1)MC-TIB的燃烧环长宽比直接影响了补燃室中燃烧反应的空间尺度，对燃烧特性产生直接的影响,提高燃烧环长宽比，有利于提高出口速度，改善出口速度分布，增加出口温度，减少压力损失；降低燃烧环长宽比，有利于强化主次流掺混，改善温度分布，降低污染物NOx以及UHC排放；(2)MC-TIB燃烧室的燃烧环射流角度直接影响燃烧环内流体的流场分布，对燃烧性能造成影响，适当的增大射流角度，有利于提高出口速度，改善速度分布，减少UHC排放；减小射流角度，有利于提高出口温度，改善出口温度分布，降低NOx污染物排放；射流角度的改变对压力损失的影响较小。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 涡轮叶间超紧凑燃烧原理

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 基本模型与基本概念

2.1 数学模型

2.2 物理模型

2.3 性能参数

2.4 几何模型

第三章 不同工况下涡轮叶间超紧凑燃烧室TIB-3C模型的数值模拟

3.1 TIB-3C燃烧室模型计算域网格与参数条件

3.2主次流量分配对涡轮叶间超紧凑燃烧室TIB-3C模型性能的影响

3.3操作压力对涡轮叶间超紧凑燃烧室TIB-3C模型性能的影响

3.4本章小结

第四章 涡轮叶间超紧凑燃烧室三维TIB-3C模型的实验设计

4.1三维TIB-3C燃烧室模型试验目的与技术方案

4.2三维TIB-3C燃烧室模型的试验结果与验证性分析

4.3本章小结

第五章 主燃-涡轮叶间补燃一体化燃烧室MC-TIB中不同结构对燃烧性能影响

5.1 MC-TIB燃烧室网格模型与参数设置

5.2 燃烧环长宽比对MC-TIB燃烧室燃烧性能的影响

5.3 燃烧环射流角对MC-TIB燃烧室燃烧性能的影响

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1主要研究成果

6.2 主要研究结论

6.3建议与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录