燃气轮机燃烧室火焰筒壁冲击射流冷却研究

摘要

燃气轮机燃烧室内的火焰温度通常高达2000K，而目前金属材料能够耐受的最高温度不超过1200K，因此包裹火焰的火焰筒壁需要各种防护和冷却措施来保证其运行寿命。传统的采用气膜冷却的燃烧室火焰筒需要消耗大量的空气用于冷却。为了满足日益严苛的排放要求，贫燃预混燃烧室受到更多的关注。贫燃预混燃烧室需要更多的空气用于预混燃烧，用于火焰筒冷却和掺混的空气量相对减少。针对贫燃预混燃烧室的特点，本文将某采用气膜冷却的环管型燃烧室的火焰筒冷却结构改为冲击射流冷却。本文依据该结构提出了一种冲击射流冷却火焰筒的初步设计方法，用于确定冲击射流孔以及掺混孔的孔径尺寸。此外，本文还提出一种火焰筒壁温的计算方法，用于验证冲击射流冷却火焰筒设计的可行性。 为了得到较优的冲击射流冷却结构，本文对单出口排气条件下均匀顺直排列的垂直等径的圆孔冲击射流冷却结构进行研究。所研究的结构变量包括射流孔直径D、冲击间距Z、射流孔长度（射流板厚度）t以及孔间距X。本文通过正交试验的方法确定了各参数对靶面平均传热系数h影响的显著性。其中X/D由于改变冷却空气的流量对h的影响非常显著，Z对h有显著的影响，D对h有一定程度的影响，t对h的影响可以忽略不计。本文通过回归正交试验的方法分别研究了在X/D=10时和X/D=8时，参数Z和D对h的影响趋势，并找到了所研究范围内Z和D的最优值。 为了观察冲击射流冷却在真实燃烧室上的应用效果，本文运用CFD方法对采用冲击射流冷却的环管型燃烧室进行了稳态数值求解。计算结果显示火焰筒内部流场和温度场的不均匀性使得均匀阵列冲击射流冷却的效果不够理想。鉴于此，在设计冲击射流火焰筒结构时，应该根据火焰筒内火焰分布，在火焰筒内部对流换热较高的区域布置更多的或者更大的射流孔。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 冲击射流冷却的研究现状

1.3 本文主要内容

2 基本理论

2.1 计算流体力学理论

2.1.1 控制方程

2.1.2 湍流模型

2.1.3 燃烧模型

2.1.4 辐射模型

2.1.5 有限体积法

2.2 试验设计理论

2.3 本章小结

3 冲击射流冷却火焰筒结构的初步设计及温度计算

3.1 冲击射流冷却火焰筒结构的初步设计

3.1.1 原型燃烧室掺混孔射流深度

3.1.2 新型燃烧室掺混孔面积

3.1.3 新型燃烧室冲击射流孔面积

3.2 火焰筒温度的一维计算

3.3 火焰筒温度的准三维计算

3.4 本章小结

4 冲击射流冷却结构参数研究

4.1 前处理

4.1.1 几何模型

4.1.2 网格划分

4.1.3 网格无关性验证

4.1.4 求解设置

4.2 冲击射流冷却结构参数的显著性研究

4.3 X/D=10时的冲击射流冷却结构研究

4.3.1 正交试验

4.3.2 回归正交试验

4.4 X/D=8时的冲击射流冷却结构研究

4.5 本章小结

5 冲击射流冷却燃烧室的数值计算

5.1 前处理

5.1.1 几何模型

5.1.2 网格划分

5.1.3 网格无关性验证

5.1.4 求解设置

5.2 计算结果分析

5.2.1 速度场

5.2.2 温度场

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢