燃气轮机燃烧室

计算后处理
通过查阅文献发现，现在针对燃烧室几何模型的建立一般采用 UG软件。
后续工作安排
通过这两个星期对燃气轮机燃烧室的学习，初步掌握了燃烧室 的结构以及工作特点，但是发现燃烧室作为组成燃气轮机的一 个重要部件，不能将其独立出来学习，如果要想深入的了解燃 烧室的工作特点，需要清楚的认识燃气轮机其他部件的结构特 点以及工作特性，这对于全面的掌握燃烧室知识是至关重要的， 所以在以后的学习中需要针对压气机以及涡轮方面的知识进行 加强学习。在以后的学习中同时要加强燃烧理论的学习，这样 才能在后期CFD模拟学习中更加从容。
* 燃烧室的主要组成结构
燃烧室的主要结构包括：内外壳体、火焰筒、扩压器、旋流器、 燃油喷嘴以及点火装置等。 内外壳体：是主要的承力结构，同时为空气的分股以及掺混提 供空间。
火焰筒：主要是为了解决稳定燃烧和涡轮前燃气温度限制的矛 盾，通过设置火焰筒使气体分股，一股空气从火焰筒头部进入 与燃料混合，组成适宜燃烧的混合燃气；另一部分从火焰筒的 外围经过，并在筒的中后部进入燃烧室，与燃气掺混，从而起 到降低燃气温度，降低涡轮损伤。
1 燃烧效率； 2 燃烧室压力损失； 3 燃烧稳定性（熄火特性），随着燃烧室进口气流参数和油气 比的变化规律。
与燃烧效率相关的四个因素：
1 2 3 4 燃烧室的进口压力； 进口温度； 进口处的气流速度； 燃烧室的油气比或者余气系数。
* 燃烧室的数值模拟
燃烧室CFD模拟的流程：
建立几何模型 生成网格 计算前处理 求解
* 燃烧室的工作环境
燃烧室的工作环境非常恶劣，燃烧室内的零件是在高温、 高负荷下工作，承受气体力、惯性力产生的静载荷和振动载荷， 并且受到热力以及热腐蚀的作用。
* 燃烧室的分类以及优缺点比较
单管燃烧室 环管燃烧室
把几个单独的火焰筒放 在一个环形外壳内。火 焰筒之间有联焰管进行 传焰。
环形燃烧室
火焰筒和壳体都是同心 环形结构，无需联焰管。
点火装置 ：用于起动点火，在启动时或在高空熄火后形成点火 源。（直接点火，间接点火）
点火装置示意图
* 燃烧室结构设计
燃烧室设计要求：尺寸小，质量轻，燃烧效率高，压力损失小， 点火性能好，燃烧稳定，出口温度分布均匀，寿命长，污染低 等。 通过以上要求发现，其中某些要求是相互矛盾，例如燃烧室头 部对气流的扰动是有利于燃烧效率的提高以及增加燃烧的稳定 性，但是这样会造成大的压力损失等。因此在结构设计中采取 如下一些措施（可能总结的不太完全）： 1 为提高燃烧效率，改善进出口的温度，减少污染物的排放， 结构上采用气动雾化喷嘴和组合式火焰筒头部。
气动布局较差，扩压器 设计较困难； 也有联焰管，点火性能 不好；
需要联焰管，空中点火起动性能最 差； 压力损失最大。
出口燃气周向温度场不 如环形燃烧室好；
比环形燃烧室结构质量 大。
图1单管燃烧室
图2环管燃烧室
图3 环形燃烧室
* 燃烧室的工作过程
图4 燃烧室工作过程示意图
燃烧室工作过程分为空气分股、形成低速区和回流区、燃烧区 内形成非均匀的混合气。
在涡轮中膨胀功一部分通过传动轴传送到压气机，对吸入的空 气进行压缩；另一部分对外输出，可以用于发电或者车辆、飞 机等的动力。
燃气轮机燃烧室
* 燃烧室的作用
从燃气轮机工作的流程图可以看到，燃气轮机燃烧室在整 个系统的热力循环中起到了定压加热的作用。在燃烧室中，通 过燃料与空气的燃烧，将燃料的化学能转化为热能，使气体的 总焓值增加，从而提高燃气在涡轮以及其他设备中的做功能力。
燃气轮机燃烧室Baidu Nhomakorabea
刘朋
主要内容
· 燃气轮机简介
· 燃气轮机燃烧室的认识
· 后续工作
燃气轮机简介
* 燃气轮机的组成
现代燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮组成。
* 燃气轮机的基本工作过程
大气 压气机
压缩空气
燃烧室
高温高压燃气
涡轮
膨 胀 功
其他设备
空气从大气中被吸入到燃气轮机中，首先在压气机中压缩增压， 然后进入燃烧室，与燃料混合后经点燃进行燃烧，成为高温高 压燃气，然后进入到涡轮中进行膨胀做功。
与压气机配合获得最佳 的气动设计，压力损失 最小； 空间利用率最高，迎风 面积最小； 可得到均匀的出口周向 温度场；
无需联焰管，点火时容 易传焰。
调试时需要大型气源； 采用单个燃油喷嘴，燃 油—空气匹配不够好； 火焰筒刚性差； 装拆维修困难。
主要缺点
迎风面积最大，空间利用率低，质 量最大； 与轴流压气机出口环形气流配合不 好，很难得到周向均匀的温度场；
空气分股:首先是为了在燃烧区形成一个比较恰当燃油比区域， 进而使燃烧燃烧效率提高；再者，通过燃烧室内的掺混区（一 般为火焰筒的中后部）使出燃烧室的温度场变得均匀，并且是 燃气温度达到涡轮所允许的温度，还可以对燃烧室其他零件进 行冷却。
形成低速区和回流区：为了保证燃烧的稳定，必须使气体速度 与火焰传播速度相一致。 非均匀混合气：这里非均匀是指在燃烧室内各处的余气系数不 同，从而在各种突变情况下可以保持燃烧室内燃烧的稳定。
折流甩油
油气密封存在问题； 出口存在与工作涡轮同步的 旋转热点； 轴系比回流燃烧室长； 点火性能较差。 轴系长； 对压气机出口流场敏感； 燃烧室出口分布不均匀。
直流环形
气流顺畅，适宜组织燃烧和冷却； 气动负荷大，燃烧室结构紧凑； 火焰筒表面积小，冷却气量小； 直接点火。
表征燃烧室特性的参数主要包括：
2 为了缩短燃烧室长度以及速度畸变对燃烧室的影响，采用短 突扩扩压器。 3 采用新型冷却技术，如冲击对流膜等。
* 燃烧室类型的选择
近些年，根据小型燃气轮机燃烧室的特点，如下三种形式的燃 烧室可供选择：
形式 回流环形 优点 轴系短； 对压气机出口流场不敏感； 出口温度场均匀； 可采用直接点火。 燃油雾化质量高，粒度小； 燃油轴向分布均匀； 燃油系统油压低。 缺点 火焰筒表面积需求相对较大； 火焰筒高度较小； 有转弯附加压力损失。
后续工作安排
针对以上面临的问题，在接下来的学习中制定如下计划： * 对二代机的工作特点进行了解，尤其二代机燃烧室特点进行分 析了解； * 通过学习书籍以及文献掌握压气机以及涡轮的结构特点，以及 工作特点，辅助对燃烧室的学习； * 通过学习书籍和文献，深入了解燃烧理论，为燃烧室的数值模 拟打下基础； * 通过阅读文献掌握CFD模拟的过程以及方法； * 学习掌握FLUENT以及UG软件。
结构特点
每个圆管火焰筒有各自的外壳，组 成一个单管。各个单管燃烧室之间 有联焰管进行传焰。
主要优点
调试用气量少； 迎风面积最小； 单个喷嘴容易与气流配合达到要求； 用含1~3个火焰筒的试 单独的小燃烧室本身强度和刚性好； 件就可以做试验，无需 很大的气源 装拆维护方便。 供油和供气匹配较好； 外壳是承力件，有利于 提高发动机的强度和刚 性。
旋流器：通过旋流器的气流，在燃烧室内将形成低速回流区， 这样可以使气体速度与火焰传播速度一致，从而保证燃烧的稳 定，回流区的形成可以保证燃烧的完全。
图5 旋流器示意图
图6 旋流器工作示意图
燃油喷嘴：为燃烧室提供燃油，并将燃油雾化，加速可混气的 形成（离心式喷油嘴，蒸发管式喷油嘴，气动雾化式喷油嘴） 扩压器：主要包括一级扩压式、二级扩压式以及突扩扩压式。 其作用包括以下三点： 1. 是燃气轮机主要的承力装置； 2. 可以降低气体流速，便于燃气混合，有利于组织燃烧； 3. 针对于环形燃烧室，可以对内外侧的第二股气流进行分配。