燃气轮机燃烧室.ppt

燃气轮机燃烧室刘 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 压气机大气燃烧室压缩空气高温高压燃气涡轮其他设备膨胀功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。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 单管燃烧室单管燃烧室环管燃烧室环管燃烧室环形燃烧室环形燃烧室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。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。火焰筒和壳体都是同心环形结构，无需联焰管。主要优点调试用气量少；单个喷嘴容易与气流配合达到要求；单独的小燃烧室本身强度和刚性好；装拆维护方便。迎风面积最小；用含13个火焰筒的试件就可以做试验，无需很大的气源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。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。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；需要联焰管，空中点火起动性能最差；压力损失最大。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；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。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。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。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。*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。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。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。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：形式形式优点优点缺点缺点回流环形轴系短；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。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。折流甩油燃油雾化质量高，粒度小；燃油轴向分布均匀；燃油系统油压低。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。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。轴系长；对压气机出口流场敏感；燃烧室出口分布不均匀。表征燃烧室特性的参数主要包括：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 燃烧室的进口压力；2 进口温度；3 进口处的气流速度；4 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：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。建立几何模型求解计算前处理生成网格计算后处理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。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。