蒸汽對(duì)氣輪機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)和性能的影響

摘 要：在燃燒器設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮到蒸汽影響燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程這一點(diǎn)。燃燒器的設(shè)計(jì)一直是最具挑戰(zhàn)性的過(guò)程。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能與燃燒室設(shè)計(jì)相結(jié)合進(jìn)行了研究，并制定了考慮蒸汽加入量的單個(gè)環(huán)形燃燒室的詳細(xì)程序。該設(shè)計(jì)模型可以提供燃燒室的幾何形狀和燃燒室的性能。將模型預(yù)測(cè)與運(yùn)行和配置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在驗(yàn)證了燃燒室設(shè)計(jì)規(guī)范可行性的基礎(chǔ)上，研究了燃燒室設(shè)計(jì)規(guī)范的可行性以及蒸汽加入對(duì)燃燒室性能的影響。結(jié)果表明，注汽是降低燃燒器溫度的一種有效方法，而其他性能指標(biāo)如總壓差則是較低的。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室;蒸汽加成;初步燃燒室設(shè)計(jì);性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.028

1 簡(jiǎn)介

目前，通過(guò)化石燃料（如石油基液體燃料）的燃燒，滿足了運(yùn)輸和能源的全球需求。因此，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)排放是越來(lái)越重要的缺點(diǎn) 。在不同類型的排放中，氮氧化物是一次空氣與光化學(xué)煙霧、酸雨和地面對(duì)流層臭氧有關(guān)的污染物。例如飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)起飛的情況，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注飛機(jī)電磁干擾的影響。就機(jī)場(chǎng)附近的當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量而言，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商需要開(kāi)發(fā)更環(huán)保的技術(shù)，以有效地應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)，減少了燃燒排放。

在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的減排技術(shù)中，由于以下原因，蒸汽或注水在實(shí)施條件下減少氮氧化物排放的方法越來(lái)越流行。 研究表明，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，成本低。了解蒸汽添加對(duì)燃料燃燒和NOx排放的影響。飛機(jī)的初步性能包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能、維護(hù)以及在起飛時(shí)在飛機(jī)上使用這項(xiàng)技術(shù)，所涉及的費(fèi)用問(wèn)題在美國(guó)宇航局格倫研究中心進(jìn)行。

2 模型測(cè)試和驗(yàn)證

與舊式噴水方法不同的是，這種方法能夠比燃料消耗排放和渦輪進(jìn)口溫度低。此外，所做的大量數(shù)值研究結(jié)果表明，在未來(lái)的發(fā)電廠中應(yīng)用蒸汽注水方案可以有效地提高效率。污染和運(yùn)營(yíng)成本以及改善性能。氧化燃?xì)廨啓C(jī)與注汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的集成及研究影響這一周期的總體表現(xiàn)和關(guān)鍵變量。計(jì)算結(jié)果表明，燃燒室出口溫度和壓氣機(jī)壓力，渦輪循環(huán)和部分氧化溫度對(duì)循環(huán)效率和輸出有明顯的影響。與其他簡(jiǎn)單循環(huán)相比，該循環(huán)的效率提高，降低了氧氣濃度，提高了冷卻流量。研究表明燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)飽和蒸汽使總破壞率下降。

通常，對(duì)于目前所有的排放預(yù)測(cè)模型，基于相關(guān)的模型從簡(jiǎn)單的到復(fù)雜的高保真模擬，基本燃燒室尺寸的確定是一個(gè)先決條件。燃燒室設(shè)計(jì)，包括空氣動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、燃燒、機(jī)械設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程等許多學(xué)科，被認(rèn)為是最具挑戰(zhàn)性的學(xué)科之一。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展概況。幾十年來(lái)，世界各地的科學(xué)和工業(yè)研究都收集了許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

然而，經(jīng)驗(yàn)和分析方法仍然是目前燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的工具。建立一份廣泛的經(jīng)驗(yàn)性清單，用于燃燒室設(shè)計(jì)的分析工具。說(shuō)明了設(shè)計(jì)公式背后的假設(shè)以及它們的有效性范圍，收集了設(shè)計(jì)燃燒室設(shè)計(jì)程序的方法。在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，壓縮機(jī)出口溫度始終高于800 K（水的臨界溫度為647.5K）。因此，將水注入低壓壓縮機(jī)中時(shí)，在燃燒器的前面注入水。這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致物理和化學(xué)過(guò)程變得更多，因此，在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮到這一點(diǎn)，以降低開(kāi)發(fā)成本和與引擎設(shè)計(jì)相關(guān)的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。本研究在概念設(shè)計(jì)階段研究了蒸汽加入對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)和性能的影響。首先，環(huán)形燃?xì)廨啓C(jī)的初步設(shè)計(jì)過(guò)程存儲(chǔ)已建立。根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)要求和運(yùn)行條件，使用兩個(gè)代表性環(huán)形燃燒室驗(yàn)證該模型。本設(shè)計(jì)方案。還將使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)讉€(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，并及時(shí)檢查其對(duì)燃燒器尺寸和性能的影響。接下來(lái)，固定操作條件，燃燒器是在考慮蒸汽添加技術(shù)的同時(shí)重新設(shè)計(jì)。最后，計(jì)算了蒸汽噴射的燃燒室性能，并與在干燥條件下獲得的結(jié)果進(jìn)行了比較。

3 設(shè)計(jì)方法

在這個(gè)燃燒室設(shè)計(jì)模型中，我們將燃燒室分解成多個(gè)元素。在這里，“元素”不僅僅是指實(shí)際的組件。其中一些元素是實(shí)際的組件（例如旋流器），而其他區(qū)域則用來(lái)計(jì)算必要的氣體和流動(dòng)參數(shù)。每個(gè)元素包含計(jì)算的理論、分析和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)。 滿足相應(yīng)的氣體和蒸汽特性、流量分布、冷卻流量控制、蒸汽添加修改或部件尺寸。

對(duì)設(shè)計(jì)模型的各個(gè)部分進(jìn)行了幾何計(jì)算。從總體上看，燃燒室可以從擴(kuò)散器入口傾斜到過(guò)渡管道出口。燃燒室“平均線”與發(fā)動(dòng)機(jī)軸之間假定為常數(shù)，直到出口平均半徑與高壓渦輪平均半徑相匹配為止。燃燒室?guī)缀文Ｐ陀蓴U(kuò)散器、旋流器、噴油器、一次區(qū)、二次區(qū)和稀釋區(qū)組成。擴(kuò)壓器是燃燒室系統(tǒng)中的第一個(gè)部件。擴(kuò)散器的首要任務(wù)是將進(jìn)氣馬赫數(shù)降低到燃燒器火焰穩(wěn)定的水平。確實(shí)有不同類型的擴(kuò)壓器在應(yīng)用中，如傳統(tǒng)的平壁擴(kuò)散器，轉(zhuǎn)儲(chǔ)擴(kuò)散器，和組合平壁轉(zhuǎn)儲(chǔ)擴(kuò)散器。在擴(kuò)散器設(shè)計(jì)中，擴(kuò)散過(guò)程假設(shè)是絕熱的，而不是等熵的，而壓力損失效率是決定最終構(gòu)型的關(guān)鍵因素。以前的研究表明，對(duì)于簡(jiǎn)單的配置，像扁壁擴(kuò)散器這樣的離子，這個(gè)因子與擴(kuò)壓器的半角有關(guān)，并建立了經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)計(jì)算這一點(diǎn)。當(dāng)所需的總面積比率超過(guò)最大值時(shí)，平壁擴(kuò)散器應(yīng)加一個(gè)額外的傾卸管道，以形成一個(gè)聯(lián)合擴(kuò)散器。此外分離器將擴(kuò)散管分成多個(gè)通道，擴(kuò)散器設(shè)計(jì)的目的得以實(shí)現(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：吳純杰（1984-），男，遼寧鞍山人，本科，區(qū)域經(jīng)理，研究方向：汽輪機(jī)。