蒸汽對氣輪機燃燒室設計和性能的影響

摘 要：在燃燒器設計過程中應考慮到蒸汽影響燃燒室內的燃燒過程這一點。燃燒器的設計一直是最具挑戰(zhàn)性的過程。對燃氣輪機性能與燃燒室設計相結合進行了研究，并制定了考慮蒸汽加入量的單個環(huán)形燃燒室的詳細程序。該設計模型可以提供燃燒室的幾何形狀和燃燒室的性能。將模型預測與運行和配置數據進行比較。在驗證了燃燒室設計規(guī)范可行性的基礎上，研究了燃燒室設計規(guī)范的可行性以及蒸汽加入對燃燒室性能的影響。結果表明，注汽是降低燃燒器溫度的一種有效方法，而其他性能指標如總壓差則是較低的。

關鍵詞：燃氣輪機燃燒室;蒸汽加成;初步燃燒室設計;性能

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

1 簡介

目前，通過化石燃料（如石油基液體燃料）的燃燒，滿足了運輸和能源的全球需求。因此，飛機發(fā)動機的設計排放是越來越重要的缺點 。在不同類型的排放中，氮氧化物是一次空氣與光化學煙霧、酸雨和地面對流層臭氧有關的污染物。例如飛機在機場起飛的情況，人們越來越關注飛機電磁干擾的影響。就機場附近的當地空氣質量而言，發(fā)動機制造商需要開發(fā)更環(huán)保的技術，以有效地應用于機場，減少了燃燒排放。

在飛機發(fā)動機的減排技術中，由于以下原因，蒸汽或注水在實施條件下減少氮氧化物排放的方法越來越流行。 研究表明，技術風險低，成本低。了解蒸汽添加對燃料燃燒和NOx排放的影響。飛機的初步性能包括系統(tǒng)設計、發(fā)動機性能、維護以及在起飛時在飛機上使用這項技術，所涉及的費用問題在美國宇航局格倫研究中心進行。

2 模型測試和驗證

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口溫度低。此外，所做的大量數值研究結果表明，在未來的發(fā)電廠中應用蒸汽注水方案可以有效地提高效率。污染和運營成本以及改善性能。氧化燃氣輪機與注汽燃氣輪機循環(huán)的集成及研究影響這一周期的總體表現和關鍵變量。計算結果表明，燃燒室出口溫度和壓氣機壓力，渦輪循環(huán)和部分氧化溫度對循環(huán)效率和輸出有明顯的影響。與其他簡單循環(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。研究表明燃氣輪機循環(huán)飽和蒸汽使總破壞率下降。

通常，對于目前所有的排放預測模型，基于相關的模型從簡單的到復雜的高保真模擬，基本燃燒室尺寸的確定是一個先決條件。燃燒室設計，包括空氣動力學、材料科學、燃燒、機械設計和生產工程等許多學科，被認為是最具挑戰(zhàn)性的學科之一。燃氣輪機發(fā)動機發(fā)展概況。幾十年來，世界各地的科學和工業(yè)研究都收集了許多實驗數據和分析結果。

然而，經驗和分析方法仍然是目前燃氣輪機燃燒室設計中應用最廣泛的工具。建立一份廣泛的經驗性清單，用于燃燒室設計的分析工具。說明了設計公式背后的假設以及它們的有效性范圍，收集了設計燃燒室設計程序的方法。在現代燃氣輪機燃燒室中，壓縮機出口溫度始終高于800 K（水的臨界溫度為647.5K）。因此，將水注入低壓壓縮機中時，在燃燒器的前面注入水。這無疑會導致物理和化學過程變得更多，因此，在初步設計階段應該考慮到這一點，以降低開發(fā)成本和與引擎設計相關的業(yè)務風險。本研究在概念設計階段研究了蒸汽加入對燃燒室設計和性能的影響。首先，環(huán)形燃氣輪機的初步設計過程存儲已建立。根據設計點要求和運行條件，使用兩個代表性環(huán)形燃燒室驗證該模型。本設計方案。還將使設計人員能夠對幾個關鍵參數進行微調，并及時檢查其對燃燒器尺寸和性能的影響。接下來，固定操作條件，燃燒器是在考慮蒸汽添加技術的同時重新設計。最后，計算了蒸汽噴射的燃燒室性能，并與在干燥條件下獲得的結果進行了比較。

3 設計方法

在這個燃燒室設計模型中，我們將燃燒室分解成多個元素。在這里，“元素”不僅僅是指實際的組件。其中一些元素是實際的組件（例如旋流器），而其他區(qū)域則用來計算必要的氣體和流動參數。每個元素包含計算的理論、分析和實驗關聯(lián)。 滿足相應的氣體和蒸汽特性、流量分布、冷卻流量控制、蒸汽添加修改或部件尺寸。

對設計模型的各個部分進行了幾何計算。從總體上看，燃燒室可以從擴散器入口傾斜到過渡管道出口。燃燒室“平均線”與發(fā)動機軸之間假定為常數，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散器、旋流器、噴油器、一次區(qū)、二次區(qū)和稀釋區(qū)組成。擴壓器是燃燒室系統(tǒng)中的第一個部件。擴散器的首要任務是將進氣馬赫數降低到燃燒器火焰穩(wěn)定的水平。確實有不同類型的擴壓器在應用中，如傳統(tǒng)的平壁擴散器，轉儲擴散器，和組合平壁轉儲擴散器。在擴散器設計中，擴散過程假設是絕熱的，而不是等熵的，而壓力損失效率是決定最終構型的關鍵因素。以前的研究表明，對于簡單的配置，像扁壁擴散器這樣的離子，這個因子與擴壓器的半角有關，并建立了經驗關系來計算這一點。當所需的總面積比率超過最大值時，平壁擴散器應加一個額外的傾卸管道，以形成一個聯(lián)合擴散器。此外分離器將擴散管分成多個通道，擴散器設計的目的得以實現。

作者簡介：吳純杰（1984-），男，遼寧鞍山人，本科，區(qū)域經理，研究方向：汽輪機。