图 1演示了一个60度燃气轮机燃烧室的部门。燃烧是can-annular设计六罐和一个环形送风室( 2]。压缩空气进入环形室通过狭窄环,减慢扩散器,然后流经进入燃烧室可以通过空中管理漏洞或衬管和冷却带着。内,从燃油喷嘴燃油液滴蒸发,与空气混合,然后燃烧。继续与空气反应混合物,下游冷却,最终到达气冷式喷嘴导叶片(生物质)。目前阶段的工作,不包括NGV CFD模型。

对于传统的燃气轮机燃烧器的数值模拟,计算域是有限的燃烧室衬套内的流场,即班轮内部和外部流场是解耦的。airflow-splitting在燃烧室衬估计基于半经验流量系数相关性( 3, 4)和假设流量均匀分布在每个衬管气流装置(一排孔,一个摆动,等等)。在目前的研究中,衬管内部和外部流场模拟的同时,也就是说,他们是直接耦合。

两个引擎操作条件,起飞和高度巡航( 2),被认为是在目前的研究和流动参数为单个表中列出 1。

燃烧室的温度场是由主要的燃料分配和安排,冷却和稀释空气( 5]。因此,必须有适当的燃油喷雾参数,以准确预测燃烧室流场。GTL燃料喷雾特性测量(燃气轮机实验室)高压喷射钻井平台(HPSR)和一个相位多普勒粒子分析仪(PDPA),如图 2在发动机巡航和起飞条件。图 3给燃料喷雾的照片在一个气箱的圆顶部分燃烧室。

喷雾测量期间,空气和燃料流量保持一样的飞行条件下,HPSR和压力调整与飞行的空气密度。测量参数包括径向分布的轴向、切向、径向速度、液滴尺寸以及燃料流量。所有这些结果作为初始条件的燃料喷雾的预测燃烧室热字段。

由于实际燃气轮机燃烧器的几何复杂性,很难完全满足mesh-independence需求。研究人员,如 6),指出燃气轮机燃烧室模拟需要4.1亿个细胞为了宣称网格独立性。这是可以理解的,例如,如果沿着弯曲的汇总涡旋射流和马蹄和整车的结构为一个错流射流( 7在数值模拟)必须妥善解决,所需的网格大小可能比4.1亿年更大的细胞。因此,最好的方法来检查网格独立性检验如果目标或需要保持mesh-independent模拟流动参数。

如前所述,这个工作的主要目的是获得准确的温度和压力分布在燃烧室。由于燃烧室的空气分布可以直接决定了燃烧室性能和金属壁温,mesh-independence班轮气流设备有关的问题(孔和摆动带)之前,首先研究了啮合整个60度。细节,请参考 8, 9]。

在整个啮合几何,36 - 84表面元素被用于中型和大型班轮气流孔。小洞,如溅洞在圆顶旋流器板和冷却挡板(图 1),大约30表面生成的元素。这些安排,空气分布的面积加权数值不确定性衬还不到2%。

整个燃烧室模拟、摆动地带取代一个等效槽使相同的质量流率的wiggle-strip类似流条件。为目的的结构/材料/生命分析摆动,一个摆动片元素的流场与边界条件获得解决整个燃烧室模拟的结果。

几个创建网格和初步测试运行进行提高数值模拟的质量。最后,与1330万细胞用于网格模拟。图 4说明了网格的60度环形室(上)与燃烧室(底部)。是努力尽可能生成六面体的细胞。好节点排列在黑洞附近,冷却槽,挡板,地区,圆顶旋流器,圆顶部分。无量纲墙边界参数,y +,燃烧器可以墙壁不同~ 20 ~ 250。

大量的数据可用来揭示复杂的流动特性和物理现象在燃烧室( 8]。只有一些结果的巡航条件这里介绍。流特性在起飞巡航类似。数据 5- - - - - - 7显示速度矢量和轮廓的马赫数和温度在60度的中间纵向平面燃烧室的部门。数据,厚厚的黑色线条的直通式表面燃烧器可以和燃料喷嘴,和维度和流参数通过他们的代表值归一化。

如上面所示的图 5、压缩空气流入环形室通过一个狭窄的入口,减缓扩散器,然后进入可以通过溅圆顶洞在圆顶的墙上。结果,两个大再循环区形成立即旋流器下游的圆顶,和较低的形状扭曲点火器(图 1)。这些漩涡流用于启动和锚火焰在燃烧室(图 7),同时冷却球形封头墙。下游,空气流经冷却槽中燃烧,和增加流速逐渐向可以退出,如上下两块图所示 5。另一个内循环区也观察到相邻的两个圆顶循环区域。环形腔,由于几何堵塞,强旋转流发现上游的穹顶,和温和的紊流区观察到在上面的死流地区也可以退出部分。

马赫数轮廓在本节给出图 6。在燃烧室的主要区域(下游的圆顶旋流器),马赫数或流速较低。这给了足够的时间燃油液滴蒸发、混合和燃烧与空气,为火焰稳定提供良好的环境。内马赫数可以逐渐增加下游的圆顶部分和达到一个高价值的~ 0.28可以退出。在图 6,最大马赫数0.32中观察到扩散器由于窄流道(图 1)。如图 7是温度的内外轮廓。如图 5和 6,流场不对称的,即使在燃烧室的上游地区。高温区域从穹顶旋流器和延伸到中间可以最多~ 1。这符合燃气轮机燃烧室设计标准( 5),也就是说,高温区域应位于主系统和辅助区。低温地区中心立即旋流器下游的圆顶是燃料喷雾的引入流场。

图 8显示速度矢量和马赫数的情节,人物 9说明了在圆顶旋流器截面温度分布。这部分穿过圆顶部分,包括旋流器盘子,溅洞,可以衬壁,在厚厚的白线表示数据 8和 9。有八个旋流器为每个溅板5洞,和只有一个孔板的数据所示。如图 8溅,空气进入圆顶通过小洞,形成回旋流在燃烧室轴向平面垂直于轴。指的是两个旋转区域内可以观察到在纵断面图 5据悉,形成一环状涡立即旋流器下游的圆顶。由于几何变化、高马赫数的环形腔的内部区域。最高温度在本节(图 9)是接近整个流场(图 7),如图 12,这可能导致缺陷和裂纹在圆顶旋流器( 8]。

流特征截面的第二主洞给出数据 10和 11。空气进入燃烧室可以通过3孔,两个大的和两个介质旋转区域内观察到。重要的是要注意,虽然三个空气入口孔的大小是一样的,气流速度差别很大,如图 10。这也观察到在其他班轮空气入口截面(洞和摆动条),和气流速度的偏差可以高达±25%。

预计流等流动参数和衬管温度分布可以大大不同于那些甚至气流分布在每个冷却装置在传统解耦燃烧室模拟如前所述。因此,燃烧室性能和寿命评估的准确性会大大受到影响。这个观察强烈表明,燃烧室模拟流场内部和外部的衬垫应耦合,以避免潜在的预测错误。在这个主区部分,温度最高的燃烧室流场,如图 11。这是由于燃烧过程主要发生在这个区域。在数据 10和 11冷却挡板,显示溅四个小洞,和它的冷却效果可以在图中找到 11。

数据 12和 13目前的3 d在燃烧室温度和绝对静压分布可以在巡航条件和燃料喷嘴。的最高温度出现在左下角可以退出。它到达~ 0.50,低于但接近许用温度Hastelloy X合金。如图 12,燃烧室温度变化很大,这可能会导致相当不均匀结构的压力。如前所述,增加局部金属温度和热梯度既能降低燃烧室疲劳寿命。因此,对于可靠的结构,材料,和生命分析、可靠的发动机零件工作环境被认为是必需的。

可以墙的压力分布相当均匀,显示在图 13。当前燃烧室的情况下,衬套的内外压差小,因此对燃烧室的压力影响的生活可能是与温度相比微不足道。详细的温度分布如图wiggle-strip元素 14巡航。最高温度达到~ 0.288。

这些详细的3 d在燃烧室温度和压力分布和wiggle-strip元素将用于结构,材料和生命分析的燃烧室。预计的关键或代表区域和/或参数的生活分析将确定,这可能帮助一个简单的aero-thermodynamics模型的发展。这个模型应该能够关联引擎操作条件/传感器读数与发动机关键部件的工作环境。