燃烧室工作环境的评估

文摘

为了评估的剩余生活燃气轮机关键组件,它是至关重要的准确定义气体热力学工作环境和服务的历史。作为一个主要的多学科合作项目的一部分,一个基准建模在实际燃气轮机燃烧室进行了成功,和两阶段,稳定,动荡,可压缩,反应流场在克鲁斯和起飞。结果表明燃烧室内部复杂的流动特性。燃烧室的气流每个流元素或衬管不是均匀分布的,相当大的变化,±25%,平均值,是观察。更重要的是要注意,在燃烧室的温度和冷却可以摆动条显著不同,这可以极大地影响发动机关键部件的疲劳寿命。目前的研究表明,开发一个适当的气动热力学工具,有必要进行进一步的系统研究,包括数值结果验证,模拟典型的引擎操作条件,开发简单的引擎操作条件之间的相关性和组件工作环境。作为一个终极目标,燃气涡轮发动机机队管理的成本和时间必须显著降低。

1。动机

它是一种很有前途的方法来评估的剩余生活燃气轮机关键组件,基于他们的服务历史(飞行操作条件和传感器读数),通过应用气动热力学、结构和材料分析模型。它是一致的状态维修(CBM)的燃气涡轮发动机,也就是说,将执行维护操作只有当他们是必需的。因此,发动机的保养/维修费用舰队可以减少,发动机的操作可以更可靠,可以延长使用寿命。这种方法已被研究人员从不同的学科研究在一个主要合作项目(1]。

子是一个aero-thermodynamics模型的发展。模型将提供更实际的温度分布和压力或负荷安全/成本从发动机关键部件操作条件和传感器读数。此外,它还将提供一个环境评估当前的和增强传感器套件和退化的预测操作穿/损坏或控制变化。所需的热流动信息、结构和材料分析可以执行,和其余的生活引擎组件可以评估与信心。

技术的发展,选择一种实用的燃气轮机燃烧室作为一个研究案例。燃气轮机燃烧器暴露在高温、高压和高动态负载环境,偶尔和失败发生在操作。周围的流动参数和燃烧室内部有很大的波动,导致相当不均匀结构的压力。增加局部金属温度和热梯度既能降低燃烧室疲劳寿命。更高的温度降低了材料的疲劳强度,而更大的偏移,导致更高的压力梯度增加了压力。因此,对于可靠的结构,材料和生命分析、燃烧室的工作环境的准确定义被认为是必要的。

由于恶劣的条件,实验测量发动机内部是极其困难的。的另一种选择是使用验证了计算流体动力学(CFD)方法来记录典型操作条件,然后将这些详细的数值结果与发动机操作条件和传感器读数,形成半经验模型。这些模型可以用于引擎组件寿命分析或煤层气发动机机队管理必不可少的组成部分。

本文涵盖了高保真的CFD模型燃气轮机燃烧室,燃烧室内部复杂流场,在燃烧室温度和压力分布以及适应症或建议可以从当前的研究。

2。燃烧室的热流体动力学建模

2.1。高保真的CFD模型燃烧室

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。

2.2。在GTL燃料喷雾测量高压喷射钻井平台

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。

2.3。Mesh-Independent研究和燃烧室网

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。

2.4。燃烧室的流场

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。

2.5。燃烧室的工作环境

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。

3所示。结论和未来的工作

能够降低燃气轮机车队管理的成本,延长服务时间,并执行维护操作只有当它们是必需的,这是至关重要的,提供可靠的发动机关键部件aero-thermodynamic负载。

作为发展的第一阶段一个aero-thermodynamics模型,实际燃气轮机燃烧室的基准模型成功地进行,和两阶段,稳定,动荡,可压缩,反应流场的克鲁斯和起飞条件。燃烧室内部的复杂流动特性。更重要的是,目前的研究表明,气流每个衬管流设备不是均匀分布的,和平均值±25%的变化。这些发现表明,燃烧室耦合仿真应该执行。

详细的3 d在燃烧室温度和压力分布可以在引擎和wiggle-strip元素克鲁斯和起飞条件可用于结构,材料,和生活的分析。预计的关键或代表区域和/或参数会被识别为一个简单的aero-thermodynamics模型的发展,可以关联引擎操作条件/传感器读数与发动机关键部件的工作环境。

目前的研究也表明,有必要进行进一步的系统研究,以开发一个足够aero-thermodynamics模型。正在进行的和未来的活动应该包括数值结果的验证,模拟典型的引擎操作条件,开发简单的引擎操作条件之间的相关性和组件工作环境。

确认

作者感谢国防部门和加拿大军队,以及国家研究委员会燃气轮机实验室资助和支持这一合作研究项目。技术部门和项目经理DND NRC,肯·麦克雷先生和杰夫鸟,分别是感激地承认。

引用

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