燃烧室设计解析
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Lig 0.68 Lmax 20mm
Lig ——点火器的轴向安装位置（离旋流Lig器的出口距离）
Lmax ——回流区最大直径截面离旋流器出口的距离 ，且
Lmax 0.45 D f
计算结果 Lig 105.91mm2
• 6 燃料喷嘴选型 天然气燃料的使用 双燃料喷嘴
采用单路离心喷嘴和一个多孔式烧气喷嘴 并联组成一个双燃料喷嘴
研
现代燃气轮机
究
技术相对独立
背
的一个领域
景
燃烧室是燃气轮 机三大部件之一
燃烧室两种功能
• 由压气机流出的一 部分气体和燃料混 合进行燃烧，为整 个燃气轮机供应能 量；
另一部分压缩空气
与燃烧后的高温燃气 进行掺混，使其温度 降低至涡轮叶片能够 承受的燃气温度
• 燃烧室设计要求： • 1 工作可靠性要求：点火 效率 寿命 强度 温
第二部分 论文的主体结构
绪论部分 ：研究背景及意义 ；燃烧室设 计的要求和思路；燃烧室设计理论基础
三
大 部 分
设计部分：热力计算；燃烧室总体尺寸 设计；燃烧室气动设计；各主要零部件 设计。
方案后续设计：燃烧室强度计算和校核; 燃烧室选材；喷嘴选型；低排放措施；燃 烧室试验；结构图的绘制。
小型燃机应用 日渐广泛
• 7 强度校核及选材 燃烧室不是燃气轮机中主要的承力构件，主要承受的是
由于内外压差造成的应力和热应力，尤其是火焰管材料的 选择很重要。燃烧室外壳选用10#钢就满足强度要求，火 焰管选用GH3128
燃烧室外壳按照一端封闭的圆柱体结构进行强度校核，火 焰管按照圆柱体和球形结合体进行强度校核。 经校核所选材料均满足强度要求。
各位老师好！
• 任务书中预期完成任务： • 1 小型燃气轮机燃烧室热力和结构设计 • 2 绘制燃烧室结构图
汇报内容
• 1 任务书完成情况 • 2 论文主体结构 • 3 设计成果汇报 • 4 燃烧室结构图绘制 • 5 结论
第一部分
任务书完成情况
• 完成燃烧室的热力计算 • 燃烧室的结构和气动设计 • 燃烧室结构图的绘制
度场
• 2 经济性能要求：燃烧完全 流阻小 • 3 维护保养方面要求：便于维修 拆装
第三部分 设计成果综述
已知设计参数
• 结构尺寸设计部分
• 燃烧室总体布置方案：
单个筒形燃烧室，垂直 布置方案，火焰管内外 气流流动形式为逆流 （原因） • 热力计算结果： 总空气过量系数 α=3.92 天然气质量流 量Gf=0.2799kg/s
火焰管除去头部，火 焰管圆柱段长度是 0.733m。管身上会加 工出各种进气孔且均 为平流孔。火焰管管 身采用双层壁多孔式 气膜冷却结构，在火 焰管管身均匀分布直 径5mm小孔。
L2 L1
主
主
补
燃
燃
燃
孔
孔
孔
一
二
L3 L4
L5
掺
掺
混
混
孔
孔
一
二
A
A
A-A向视图
多孔式气膜冷却结构
类型 主燃孔 补燃孔 掺混孔 气膜冷却小
• 燃烧室尺寸设计结果：
1. 总体 燃烧室外壳直径Dw=0.42m 总长度Lc=1.08m
2 . 火焰管尺寸 火焰管圆柱段横截面积Af=0.06521m2 火焰管管身直径Df=0.2821m（设计参照） 火焰管长度Lf=3.1Df 火焰管头部设计为半球形，长度为0.5Df
燃烧室总体尺寸计算结果
• 气体流量分配 设计部分
三道气膜冷却结构位置确定：
Lt1=0.040m
Lt2=0.080m
Lt3=0.120m
每段斑孔氏气膜冷却机构中环 形结构开口位置，经计算每段 圆环均宽度并考虑加工工艺均 可以取3mm 头部空气过量系数αt=0.45, 空气质量流量 G1=1.914kg/s,11.5%
Lt3 Lt2 Lt1
• 2 火焰管管身设计
空气流量分配原则
• 一次空气：头部+旋流器+射流孔 主燃区 增效 自动调节空气量
一次空气量的空气过量系数约为2~2.2。其 中由旋流器的空气过量系数为0.25~0.35， 主燃孔约为0.75，其余皆通过补燃孔进入 “主燃区”
• 冷却空气量 初步设计的冷却空气量占总空气量的
30~40%，无法精确地计算出冷却空气量， 一般通过经验公式初步确定：
轴向距离
符号
（m） 流量（kg/s）
Gs
0
1.062
G11 0.0403
0.638
G12 0.0806
0.638
G13 0.1209
0.638
第一排主燃孔 第二排主燃孔
G p1 0.1975 G p2 0.2821
1.593 1.593
补燃孔
Gb 0.4232
第一排掺混孔
Gd1 0.5642
第二排掺混孔 火焰管气膜冷却空气量
• 8 燃烧室低污染排放内容的研究
NOx的产生机理 针对性的防污措施
a.改进燃烧管理，如采用高空燃比燃烧，选用含氮量少的 燃料，空气预热适中，烟气循环，喷水等
Gd2 0.0160 （Baidu Nhomakorabea）
Gg
管身均匀 分布
注：第二排掺混孔的轴向参考距离是火焰管出口截面
4.247 1.084 1.084 3.330
主要零部件的设计
• 1 火焰管头部设计
半球形，采用三道斑孔氏气膜冷却结构，每道 孔开76个6mm的小孔，β为60度，气膜长度是 45mm。
do
β e
h θ
l’
孔
孔直径 36mm 48mm 18mm 5mm
开孔数目
8 双排 8 单排 8 双排 管身均匀分
布
• 3 旋流器设计
逆流
A
径流式旋流器
d1 D
A
b αs
ds
A-A向视图
.
叶片安装角 sw 90 ;
旋流器内径 d1 0.4 ~ 0.425; Df
旋流器内径和外径之比为0.7；
旋流器叶片火焰管入口直径 ds 0.36 ~ 0.4
Gc 5.14 0.868Afs 106 kg s
其中头部气膜冷却空气量占总冷却空气量的1/3 左右，其余的用作管身冷却
掺混空气量
• 出去一次空气和气膜冷却空气量，剩余的 就是用于掺混的空气，掺混空气由两排掺 混孔进入火焰管。（空气流量分配结果）
进气孔 旋流器
第一排头部冷却孔 第二排头部冷却孔 第三排头部冷却孔
旋流器叶片数n=8;
Df
旋流器叶片喉部宽度
b
d1
s
in
180 n
2
c
os
360 n
旋流器通流面积 As
4
D2 d 2
旋流器叶片长度 h As nb
• 4 火焰导管设计
Lt
Am Af 扩张段
Lx 收敛段
按照等速度梯度计算后得到收 敛段截面变化规律为
At
Ax
Am Lt Lx Lt
• 5 点火装置 采用半导体高能点火喷嘴，点火位置确定
Lig ——点火器的轴向安装位置（离旋流Lig器的出口距离）
Lmax ——回流区最大直径截面离旋流器出口的距离 ，且
Lmax 0.45 D f
计算结果 Lig 105.91mm2
• 6 燃料喷嘴选型 天然气燃料的使用 双燃料喷嘴
采用单路离心喷嘴和一个多孔式烧气喷嘴 并联组成一个双燃料喷嘴
研
现代燃气轮机
究
技术相对独立
背
的一个领域
景
燃烧室是燃气轮 机三大部件之一
燃烧室两种功能
• 由压气机流出的一 部分气体和燃料混 合进行燃烧，为整 个燃气轮机供应能 量；
另一部分压缩空气
与燃烧后的高温燃气 进行掺混，使其温度 降低至涡轮叶片能够 承受的燃气温度
• 燃烧室设计要求： • 1 工作可靠性要求：点火 效率 寿命 强度 温
第二部分 论文的主体结构
绪论部分 ：研究背景及意义 ；燃烧室设 计的要求和思路；燃烧室设计理论基础
三
大 部 分
设计部分：热力计算；燃烧室总体尺寸 设计；燃烧室气动设计；各主要零部件 设计。
方案后续设计：燃烧室强度计算和校核; 燃烧室选材；喷嘴选型；低排放措施；燃 烧室试验；结构图的绘制。
小型燃机应用 日渐广泛
• 7 强度校核及选材 燃烧室不是燃气轮机中主要的承力构件，主要承受的是
由于内外压差造成的应力和热应力，尤其是火焰管材料的 选择很重要。燃烧室外壳选用10#钢就满足强度要求，火 焰管选用GH3128
燃烧室外壳按照一端封闭的圆柱体结构进行强度校核，火 焰管按照圆柱体和球形结合体进行强度校核。 经校核所选材料均满足强度要求。
各位老师好！
• 任务书中预期完成任务： • 1 小型燃气轮机燃烧室热力和结构设计 • 2 绘制燃烧室结构图
汇报内容
• 1 任务书完成情况 • 2 论文主体结构 • 3 设计成果汇报 • 4 燃烧室结构图绘制 • 5 结论
第一部分
任务书完成情况
• 完成燃烧室的热力计算 • 燃烧室的结构和气动设计 • 燃烧室结构图的绘制
度场
• 2 经济性能要求：燃烧完全 流阻小 • 3 维护保养方面要求：便于维修 拆装
第三部分 设计成果综述
已知设计参数
• 结构尺寸设计部分
• 燃烧室总体布置方案：
单个筒形燃烧室，垂直 布置方案，火焰管内外 气流流动形式为逆流 （原因） • 热力计算结果： 总空气过量系数 α=3.92 天然气质量流 量Gf=0.2799kg/s
火焰管除去头部，火 焰管圆柱段长度是 0.733m。管身上会加 工出各种进气孔且均 为平流孔。火焰管管 身采用双层壁多孔式 气膜冷却结构，在火 焰管管身均匀分布直 径5mm小孔。
L2 L1
主
主
补
燃
燃
燃
孔
孔
孔
一
二
L3 L4
L5
掺
掺
混
混
孔
孔
一
二
A
A
A-A向视图
多孔式气膜冷却结构
类型 主燃孔 补燃孔 掺混孔 气膜冷却小
• 燃烧室尺寸设计结果：
1. 总体 燃烧室外壳直径Dw=0.42m 总长度Lc=1.08m
2 . 火焰管尺寸 火焰管圆柱段横截面积Af=0.06521m2 火焰管管身直径Df=0.2821m（设计参照） 火焰管长度Lf=3.1Df 火焰管头部设计为半球形，长度为0.5Df
燃烧室总体尺寸计算结果
• 气体流量分配 设计部分
三道气膜冷却结构位置确定：
Lt1=0.040m
Lt2=0.080m
Lt3=0.120m
每段斑孔氏气膜冷却机构中环 形结构开口位置，经计算每段 圆环均宽度并考虑加工工艺均 可以取3mm 头部空气过量系数αt=0.45, 空气质量流量 G1=1.914kg/s,11.5%
Lt3 Lt2 Lt1
• 2 火焰管管身设计
空气流量分配原则
• 一次空气：头部+旋流器+射流孔 主燃区 增效 自动调节空气量
一次空气量的空气过量系数约为2~2.2。其 中由旋流器的空气过量系数为0.25~0.35， 主燃孔约为0.75，其余皆通过补燃孔进入 “主燃区”
• 冷却空气量 初步设计的冷却空气量占总空气量的
30~40%，无法精确地计算出冷却空气量， 一般通过经验公式初步确定：
轴向距离
符号
（m） 流量（kg/s）
Gs
0
1.062
G11 0.0403
0.638
G12 0.0806
0.638
G13 0.1209
0.638
第一排主燃孔 第二排主燃孔
G p1 0.1975 G p2 0.2821
1.593 1.593
补燃孔
Gb 0.4232
第一排掺混孔
Gd1 0.5642
第二排掺混孔 火焰管气膜冷却空气量
• 8 燃烧室低污染排放内容的研究
NOx的产生机理 针对性的防污措施
a.改进燃烧管理，如采用高空燃比燃烧，选用含氮量少的 燃料，空气预热适中，烟气循环，喷水等
Gd2 0.0160 （Baidu Nhomakorabea）
Gg
管身均匀 分布
注：第二排掺混孔的轴向参考距离是火焰管出口截面
4.247 1.084 1.084 3.330
主要零部件的设计
• 1 火焰管头部设计
半球形，采用三道斑孔氏气膜冷却结构，每道 孔开76个6mm的小孔，β为60度，气膜长度是 45mm。
do
β e
h θ
l’
孔
孔直径 36mm 48mm 18mm 5mm
开孔数目
8 双排 8 单排 8 双排 管身均匀分
布
• 3 旋流器设计
逆流
A
径流式旋流器
d1 D
A
b αs
ds
A-A向视图
.
叶片安装角 sw 90 ;
旋流器内径 d1 0.4 ~ 0.425; Df
旋流器内径和外径之比为0.7；
旋流器叶片火焰管入口直径 ds 0.36 ~ 0.4
Gc 5.14 0.868Afs 106 kg s
其中头部气膜冷却空气量占总冷却空气量的1/3 左右，其余的用作管身冷却
掺混空气量
• 出去一次空气和气膜冷却空气量，剩余的 就是用于掺混的空气，掺混空气由两排掺 混孔进入火焰管。（空气流量分配结果）
进气孔 旋流器
第一排头部冷却孔 第二排头部冷却孔 第三排头部冷却孔
旋流器叶片数n=8;
Df
旋流器叶片喉部宽度
b
d1
s
in
180 n
2
c
os
360 n
旋流器通流面积 As
4
D2 d 2
旋流器叶片长度 h As nb
• 4 火焰导管设计
Lt
Am Af 扩张段
Lx 收敛段
按照等速度梯度计算后得到收 敛段截面变化规律为
At
Ax
Am Lt Lx Lt
• 5 点火装置 采用半导体高能点火喷嘴，点火位置确定