燃烧室设计

do
β
h θ
e
l’
Lt3
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%


旋流器叶片长度 h A s nb
• 4 火焰导管设计
按照等速度梯度计算后得到收 敛段截面变化规律为
Lt
Am
Af At Lx 扩张段 收敛段
Ax
Am Lt L x Lt
• 5 点火装置 采用半导体高能点火喷嘴，点火位置确定
L ig 0 . 68 L max 20 mm
G 11
G 12
G 13
0.638
1.593 1.593
G
p1
G p2
Gb
4.247
1.084
G d1
Gd2
Gg
1.084
3.330
火焰管气膜冷却空气量
注：第二排掺混孔的轴向参考距离是火焰管出口截面
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。
• 4 对燃烧室而言，重要的零部件如旋流器，冷却 和掺混机构，喷嘴等对燃烧室意义颇大，在设计 中应该重视； • 5燃烧室试验是燃烧室设计不可或缺的一部分内容， 燃烧室的设计定型主要是依靠试验手段获得的。 必须通过大量的试验，对初步设计内容做不断的 修改，才可能得到性能良好的燃烧室； • 6 现代燃气轮机的不断发展离不开先进的燃烧技 术，但是目前燃烧理论还很不成熟，对燃烧室设 计而言是个很大的障碍。
•
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 b.采用新的燃烧技术和装置，如浓淡燃烧，二级或者多级 燃烧，分割火焰燃烧，预混预蒸发燃烧，变几何燃烧装 置，催化燃烧室等。
• 9 燃烧室试验研究 试验的必要性：理论不成熟 调整手段 试验的方法：试验 测定参数不断改进 试验需要测定的参数：
L ig
L ——点火器的轴向安装位置（离旋流器的出口距离）
ig
L max ——回流区最大直径截面离旋流器出口的距离 ，且
L max 0 . 45 D
f
计算结果 L ig 105 . 91 mm
2
• 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
燃烧室总体尺寸计算结果
• 气体流量分配
设计部分
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：
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
研 究 背 景
现代燃气轮机 技术相对独立 的一个领域
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 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
符号
Gs
轴向距离 （m） 流量（kg/s） 0 0.0403 0.0806 0.1209 0.1975 0.2821 0.4232 0.5642 0.0160 （注） 管身均匀 分布
1.062 0.638 0.638
第一排头部冷却孔 第二排头部冷却孔 第三排头部冷却孔 第一排主燃孔 第二排主燃孔 补燃孔 第一排掺混孔 第二排掺混孔
b
b
Q Af
变工况性能 点火特性
出口温度场 排气污染成分
火焰管壁面温度
第四部分 燃烧室结构图展示
旋流器
火焰管头部
射流孔布置结构
火焰管壁面气膜冷却结构
火焰管管身结构
火焰管装配图 （无旋流器）
火焰管装配图（带有旋流器）
第五部分 结论
• 1 燃烧室设计的根本原则是如何组织流场， 使空气和燃料能够在有限的空间内有效的 燃烧； • 2 设计过程中的难点和重点是空气的流量的 分配，但是目前还没有成熟的理论用于分 配空气量，主要还是应用经验公式和统计 数据； • 3 筒形燃烧室结构虽然简单，但是要获得性 能良好的燃烧室仍不是易事；
• 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。
Lt2 Lt1
• 2 火焰管管身设计 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
L5
主 燃 孔 一
主 燃 孔 二
补 燃 孔
掺 混 孔 一
掺 混 孔 二
L3 L4
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
孔直径 36mm 48mm 18mm
开孔数目 8 双排 8 单排 8 双排
气膜冷却小 孔
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5mm
管身均匀分 布
• 3 旋流器设计 逆流 径流式旋流器
d1 D
A αs
b
ds
A
A-A向视图
叶片安装角 sw 90
.
;
旋流器内径
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
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
•
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
The end！ 谢谢各位老师，学 生的不足请老师指正
G c 5 . 14 0 . 868 A fs 10
6
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
d1 D
f
0 . 4 ~ 0 . 425 ;
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
旋流器叶片数n=8;
ds D
f
0 . 36 ~ 0 . 4
2
180 旋流器叶片喉部宽度 b d 1 sin n D 2 d 2 As 旋流器通流面积 4

360 cos n