第3卷第2期
2004 年6 月
热科学与技术
Jo urnal of Therm al Science and Tec hno lo gy
Vol.3No.2
Ju n
.
2004
文章编号: 1671-8097(2004)02-0139-04
收稿日期: 2003-12-10; 修回日期: 20 04-05-10.
作者简介: 冀春俊(1962-), 男, 副教授, 博士.
燃气轮机燃烧室内部流场的冷态模拟与优化设计
冀春俊, 徐世泊
( 大连理工大学 动力工程系, 辽宁 大连 116024 )
摘要:
利用流体分析软件 ST A R -C D 对一个燃气轮机燃烧室的内部流场完整真实的几何结构进行了三维的
冷态模拟;得出其内部的流场分布,对其加以分析,找出原设计中存在的问题,并加以改进,得出更加合理的流
场分布, 从而指导燃烧室的结构设计。改进后的数值模拟结果表明,改进措施的效果是十分明显的,所建立的
流动分析系统为燃气轮机燃烧室的优化设计提供了强有力的计算分析工具。
关键词: 燃烧室; 三维流动; 模拟; 优化设计
中图分类号: V 235.113 文献标识码
:A
0
前 言
燃 烧室是燃气轮机装置的三大部件之一。其
出口参数直接决定了涡轮的进口参数,燃烧室的
工作情况也直接影响着整台机组的性能参数
[1]
。
因此,不断改善燃烧室的设计,提高其性能参数是
十分必要的。燃烧室内部的流场形式,对燃烧室的
性能参数又是起决定作用的
[2 ]
。通过对燃烧室内
部流场的控制,可以实现提高燃烧效率和减小压
力损失等目的。燃烧室火焰管头部的气流组织,对
形成燃烧区所需要的混合气以及混合气的点燃和
稳定燃烧都有很大关系
[3]
。此外,通过控制火焰管
头部的气体流动,还可以控制燃烧反应的最高温
度,抑制 N O
x
的生成量,从而达到低污染排放的
目的。火焰管后段的气流组织则影响燃烧室出口
的温度场和流场。
目前,在燃烧室内部流场的数值模拟方面,人
们做了大量的工作。然而由于计算条件等方面的
限制,在以往的计算过程中,人们通常是进行了一
些几何形状上的简化,或对称性、周期性等方面的
假设,以达到简化计算模型,减小计算量,缩短计
算时间的目的。但是在燃烧室内部的真实流场中,
由于输油管、点火装置和旋流叶片等部件的存在,
流动并不完全满足对称性和周期性;先前进行的
简化和假设,计算分析结果的准确性难以保证,在
工程实际上的应用受到了限制。近年来,随着高性
能计算机的出现以及计算流体力学等方面的发
展,几何上更加真实,物理上更加精确的数值模拟
正在逐步成为可能。
本文从工程实际出发,利用流体分析软件
ST A R -CD 对一个燃气轮机燃烧室的内部流场完
整真实的几何结构进行三维的冷态模拟,得出其
内部的流场分布,对其加以分析,并对局部结构进
行改进,从而指导燃烧室的结构设计。新的计算结
果表明,这种结构上的优化,对更好的组织燃烧室
内部的流动,效果是十分明显的。对燃烧室进行燃
油喷射、雾化、燃烧和换热等方面的计算工作目前
已进行了前期研究工作。在改进结构设计,确定好
设计方案之后,再完成这些模型的完善工作,将可
能得到燃烧室内部流场的全三维数值模拟结果。
1
三维几何模型的建立
本 次计算,在几何建模的过程中采用的是目
前比较流行的大型 C A D 软件包 Pro/E ngineer
[4]
。
在建模过程中,根据燃烧室初步设计后提供的平
面设计图纸,生成燃烧室的三维几何模型,然后以
外壁为轮廓画一个封闭的实体,再从中切除掉燃
烧室火焰筒的实体部分,从而得到内部流体的真
实的三维几何形状,其外观效果如图 1 所示,透视
效果如图 2 所示。从上述几何模型的建立过程来
看,本次计算也是对燃烧室流场真实几何形状的
三维模拟,由于几何模型与实体几乎没有差别,保