1、 毕业设计年 月 日某重型燃气轮机燃烧室两相流行为的设计方案所属学院 航空装备维修工程学院 专 业 发动机维修 班 级 发动机 1204 班 学 号 56# 姓 名 牛雪松 指导老师 高啊莎 长沙航空职业技术学院毕业设计 诚信声明0诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名： 牛雪松年 月 日长沙航空职业技术学院毕业设计 目 录1目 录摘要 .31.1 重型燃气轮机工作原理 .41.2
2、重型燃气轮机燃烧室 .41.2.1 燃烧室结构 .41.2.2 燃烧室类型及优缺点 .51.2.3 对燃烧室的要求 .61.2.4 燃烧室的工作特点 .71.3 燃烧室的工作过程 .71.4 燃烧室的特性 .81.5 燃烧室的熄火 .92 两相流行为 .92.1 两相流行为的类型 .92.2 两相流行为的研究 .103 结论 .10参考文献 .11致 谢 .12长沙航空职业技术学院毕业设计 摘 要2某 重 型 燃 气 轮 机 燃 烧 室 两 相 流 行 为 的 设 计 方 案摘要： 对重型燃气轮机领域中的燃烧技术进行介绍与说明,首先简要论述了重型燃气轮机历史及发展现状,其次,介绍了燃烧室工作基
3、本情况,对燃烧室的要求,以及工作特别及其类型,简单的阐述了燃烧室工作过程以及特性,还有熄火原因。并详细论述了两相流行为,并简单推理出,两相流行为对燃烧室燃烧的影响。得出相应的结论,为更好地了解两相流对燃烧室燃烧的影响作出进一步的努力。关键词:重型燃气轮机;燃烧室;两相流行为。长沙航空职业技术学院毕业设计 正文章节31.1 重型燃气轮机工作原理重型燃气轮机是以空气为介质，靠高温燃气推动涡轮机械连续做功的大功率、高性能动力机械。它主要是由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，再配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统。当燃气轮机机组起动成功后，燃气轮机就会开始进入稳定的热力学循环过程。压气机连续不断地
4、从外界大气中吸入空气并增压，这个过程可以认为是压气机动能向空气热能和势能的转换，被压缩后的空气温度升高有利于与燃料进行更猛烈的化学反应（化学反应速度和程度与温度成正比），更大的膨胀比也有利于压缩空气燃烧后释放更大的能量。压缩空气从压气机出来后即进入燃烧室，首先会在燃烧室进口被喷入燃料进行掺混，然后就会点火燃烧。这个过程可以认为是燃料化学能向空气热能和势能的转换，在短短几十厘米的距离内空气的温度上升数百甚至上千度，压力也会激增。高温高压的燃气从燃烧室出口喷出，就开始膨胀，在膨胀的同时推动涡轮叶片做功。这个过程就是燃气热能和势能向动能的转化。涡轮将燃气的能量转化为动能后，一方面用于压气机压缩空气持
5、续进行热力学循环，另外一方面由主轴将转子的扭矩输出，经过减速器减速以后用于推动军舰。整个热力学循环完成使得燃气轮机实现了燃料化学能向机械能转换的最终目的。1.2 重型燃气轮机燃烧室燃烧室是燃油与空气混合并进行燃烧的地方。燃烧后含有大量热能的燃气具有做功本领,为燃气轮机产生动力创造必要条件。1.2.1 燃烧室结构燃烧室由喷油咀,火焰筒,燃烧室外套,等组成。图一长沙航空职业技术学院毕业设计 正文章节 41.2.2 燃烧室类型及优缺点一 筒形燃烧室图二二 环形燃烧室图三长沙航空职业技术学院毕业设计 正文章节 5三 筒环形燃烧室图四表一：燃烧室类型 筒形燃烧性 环形燃烧室 筒环形燃烧室优点 便于检查更
6、换,单独试验。迎风面积小,重量较小,出口燃气压力和温度分布均匀。迎风面积小,出口燃气温度,压力较均匀。安排合理,尚易检修。缺点 迎风面积大,出口燃气压力和温度不均匀。不便于更换检查,实验时需要较大空气量。1.2.3 对燃烧室的要求(1)燃烧稳定和点燃可靠燃烧稳定主要是指在燃气轮机所有工作状态下燃烧室不熄火。点燃可靠是指在规定的点或工作范围内,地面启动时能迅速点燃,熄火后能长沙航空职业技术学院毕业设计 正文章节 6可靠地再次点燃。衡量这一要求的性能指标,是在规定工作条件下,能点燃和保持稳定燃烧时混合气的混合比的范围大小。(2)燃烧完全燃烧室中燃料燃烧的越完全,放出热量就越大,在保证燃气涡轮动力一
7、定的情况下,燃料消耗量就越小,经济性也越好。衡量燃烧完全程度的指标常用放热系数(或燃烧效率)大小来表示(3)出口温度场分布最佳燃烧室出口温度场(也就是涡轮进口温度场)总有一定程度的不均匀。为了保证涡轮长期可靠工作,要求出口平均温度不超过规定值,并要求周向温度匀;径向温度要按照涡轮叶片的要求分布。一般要求涡轮叶片的叶根,叶尖两头温度低些,这是因为叶根承受的应力最大,而叶尖厚度最薄,振动应力较大。(4)总压损失尽量小当气流通过头部旋流器和火焰筒等会产生流动损失,燃烧时给气体加热也有热阻,这些都将使气体总压降低引起气体膨胀做功能力减小。因此,应尽量减少总压损失。对燃烧室的要求,除上述四项外,还要求燃
8、烧室尺寸小,重量轻,寿命长,便于维修等。1.2.4 燃烧室的工作特点(1)燃料是在高速气流中进行燃烧的。(2)燃烧室出口燃气温度压力要受到涡轮叶片材料强度的限制。由于涡轮是在高温燃气推动下高速旋转的,因此,涡轮叶片不仅承受着极大的离心力( 据计算 ,每一个叶片根部高达 20 万牛顿以上),而且在处在高温条件下工作,金属材料的强度极限是随着温度的升高而降低,为了保证涡轮安全可靠的工作,即必须把燃烧室出口燃气温度,限制在一定范围内。涡轮叶片在没有采用特殊的冷却方法的情况下,燃烧室出口燃气温度一般限制在 11501200K 的范围内。1.3 燃烧室的工作过程从燃烧室的工作特点可知,在组织燃烧的过程中
9、必须解决稳定燃烧和涡轮等燃气部件的工作安全问题,既保证工作安全的前提下,实现稳定燃烧。为了保证稳定燃烧,混合余气系数须接近于 1,使火焰传播速度最大。但是,事物都是互相联系着和互相影响着,在燃烧室内,使用这种混合其进行燃烧燃烧室出口燃气温度将高达 200K 左右,大大超过最大允许值,就会烧坏涡轮叶片。要长沙航空职业技术学院毕业设计 正文章节 7保证涡轮叶片不被烧坏,就必须是燃烧室出口燃气温度降低至 1200K 左右,燃烧室出口温度为最大允许值混合气余气系数应为 4 左右。然而在燃烧室内,余气系数这样大的混合气,又不能稳定燃烧。可见,保证稳定燃烧和保证发动机安全存在着尖锐的矛盾。要保证稳定燃烧,
10、必须建立一个稳定可靠的点火源,才能不断点燃流动的新鲜混合气,为此在组织燃烧过程中,必须从降低燃烧室局部地区气流速度和提高火焰传播速度两个方面采取措施,使火焰传播速度大于或等于气流速度。一.降低燃烧室内部地区气流速度1.火焰稳定器将燃烧室的进口段做成扩散形管道,使进入燃烧室的气流速度得到降低。2.火焰稳定器(1)叶片旋流器旋流器是由若干旋流片按一定角度斜向排列而成的。空气流过旋流器后,由轴向运动变旋转运动,气流被惯性离心力甩向四周。这样,燃烧室中心的空气稀薄而形成低压区,于是,火焰筒后部一部分高温燃气便向火焰筒中心低压区倒流回来形成回流。在燃烧中,有回流的地方,叫做回流区,回流区的外边叫做主流区
11、。由于气流在火焰筒内形成了回流,加之主流区同回流区之间的粘性作用。因此,火焰筒内同一截面上气流的速度是不相等的,轴向速度等于零的地方,叫做回流边界,主流区靠近回流边界的地方,气流轴向速度比较小,对形成点火源提供了有利的条件。(2)锥形火焰稳定器锥形火焰稳定器是一个空心椎体,空气经过锥体流向四周。同时借粘性作用不断地把锥体后面的气体带走,使锥体后面的气体的压力减小,于是火焰筒后部的高温燃气便向锥体后面倒流回来,形成了回流从而达到降低气流速度的目的。二.提高火焰传播速度三.点火源形成1.4 燃烧室的特性表明燃烧室工作好坏的主要指标是:稳定燃烧范围, 即稳定燃烧时混合气混合比的范围大小;放热系数即燃
12、烧效率;燃烧室总压恢复系数。1.火焰稳定特性在燃气涡轮实际工作过程中,混合气的稳定燃烧范围是随燃烧室进口气流速度和混合气初温,初压的变化而变化的。在燃烧室的进口温度和压力一定时,稳定燃烧范围随进口气流速度变化的关系曲线,称为火焰稳定特性,又叫做熄火特性。长沙航空职业技术学院毕业设计 正文章节 82.燃烧效率特性燃烧效率主要考虑三个方面的热损失,一是燃料燃烧不完全,有一部分燃料被气流带走;二是燃料所放出热量中有一部分通过燃烧室壁向外散走 ;三是燃烧产物在高温条件下发生离解,要吸收一部分热量。1.5 燃烧室的熄火涡轮燃气轮机熄火的根本原因燃气轮机发动机燃烧室的工作特点之一,就是混合气的燃烧是在高速
13、气流下进行的。只有在燃烧室前端保持稳定的点火源,才能保证稳定的燃烧,而这取决于混合气的余气系数是否超出稳定燃烧范围。所以混合气余气系数超出稳定燃烧范围是燃烧室熄火的根本原因。2 两相流行为两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。若流动系统中物质的相态多于两个，则称为多相流，两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。有相变时的传热、塔设备中的气体吸收、液体精馏、液体萃取以及搅拌槽或鼓泡塔中的化学反应过程等，都涉及两相流。自然界和其他工程领域中两相流也广泛存在，例如：雨、雪、云、雾的飘流，生物体中的血液循环，水利工程中的泥沙运动和高速掺气水流，环境工程中烟尘
14、对空气的污染等。2.1 两相流行为的类型通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-液体系统。固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。 两相流的流动形态有多种。除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依据两相相对含量（常称为相比） 、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件（管内、多孔板上、沿壁面等）划分流动形态。对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。
