模型燃烧室初步设计.docx

模型燃烧室的初步设计1. 模型燃烧室的要求：1） 点火可靠，燃烧稳定2） 模型燃烧室光路可通，可应用PLIF技术进行燃烧诊断实验3） 空气流量分配可调，用以模型燃烧室的调试4） 模型燃烧室加工装配方便2.热力平衡计算：单位温度K压力Mpa流量kg/s比热kJ/kg.K焓kJ/kg速度m/s密度kg/m34.设计工况参数：表 1. 设计工况参数空气流量ma1.2进口压力P （绝对压力）20.13进口温度T2321进口密度P21.4107出口温度T31000假定模型燃烧室的燃烧效率耳=0.95，由热力平衡计算得:表格 2.热力平衡计算结果总油气比f0.0186总空气过量系数Q3.7283燃油流量mf0.02233.模型燃烧室简介:考虑到实验室的条件，设计工况下的模型燃烧室入口气体为低温低压空气，因此燃烧室点 火性能差，燃烧强度低，燃烧稳定性差，因此有必要采取措施改善燃烧室的点火性能，并能 使燃烧室持续稳定燃烧措施:1）采用旋流器和主燃孔进气装置，使主燃区形成足够尺度和强度的回流区；2）合理分配流量，使火焰筒内的参考速度维持在较低的数值；3）采用间接点火3.1流场的组织方式：在本模型燃烧室中，空气除了从旋流器和主燃孔进入火焰筒外，还有一部分空气从冷却孔 和掺混孔等进气装置进入火焰筒，这几股空气相互独立又相互作用，共同组织了燃烧室的流 场，使模型燃烧室能够持续稳定的燃烧，同时燃气全部从模型燃烧室的火焰筒尾部流出。

采用上述传统的燃烧室流场组织方式有以下几点好处：1） 避免空气全部从头部涌入，改善点火和燃烧性能2）主燃孔射流有利于形成回流区3）可按面积法进行流量分布的初步计算3.2模型燃烧室的结构模型燃烧室为一矩形燃烧室，火焰筒头部等距安装有三个喷嘴旋流器组件火焰筒体上开 有主燃孔及掺混孔为使火焰筒内部达到一定的压强，火焰筒出口收缩模型燃烧室通过法 兰与进排气管道连接为了在模型燃烧室上开展 PLIF 技术燃烧诊断实验，需要在模型燃烧室上合理布置光路 因此在燃烧室机匣两侧各安装一矩形玻璃视窗用以接受光学信号，并在机匣和火焰筒的顶部 同一位置安装一窄边玻璃，用来通入激光片光源在机匣底部安装泄油阀，起到排出火焰筒内残余的燃油和定位火焰筒的作用点火器与泄油 阀位于同一轴向位置，考虑到点火器与顶部的玻璃视窗位置冲突，因此点火器不能安装在喷 嘴中心线上点火枪和油枪斜插入火焰筒，使点火火焰能接近中心喷嘴喷出的油雾锥玻璃 视窗的四周将布置一排进气孔，一来起到冷却玻璃视窗的作用，二来可通过进气形成的气帘 避免玻璃视窗受到油雾的污染4.空气流量的分配计算4.1 空气的分股：图 1. 环形燃烧室的典型结构图图 1 为环形燃烧室的典型结构图。

从压气机出口流入燃烧室的空气分成两股，一股流向火 焰筒头部，另一股流向机匣与火焰筒之间的环腔流向火焰筒头部的空气分成三股：1）雾 化燃油的雾化空气，2）形成旋流稳定火焰的旋流器空气，3）冷却头部的冷却空气流向环 腔的空气分成三股:1）冷却火焰筒的冷却空气 2）参与燃烧的主燃孔射流空气 3）掺混空气在本模型燃烧室中，为降低模型燃烧室火焰筒头部的壁面温度，采用贫油燃烧主燃区及 头部和旋流器的余气系数见表由于头部的当量比较低，燃烧温度相对较低，又为了设计加工的方便略去头部冷却空气和火焰筒冷却空气考虑到模型燃烧室所用喷嘴为压力离心喷嘴 所以无雾化空气因此在模型燃烧室中，流向火焰筒头部的空气全部位旋流器空气，而流向环腔的空气分成主燃孔空气和掺混孔空气除此之外，在模型燃烧室中，预留Ccooli=8%的空气用来冷却玻璃 视窗至此，模型燃烧室中空气分股已确定下面计算每股空气具体的空气量表3.模型燃烧室主燃区余气系数主燃区余气系数aP2头部余气系数ad1.54.2空气流量的分配计算主燃区的燃烧空气流量：m 二(m /0.068) xa =0.656(kg/s),p f p 其中通过旋流器的空气流量：m = (m /0.068) xa = 0.492(kg/s),sw f d通过主燃孔的空气流量，认为冷却空气不参与燃烧：m = (m -m )/◎二0.328,其中为回流比，取0.5。

ph p sw环腔的空气流量：m = m - m =0.708(kg/s)passage a sw用来冷却玻璃视窗的冷却空气流量：m = m x C = 0.096(kg/s)cooling a cooling掺混孔的空气流量：m = m - m - m =0.284(kg/s)dil passage cooling ph表 4. 空气流量分配汇总表位置旋流器主燃孔掺混孔冷却孔流量(kg/s)0.4920.3280.2840.096占总空气流量的比例41%27.3%23.7%8%5. 总体尺寸的确定5.1头部和环腔尺寸的确定：头部的流态对点火性能及火焰的稳定有着非常大的影响，因此需要重点考虑以头部的参 考速度为判断标准来确定头部的尺寸，保证点火性能及火焰的稳定性，因此本文不采用更为 通用的总压损失法而用速度法来确定燃烧室头部及环腔的基本尺寸文献［1］建议环形燃烧室头部及环腔的参考速度值如表 5 所示；文献［6］建议环管型燃烧室头部空气的平均流速为10-15(m/s)；环腔空气的平均流速为50-55(m/s)表5.头部及环腔的参考速度速度标准值范围头部97—12环腔5035-60根据上述参考值，试取头部的参考速度为：Fuel inpctcwruel artjerlor s| taring ©View afe lookiriig ForwardRefcrcnCi-日 “w l I/ CfDss-tettionIn^ecior lip r-o lurbirn：*Combuslcir length (tjInlet V^ltXitV hearfl M图 1. 燃烧室的结构参数1Dnmehoi 吕 Bt［「二r Pfl1&5dgc h clocHv % 一in ~V =10(m/s) d环腔参考速度：V 二 50 (m/s)passage则头部横截面积：A = m / p V - =0.035( m2)d sw 2 d环腔横截面积：A = m / p V = 0.01 ( m2 ) passage passage 2 a最大截面面积：A 二 A + A =0.045 (m2)ref passage f考虑到 PLIF 实验测量的要求，取火焰筒的高度为H =0.1(m)则火焰筒的宽度“广二0.35 (m)则环腔的高度(内外环腔高度相等)：Ha =0.015(m)燃烧室高度：H = H + 2H = 0.129 (m)b f a喷嘴的间距B，一般由H / B确定，一般在0.7-1.5之间，在这里取值为1,即卩fB = 0.1(m)则喷嘴与燃烧室侧壁的距离B =0.074 (m)。

w5.2 扩压器尺寸的确定：初步选择燃烧室入口速度：V =40(m/s)2采用二元扩压器，因此扩压器的入口高度:H = m /(P VW ) =0.06(m)2 a 2 2 f选取扩压器的扩张角Q为30° 则扩张段的长度：L = (H 一 H )/(2 tan a ) =0.06(m)dif b 25.3 主燃区和掺混区长度的确定： 一般认为旋流器出口截面到最后一排主燃孔下游截面的距离，对于单旋流，进气条件为低压低温的情况下，选择相对较长的主燃区，主燃区长度：L = 2 H =0.2(m)pc f因为对出口温度分布没有特殊要求，所以掺混区的长度可以较短，掺混区长度：L = H =0.1(m)dil f则火焰筒的长度：L = L + L =0.3(m)f pc dil表6.模型燃烧室总体尺寸的确定名称符合单位计算结果计算公式或经验值火焰筒参考速度Vfm/s10一般为环形7~12，环管10~15环腔参考速度Vam/s50一般为环形35~60,环管50〜55头部横截面积Afm20.035环腔面积Aam20.01取大截面积Arefm20.046(Aa+Af)火焰筒高度Hfm0.1环腔咼度Ham0.015喷嘴间距Bm0.1(0.7~1.2)Hf/B燃烧区长度Lcm0.2(1.5〜2.0)Hf掺混区长度Ldilm0.1(1.0〜2.2)Hf火焰管长度Lfm0.3(Lc+Ldil)取大截面参考速度Crefm/s18.2—般Cref小于30比面积热强度QAfkJ/(m2*h*Pa)230对固定式燃机燃烧室200~450总压损失系数5b0.044%~7%燃烧室阻力系数申bref21总压损失与进口动压之比,一般为20~306. 流阻损失计算6. 1 燃烧室的总压损失系数：燃烧室的总压降有扩压器总压降和火焰筒总压降组成，总压损失是燃烧室的设计指标之一 一般把燃烧室的总压损失分为无效损失和有效损失，扩压器的总压损失为无效损失，而火焰 筒的总压损失为有效损失。

火焰筒的进气装置与火焰筒总压损失密切相关，增大进气孔的面积，射流速度减小，火焰 筒总压损失降低，反之减小进气孔的面积，火焰筒总压损失增大但是火焰筒的总压损失不 宜太小，否则会减弱掺混等效果控制火焰筒上射流孔的开孔面积对减小流阻损失很有作用一般燃烧室的总压损失系数在4%〜7%，在该模型燃烧室中，取总压损失5b=4%0 6.2扩压器的流阻损失及进气装置面积的计算扩压器的损失由突然扩张损失AP和有摩擦效应而造成的AP 组成，后者数值比较小，2d fr 2d通常忽略不计根据9 , A / A，R查图1的得0 =0.8，由文献[6][7]得：d c e dc1AP = ° - ( p V2)- (1—(A / A )2) =1062(pa)dc dc 2 2 2 c d其中A是扩压器的进口面积；是扩压器的出口面积；Re为来流雷诺数；0是突然扩c d dc 张损失的缓冲系数trj,I||"p Is * IiirrnnmiK.CiH图2.平面扩压器阻力系数°dc = f (9，才，Re)6.3火焰筒总压损失计算燃烧室的总压降有扩压器总压降和火焰筒总压降组成，则火焰筒的总压损失：AP =b x P* -AP =4252(pa)L b 2 d c6.4进气装置面积的计算由于设计的是模型燃烧室，采用一维设计方法，即认为各排进气孔的压力降是相等的，由 文献［2］知，在一定进口参数和火焰筒压力降的条件下进气装置面积计算公式为：A = 岁其中A为进气装置实际面积，W为通过进气装置的设计流量，AP是进气装置进口总压与出口静压的压差，AP往往等于3%到5%的进口总压。