[發明專利]一種燃氣輪機燃燒室自動化設計建模方法

有效

• 申請號: 202210707286.1
• 申請日: 2022-06-21
• 公開（公告）號: CN115270319B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 趙寧波;李昱廷;鄭洪濤;楊家龍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱市航友知識產權代理事務所(普通合伙) 23216
• 代理人: 張贊

1.一種燃氣輪機燃燒室自動化設計建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、根據設計要求計算獲取燃燒室各部分結構的尺寸參數，并形成尺寸參數文件；具體包括：

輸入燃燒室的工況參數、尺寸限制參數、性能參數和特征參數，其中，所述工況參數包括進口質量流量、進口總壓強、進口總溫度、進口馬赫數、燃料質量流量；所述尺寸限制參數包括進口主半徑、噴嘴數、燃燒室出口高度；所述性能參數包括總壓強恢復系數、出口溫度分布系數；

所述特征參數包括擴壓器特征參數、火焰筒特征參數、流量分配特征參數、旋流器特征參數、主燃及摻混孔特征參數、冷卻孔特征參數；所述擴壓器特征參數包括擴壓器出口馬赫數；所述火焰筒特征參數包括全局流阻系數、燃料燃燒理論空氣量、主燃區當量比、主燃區出口馬赫數、主燃區出口溫度、外環腔馬赫數、火焰筒頭部角度；所述流量分配特征參數包括旋流器空氣流量比例、頭部冷卻空氣流量比例、主燃孔空氣流量比例、摻混孔空氣流量比例、壁面冷卻空氣流量比例；所述旋流器特征參數包括旋流器系數、旋流器內徑、旋流數、葉片數、葉片厚度；所述主燃及摻混孔特征參數包括主燃孔的射流穿深與火焰筒直徑比、摻混孔的射流穿深與火焰筒直徑比、主燃及摻混孔的流量系數、中間區出口溫度、主燃孔數量與噴嘴數比、摻混孔數量與噴嘴數比；所述冷卻孔特征參數包括冷卻孔直徑及流量系數；

根據工況參數、尺寸限制參數和擴壓器特征參數計算獲得擴壓器設計尺寸參數；擴壓器為前置擴壓器且為直壁的突擴擴壓器，所述擴壓器設計尺寸參數包括長度L、軸向長度N_D、進口面積A₃₁、進口高度h₁、進口空氣密度ρ₃、出口面積A₃₂、出口高度h₂、擴張半角θ_D、突擴間距D_g、突擴角β；具體計算過程包括：

根據輸入的工況參數：進口總壓強P₃、進口總溫度T₃，進口質量流量m₃，進口馬赫數M₃₁求解下述方程組：

解得擴壓器進口面積A₃₁和進口空氣密度ρ₃；

根據輸入的尺寸限制參數-進口主半徑R_mean及特征參數-擴壓器出口馬赫數M₃₂，求解下述方程：

解得擴壓器進出口面積比AR及擴壓器出口面積A₃₂；

根據進口高度h₁和進出口面積比AR求解下述方程：

解得擴壓器擴張半角θ_D；

根據進口高度h₁和進出口面積比AR計算解得擴壓器出口高度h₂為：

h₂＝AR·h₁

擴壓器軸向長度N_D為：

突擴間距D_g為：

D_g＝1.5h₁

突擴角β為：

β＝70°

根據工況參數、尺寸限制參數、性能參數和火焰筒特征參數計算獲得火焰筒設計尺寸參數；所述火焰筒設計尺寸參數包括燃燒室參考截面積A_ref、燃燒室參考截面直徑D_ref、火焰筒面積A_ft、直徑D_ft、長度L_ft、火焰筒頭部長度L_dome、主燃區長度L_pc、摻混區長度L_dz、摻混孔處火焰區直徑D_dz；具體計算過程包括：

所述燃燒室參考截面積A_ref利用流阻法、燃燒效率法、燃燒負荷法三種方法確定，選擇三種方法確定的參考截面積的最大值作為最終的燃燒室參考截面積；其中：

所述流阻法根據總壓強損失系數及全局流阻系數計算獲得參考截面積A1，參考截面積A1的計算公式為：

其中，R為287；A_ref即為A1；

所述燃燒效率法根據參考截面直徑和進口主半徑計算獲得參考截面積A2，參考截面積A2的計算公式為：

其中m取0.75，b取值300，A_ref即為A2；

所述燃燒效率法中燃燒室參考截面直徑D_ref的計算公式為：

A_ref＝2πR_meanD_ref

所述燃燒負荷法根據進口總溫度、進口總壓強、總壓強恢復系數、燃料質量流量、主燃區出口馬赫數、主燃區出口溫度、主燃區當量比、燃料燃燒理論空氣量、外環腔馬赫數計算獲得參考截面積A3；參考截面積A3的計算方法為：

先由給定的主燃區當量比和燃油量算得主燃區空氣質量流量，由主燃區γ和給定的主燃區馬赫數由經驗圖讀取Q值，由：

即可解得火焰筒截面積A_ft，由幾何關系火焰筒直徑D_ft可解；用給定的外環腔馬赫數和外環腔γ代入相應進口條件即可解得A_ref和D_ref；

所述火焰筒面積A_ft的計算為：對于流阻法與燃燒效率法，火焰筒面積等于0.7倍的參考截面積，將三種方法所得的火焰筒面積進行比較取最大值作為最終的設計的火焰筒面積A_ft；所述火焰筒直徑D_ft根據火焰筒面積A_ft和幾何關系求得；

所述火焰筒長度L_ft計算公式為：

所述火焰筒頭部長度L_dome的計算公式為：

式中，D_sw表示旋流器外徑；

所述主燃區長度L_pz的計算公式為：

所述摻混區長度L_dz和摻混孔處火焰區直徑D_dz的計算公式為：

根據工況參數、流量分配特征參數計算獲得流量分配設計參數；所述流量分配設計參數包括旋流器空氣質量流量m_sw、頭部冷卻空氣質量流量m_dcool、主燃孔空氣質量流量m_p、摻混孔空氣質量流量m_d、壁面冷卻空氣質量流量m_wcool；具體計算過程包括：將旋流器頭部冷卻、主燃孔、摻混孔、壁面冷卻空氣流量比例分別乘上總空氣質量流量，求得旋流器空氣質量流量m_sw，頭部冷卻空氣質量流量m_dcool，主燃孔空氣質量流量m_p，摻混孔空氣質量流量m_d，壁面冷卻空氣質量流量m_wcool；

根據工況參數、性能參數、尺寸限制參數、火焰筒設計尺寸參數、流量分配設計參數和旋流器特征參數計算獲得旋流器設計尺寸參數；所述旋流器為單級軸向旋流器，所述旋流器設計尺寸參數包括旋流器葉片角θ_v和旋流器外徑D_sw，求解下述方程組獲得旋流器設計尺寸參數；

式中，S_N表示旋流器旋流數，D_hub表示旋流器內徑；A_sw表示旋流器面積；

根據工況參數、尺寸限制參數、流量分配設計參數、火焰筒設計尺寸參數計算獲得帽罩設計尺寸參數；所述帽罩設計尺寸參數包括帽罩進口高度，所述帽罩進口高度D_snout的計算公式如下：

根據工況參數、尺寸限制參數、性能參數、火焰筒設計尺寸參數、流量分配設計參數、主燃及摻混孔特征參數計算獲得主燃及摻混孔設計尺寸參數；所述主燃及摻混孔設計尺寸參數包括主燃孔孔徑d_po及數量、摻混孔孔徑d_do及數量；具體計算過程包括：采用射流模型進行計算，根據射流直徑和流量系數計算獲得主燃孔孔徑d_po或摻混孔孔徑d_do；主燃孔數量及摻混孔數量為噴嘴數的倍數；

根據性能參數、火焰筒特征參數、流量分配設計參數和冷卻孔特征參數計算獲得冷卻孔設計尺寸參數；所述冷卻孔設計尺寸參數包括壁面冷卻孔數量；冷卻孔設計采用多斜孔式冷卻，所述壁面冷卻孔數量計算公式如下：

式中，A_wcool表示冷卻孔總面積；

步驟二、根據所述尺寸參數文件建立燃燒室的三維模型。