摘要
现如今随着科技的不断发展，人类社会对环境质量以及燃气轮机的性能有越来越高的要求和标准。燃气轮机作为军工产业以及交通发电的重要对象，如何保证燃气轮机实体产品不断地更新升级已经成为科学研究的重点。世界范围内对燃气轮机燃烧室的研究已经很多了，但是为了满足生产商的需求，生产系列燃气轮机已然成为目前燃气轮机技术发展的重心。在燃气轮机三大部件中，最为重要的部分当属燃烧室，不同功率的燃气轮机都有相应型号的燃气轮机燃烧室与之匹配，由于燃烧室头部设计极为复杂，将头部利用一定理论支持进行合理性缩放再与不同型号的燃气轮机燃烧室进行匹配从而达到生产满足各功率需求的燃气轮机已经逐渐成为行业主流，但是如何合理的将燃气轮机燃烧室头部进行缩放，以及在缩放匹配后如何提高头部的适应性是目前急需解决的难题。因此，本文根据上述研究问题，通过数值模拟分析研究了天然气同轴分级燃烧室头部缩放规律、头部缩放匹配后提高头部结构适应性的方法并针对本文各研究对象给出合理缩放方案，主要研究内容如下: (1)给出了天然气同轴分级燃烧室头部缩放方法，对比分析不同缩放方法下燃烧室的流场分布和燃烧特性。 (2)在燃烧室头部未缩放条件下，研究燃料分配策略以及头部燃料孔径对燃烧室流场布置以及燃烧热态场变化的影响规律。研究表明:通过分析燃料孔径以及燃料不同类型供给方案对提高头部适应性的影响，可以初步得出结论，调整燃料孔径使得燃料喷射速率达到理想区间可以显著提高头部匹配适应性;通过调整燃料分级方案，使得中心两级当量比下降可以提高燃烧效率，在提升效率的同时降低值班级当量比可以达到抑制排放的效果。 (3)基于本文给出的缩放方法以及无缩放条件下燃料分级方案、头部燃料孔径对适配性的影响规律，针对不同功率的燃气轮机燃烧室进行缩放匹配，研究匹配后的流场特点以及燃烧特性，并通过调整燃料分配和燃料孔径尺寸总结提高头部缩放匹配适应性的方法。研究表明:如果要想提高燃烧效率、降低排放进而达到提高头部适配度的目的，需要在避免熄火的前提下，适当提升主燃二级当量比，进而达到充分释放主燃二级的燃烧能力的效果，而提高主燃二级当量比的方法主要就是优化各级燃料分配，选择恰当的燃料供给模式进而达到提高头部适配度的目的;在优化燃料孔径方面，应当尽量保证燃料喷射速度与原始头部最大程度上相似，进而起到提升头部适配度的效果。 (4)针对重型燃气轮机多头部研究背景，基于相同研究方法对燃气轮机燃烧室头部进行阵列以匹配重型燃气轮机燃烧室，研究匹配后的流场特点以及燃烧特性，并研究阵列方式、阵列间距、头部旋向对提高头部匹配适应性的影响，对比分析给出最佳阵列方案，并调整燃料分配达到最佳阵列匹配状态。研究表明:将多个燃烧室头部按照一定阵列方式与某重型燃气轮机燃烧室进行匹配，通过对比中心是否布置头部发现，采用中心布置头部与周向布置头部结合的方法，可以有效增强相邻火焰间的相互作用，使得火焰融合更加充分;通过改变相邻头部之间的距离，发现缩短相邻头部间距会使得头部负速度区尺寸缩短，有效的加剧火焰间相互作用进而加速火焰间融合，当火焰融合相互作用更剧烈时，温度不均匀度的变化速度也随之变快，燃烧室内的平均温度也会随着间距的缩短被有效控制，达到降低排放的效果;通过改变头部旋向的布置结构，研究发现相邻头部保持同旋向布置，可以产生有利于火焰融合的强相互作用，当相邻头部旋向不一致时，火焰间的相互作用效果也会加强，但是这种效果是不利于火焰融合的;因此针对多头部阵列而言，采用中心配合周向的布置方式进行头部布局，并在有效区间内，保证头部旋向一致，尽量缩短相邻头部间的距离，可以有效的控制燃烧室内温度，加强火焰间的融合，进而达到控制排放，提升头部适配性的研究目的。
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