CN110848030B - 一种燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化领域，旨在解决在冷却设计无法满足壁温要求时，优化已有冲击结构困难的问题。提供一种燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，包括1)初始测量：对原始燃烧室进行壁温测量，分别得到壁面各排冷却孔对应的温度值T_i，并通过算式计算出各排冷却孔对应的冲击射流深度比例Y％的值；2)结构优化：对测得的温度值T_i≥极限温度值T_m处，即壁温不合理处的各排冷却孔进行结构优化，至使得优化后结构下计算得到的新的Y％值大于或等于步骤1)中测得温度等于极限温度值T_m处对应的Y％值。本发明的有益效果是能够科学有效地评估和优化已有冲击结构。

Description

一种燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法

技术领域

本发明涉及燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化领域，具体而言，涉及燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法。

背景技术

冲击射流冷却因其高换热系数、不直接与高温燃气接触、壁面CO淬熄概率小等优点，被广泛应用于燃气轮机燃烧室的火焰筒冷却中。针对已设计好的冷却系统，试验是检验冷却效果的最佳手段。但当出现冷却设计无法满足壁温要求时，优化已有冲击结构就变得很棘手，通常采用经验公式法或者CFD模拟法来调整关键值H/d_j(冲击高度与冷却孔直径之比)来获取更好的冷却效果。前者因仅从传热角度进行壁温分析，无法准确确定冲击环腔中射流冷却和对流冷却的权重，故无法在试验前获得定量的壁温值而仅能对调整趋势做定性分析；后者则因计算模型简化、真实燃烧复杂等原因无法快速准确获取壁温值，且优化迭代时间长。

发明内容

本发明旨在提供一种燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，以解决在冷却设计无法满足壁温要求时，优化已有冲击结构困难的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

一种燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，当火焰筒壁温出现超温现象时，通过以下步骤对燃烧室结构进行优化：

1)初始测量：对原始燃烧室的火焰筒进行壁温测量，分别得到火焰筒的壁面各排冷却孔处的温度值T_i，并通过式(1)和式(2)计算出各排冷却孔处对应的冲击射流深度比例Y％的值：

其中：Y_max是最大射流深度，d_j是冷却孔的有效直径，ρ_j是射流空气密度，U_j是射流空气速度，ρ_g是主流空气密度，U_g是主流空气速度，m_g是主流空气质量流量，m_j是射流空气质量流量，H是冲击高度，Y％是冲击射流深度比例；

2)结构优化：对测得的温度值T_i≥极限温度值T_m处，即壁温不合理处的各排冷却孔进行结构优化，至使得优化后结构下计算得到的新的Y％值大于或等于步骤1)中测得温度等于极限温度值T_m处对应的Y％值。

在一种实施方式中：

结构优化的措施采用以下的一项或联合使用多项：

a)减小/加大冷却孔孔径，b)扩大/减小冲击高度H。

在一种实施方式中：

扩大冷却孔孔径的方式为扩孔或重新加工成孔径较大的冷却孔。

在一种实施方式中：

减小冷却孔孔径的方式为对孔进行封堵或者重新加工成较小孔径的冷却孔。

在一种实施方式中：

封堵冷却孔的方式为通过点焊。

在一种实施方式中：

扩大冲击高度H的方式为扩颈，即将需要扩大冲击高度之处的冷却孔附近的冲击冷却衬套壁面外扩凸出以增大该处的冷却孔到所在壁面到火焰筒壁之间的高度。

在一种实施方式中：

减小冲击高度H的方式为缩颈，即将需要减小冲击高度之处的冷却孔附近的冲击冷却衬套壁面内压凹入以减小该处的冷却孔到所在壁面到火焰筒壁之间的高度。

在一种实施方式中：

建立以冷却孔排数为横坐标、冲击射流深度比Y％为纵坐标的平面直角坐标系，将步骤1)初始测量得到的冷却孔的排数和对应Y％值确定的坐标点标入平面直角坐标系内，并将对应点处测得的温度值T_i和极限温度值T_m的比值T_i/T_m标记于对应点；如此，坐标系中T_i/T_m的值大于1的表明壁温超温、小于或等于1的表明壁温在限制的极限温度值之内，从而对初始结构的各排冷却孔处的壁温是否符合要求进行评估和作为优化的参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为直角坐标系中原始方案、优化后方案曲线图；

图2为扩大/减小冷却孔孔径的方法示意图；

图3为局部扩颈以扩大冲击高度后的结构示意图；

图4为局部缩颈以较小冲击高度后的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

本实施例提供一种燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，当火焰筒壁温出现超温现象时，通过以下步骤对燃烧室结构进行优化：

1)初始测量：对原始燃烧室的火焰筒进行壁温测量，分别得到火焰筒的壁面各排冷却孔处的温度值T_i，并通过式(1)和式(2)计算出各排冷却孔处对应的冲击射流深度比例Y％的值：

其中：Y_max是最大射流深度，d_j是冷却孔的有效直径，ρ_j是射流空气密度，U_j是射流空气速度，ρ_g是主流空气密度，U_g是主流空气速度，m_g是主流空气质量流量，m_j是射流空气质量流量，H是冲击高度，Y％是冲击射流深度比例；

2)结构优化：对测得的温度值T_i≥极限温度值T_m处，即壁温不合理处的各排冷却孔进行结构优化，至使得优化后结构下计算得到的新的Y％值大于或等于步骤1)中测得温度等于极限温度值T_m处对应的Y％值。

配合参见图1，在本实施例中，为方便各数值的整理和可视化，建立以冷却孔排数为横坐标、冲击射流深度比Y％为纵坐标的平面直角坐标系，将步骤1)初始测量得到的冷却孔的排数和对应Y％值确定的坐标点标入平面直角坐标系内，并将对应点处测得的温度值T_i和极限温度值T_m的比值T_i/T_m标记于对应点；见于图1中较靠下的原始方案实验值曲线和标记的数值，如此，坐标系中T_i/T_m的值大于1的表明壁温超温、小于或等于1的表明壁温在限制的极限温度值之内，从而对初始结构的各排冷却孔处的壁温是否符合要求进行评估和作为优化的参考。

在得到图1中的原始方案实验值曲线和标记的数值后，可知T_i/T_m＝1的位置位于原始方案中第2、3排处的Y％＝43％和46％之间，利用线性差值可获得Y％＝45％处对应的T_i/T_m＝1.00。如此，可采用结构优化措施，优化结构至使各排冷却孔处的Y％均在45％之上，即可认为优化后的结构各排处的壁温均能保证T_i/T_m小于1.00。如图1中，通过对各排冷却孔处进行优化措施，使得优化后的结构的Y％值变为图中优化方案预测曲线上的各点值处。然后，便可通过已知的原始方案试验值利用线性差值预估出优化后的结构的各点的壁温，以作为是否需要进一步优化壁温分布的基础。

本方案中，结构优化的措施采用以下的一项或联合使用多项：

a)减小/加大冷却孔孔径，b)扩大/减小冲击高度H。

配合参见图1，其中，扩大冷却孔孔径的方式为扩孔或重新加工成孔径较大的冷却孔；减小冷却孔孔径的方式为对孔进行封堵或者重新加工成较小孔径的冷却孔。封堵冷却孔的方式可通过点焊。

本方案中配合参见图3，扩大冲击高度H的方式为扩颈，即将需要扩大冲击高度之处的冷却孔附近的冲击冷却衬套壁面外扩凸出以增大该处的冷却孔到所在壁面到火焰筒壁之间的高度。配合参见图4，减小冲击高度H的方式为缩颈，即将需要减小冲击高度之处的冷却孔附近的冲击冷却衬套壁面内压凹入以减小该处的冷却孔到所在壁面到火焰筒壁之间的高度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，其特征在于，当火焰筒壁温出现超温现象时，通过以下步骤对燃烧室冷却结构进行优化：

1)初始测量：对原始燃烧室的火焰筒进行壁温测量，分别得到火焰筒的壁面各排冷却孔处的温度值T_i，并通过式(1)和式(2)计算出各排冷却孔处对应的冲击射流深度比例Y％的值：

其中：Y_max是最大射流深度，d_j是冷却孔的有效直径，ρ_j是射流空气密度，U_j是射流空气速度，ρ_g是主流空气密度，U_g是主流空气速度，m_g是主流空气质量流量，m_j是射流空气质量流量，H是冲击高度，Y％是冲击射流深度比例；

2)结构优化：对测得的温度值T_i≥极限温度值T_m处，即壁温不合理处的各排冷却孔进行结构优化，至使得优化后结构下计算得到的新的Y％值大于或等于步骤1)中测得温度等于极限温度值T_m处对应的Y％值。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，其特征在于：

结构优化的措施采用以下的一项或联合使用多项：

a)减小/加大冷却孔孔径，b)扩大/减小冲击高度H。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，其特征在于：

扩大冷却孔孔径的方式为扩孔或重新加工成孔径较大的冷却孔。

4.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，其特征在于：

减小冷却孔孔径的方式为对孔进行封堵或者重新加工成较小孔径的冷却孔。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，其特征在于：

封堵冷却孔的方式为通过点焊。

6.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，其特征在于：

扩大冲击高度H的方式为扩颈，即将需要扩大冲击高度之处的冷却孔附近的冲击冷却衬套壁面外扩凸出以增大该处的冷却孔所在壁面到火焰筒壁之间的高度。

7.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，其特征在于：

减小冲击高度H的方式为缩颈，即将需要减小冲击高度之处的冷却孔附近的冲击冷却衬套壁面内压凹入以减小该处的冷却孔所在壁面到火焰筒壁之间的高度。

8.根据权利要求1-7任一项所述的燃气轮机燃烧室火焰筒冲击冷却系统优化方法，其特征在于：

建立以冷却孔排数为横坐标、冲击射流深度比Y％为纵坐标的平面直角坐标系，将步骤1)初始测量得到的冷却孔的排数和对应Y％值确定的坐标点标入平面直角坐标系内，并将对应点处测得的温度值T_i和极限温度值T_m的比值T_i/T_m标记于对应点；如此，坐标系中T_i/T_m的值大于1的表明壁温超温、小于或等于1的表明壁温在限制的极限温度值之内，从而对初始结构的各排冷却孔处的壁温是否符合要求进行评估和作为优化的参考。

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