CN115218220A - 一种主燃烧室热斑迁移控制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机设计领域，公开了一种主燃烧室热斑迁移控制设计方法，根据主燃烧室火焰筒总体进气量和总体进油量，确定主燃烧室各个燃烧区的设计进气量和进油量分配，获得主燃烧室不同燃烧区的设计油气比；根据不同燃烧区的当地进气量和当地进油量计算不同燃烧区当地油气比；以当地油气比标准差为判据，重新调整各个燃烧区的当地油气比，使各个燃烧区的平均温度相近，从而抑制不同燃烧区内热斑产生及迁移。本发明可以改善出口温度分布，降低燃烧区内热斑生成概率，控制热斑迁移路径，形成一种能够成功控制热斑迁移的设计准则和方法；解决传统主燃烧室出口温度分布研究成本高、周期长、效果差的问题，降低制造成本，提高燃气轮机使用寿命。

Description

一种主燃烧室热斑迁移控制设计方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机设计领域，公开了一种主燃烧室热斑迁移控制设计方法。

背景技术

燃烧室作为燃气轮机三大重要部件中的核心，主要功能是将燃料的化学能转变为燃气的热能，提高气体的热焓，从而推动涡轮部件做工。为了保证能获取满意的燃气轮机性能及寿命，需要主燃烧室部件具有较好的燃烧稳定性、较高的燃烧效率、较低的总压损失以及较好的出口温度分布品质等特性。而对于现代燃气轮机燃烧室而言，随燃烧室重量降低温升提高，使得燃烧室较多发展为短环形燃烧室，燃烧停留时间较短，高温区影响明显，从而带来燃气轮机出口温度分布成为制约热端部件寿命的重要因素之一。

传统主燃烧室设计时，在出口温度分布品质方面大多依赖于试验调试，通过调整主燃区进气量，掺混区掺混能力等方式，来改善主燃烧室出口温度分布品质。但该方法缺点较为明显：成本高，周期长，且成功率低。

常规为了解决该问题，设计层面对于主燃烧室喷嘴及涡流器合格精度要求提升，导致加工成本急剧上升。我国某型燃气轮机燃烧室曾经开展专项温度场品质提升工作，历程七八种方案，历时十几个月，最终方才取得一定收益。

英﹑美﹑俄等航空技术发达国家对航空发动机主燃烧室出口温度分布十分重视，国家和各大航空企业投入了大量的人力物力用于提升高品质燃烧技术，并有充足的发动机资源可供试验验证。这些国家多年来相继开发出多种基于经验数据的出口温度品质改善方法，在发动机研制过程中得到广泛应用并发挥重要作用。

我国开展航空发动机主燃烧室出口温度分布技术研究较晚，投入有限，且自主研发过程中周期紧张，没有机会开展利用传统经验方法，用大量试验来筛选最佳方案。当前急需一种基于工程试验数据及理论分析的经验方法，加快燃气轮机燃烧室的研题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主燃烧室热斑迁移控制设计方法，改善出口温度分布，降低燃烧区内热斑生成概率，控制热斑迁移路径，形成一种能够成功控制热斑迁移的设计准则和方法；解决传统主燃烧室出口温度分布研究成本高、周期长、效果差的问题，降低制造成本，提高燃气轮机使用寿命。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种主燃烧室热斑迁移控制设计方法，包括如下步骤：

步骤1、根据主燃烧室火焰筒总体进气量和总体进油量，确定主燃烧室各个燃烧区的设计进气量和进油量分配，获得主燃烧室不同燃烧区的设计油气比；

步骤2、根据不同燃烧区的当地进气量和当地进油量，利用统计分析方法计算不同燃烧区当地油气比；以当地油气比标准差为判据，重新调整各个燃烧区的当地油气比，使各个燃烧区的平均温度相近，从而抑制不同燃烧区内热斑产生及迁移。

进一步地，步骤1中根据主燃烧室进口压力、温度、流量、火焰筒开孔面积及总体进油量，确定主燃烧室周向不同区域的设计进气量及喷嘴进油量，计算不同区域的设计油气比。

进一步地，步骤2中各个燃烧区的当地油气比调整流程包括如下步骤：

a、基于进油量不均匀度的不同燃烧区当地进油量分配；

b、基于进气量不均匀度的不同燃烧区当地进气量分配；

c、根据不同燃烧区进油量不均匀度及进气量不均匀度值，计算得到不同燃烧区当地油气比均匀性，并根据当地油气比均匀性进行不同燃烧区当地油气比计算；

d、利用得到的不同燃烧区当地油气比，计算主燃烧室燃烧区油气比分布样本标准差，并与标准差限制值比较判定是否满足要求；若样本标准差小于等于标准差限制值，则达到设计要求；若样本标准差大于标准差限制值，则重复步骤a~d，直至满足样本标准差小于等于标准差限制值。

进一步地，步骤a中基于进油量不均匀度数据的不同燃烧区当地进油量分配流程为：

首先开展对主燃烧室不同压力条件下总管燃油流量均匀性测量，然后根据其与不同燃烧区的对应关系，将不同燃烧区的进油量进行归一化处理，得到不同燃烧区的进油量不均匀度数据；

若进油量不均匀度超过预定的不均匀度限制值范围，重新调整各燃烧区进油量分布，使新的进油量不均匀度在预定的不均匀度限制值范围。

进一步地，步骤b中基于进气量不均匀度数据的不同燃烧区当地进气量分配流程为：

开展对不同台份主燃烧室火焰筒进行不同部位进气量分配试验测量，并对其加权平均后，得到火焰筒加权平均后不同燃烧区域的流量分配比例w _i ；

根据主燃烧室进气流量分配，得到不同部位的流量分配比例w _i 和不同燃烧区的设计空气流量，并进行归一化处理，得到不同燃烧区的进气量均匀性数据；若均匀性数据超过预定的不均匀度限制值范围，重新调整各燃烧区进气量分布，使新的进气量不均匀度在预定的不均匀度限制值范围。

进一步地，步骤c中不同燃烧区当地油气比计算流程为：

利用步骤a和步骤b中不同燃烧区进油量不均匀度及进气量不均匀度值，计算得到不同燃烧区当地油气比均匀性；

利用步骤1中不同燃烧区设计油气比与当地油气比均匀性相乘，计算得到不同燃烧区当地油气比。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：

1、本发明根据主燃烧室热斑生成及迁移机理，利用燃烧区内热斑迁移控制设计技术，设计不同燃烧区内油气比分布，改善出口温度分布，成功降低不同燃烧区内热斑生成概率，控制热斑迁移路径，有效避免热斑大量生成并迁移到燃烧室出口，提高出口温度分布品质，大幅增加燃气轮机使用寿命。

2、本发明利用热斑生成影响因素及其变化范围、热斑生成及迁移的概率等理论为燃烧室出口温度品质改善提供支撑，促进燃气轮机整机及部件改进设计，缩短型号研发周期，可逐步作为主燃烧室设计中经验方法和准则。

3、本发明能够有效减小涡流器及燃油喷嘴加工精度带来的影响，传统流量要求为±1.5%，通过本发明可以将喷嘴进油量不均匀度要求放宽至在±5%，涡流器进气量不均匀度要求放宽至±4%，大幅降低试制加工成本，为燃气轮机成本工程提供有力支撑。

附图说明

图1为实施例2中主燃烧室热斑迁移控制设计方法的流程图；

图2是实施例2中不同燃烧区初始进油量均匀性示意图；

图3是实施例2中不同燃烧区筛选后进油量均匀性示意图；

图4是实施例2中不同燃烧区初始进气量均匀性示意图；

图5是实施例2中不同燃烧区筛选后进气量均匀性示意图；

图6是实施例2中采用本发明前后不同燃烧区当地油气匹配情况示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种主燃烧室热斑迁移控制设计方法，包括如下步骤：

步骤1、根据主燃烧室火焰筒总体进气量和总体进油量，确定主燃烧室各个燃烧区的设计进气量和进油量分配，获得主燃烧室不同燃烧区的设计油气比；

步骤2、根据不同燃烧区的当地进气量和当地进油量，利用统计分析方法计算不同燃烧区当地油气比；以当地油气比标准差为判据，重新调整各个燃烧区的当地油气比，使各个燃烧区的平均温度相近，从而抑制不同燃烧区内热斑产生及迁移。

在本实施例中，通过根据主燃烧室火焰筒总体进气量和总体进油量，调整不同燃烧区的当地进气量和当地进油量的油气比，使当地油气比的标准差控制在一定范围内，从而使主燃烧室不同燃烧区的燃油与气流混合产生的热量均匀分布，改善了主燃烧室出口温度分布，降低不同燃烧区内热斑生成概率，控制热斑迁移路径，有效避免热斑大量生成并迁移到燃烧室出口，提高出口温度分布品质，大幅增加燃气轮机使用寿命。

本实施例中步骤1中的设计油气比是根据主燃烧室进口压力、温度、流量、火焰筒开孔面积及总体进油量，确定主燃烧室周向不同区域的设计进气量及喷嘴进油量，从而计算不同区域的设计油气比。

步骤2中各个燃烧区的当地油气比调整流程包括如下步骤：

a、基于进油量不均匀度的不同燃烧区当地进油量分配；

b、基于进气量不均匀度的不同燃烧区当地进气量分配；

c、根据不同燃烧区进油量不均匀度及进气量不均匀度值，计算得到不同燃烧区当地油气比均匀性，并根据当地油气比均匀性进行不同燃烧区当地油气比计算；

d、利用得到的不同燃烧区当地油气比，计算主燃烧室燃烧区油气比分布样本标准差，并与标准差限制值比较判定是否满足要求；若样本标准差小于等于标准差限制值，则达到设计要求；若样本标准差大于标准差限制值，则重复步骤a~d，直至满足样本标准差小于等于标准差限制值。

实施例2

参见图1-6，本实施例以某型号主燃烧室热斑迁移控制设计，对本发明的方法和效果的进行说明，具体操作流程如下：

1）根据主燃烧室进口压力、温度、流量、火焰筒开孔面积及总体进油量，确定主燃烧室周向不同区域的设计进气量及喷嘴进油量，计算不同区域的设计油气比FAR _i =Wf _i /Wa _i ，其中FAR _i 是设计状态第i个燃烧区的油气比；Wa _i 是设计状态第i个燃烧区参与燃烧的空气流量；Wf _i 是设计状态第i个燃烧区参与燃烧的燃油流量；

此外，根据试验主燃烧室型号特点确定限制值如下：

主燃烧室对燃烧区燃油流量不均匀度限制值范围为-5~5%。

主燃烧室对燃烧区空气流量不均匀度限制值范围为-4~4%。

当地油气比标准差限制值σ _c 为0.02。

2）基于进油量不均匀度的不同燃烧区当地进油量分配

首先开展对主燃烧室不同压力条件下总管燃油流量均匀性测量，然后根据其与不同燃烧区的对应关系，将不同燃烧区的进油量进行归一化处理，得到不同燃烧区的进油量不均匀度数据Δf _i ；然后进行数据分析，若进油量不均匀度超过预定的不均匀度限制值范围Δf _c ，重新调整各燃烧区进油量分布，使新的进油量不均匀度在预定的不均匀度限制值范围Δf _c ；

其中，Δf _i 是不同燃烧区燃油流量不均匀度；Δf _c 是主燃烧室对燃烧区燃油流量不均匀度限制值；

本实施例中通过主燃烧室不同燃烧区燃油流量试验测量，获取不同燃烧区油量分配不均匀度，图2为不同燃烧区初始进油量均匀性示意图，可以看出目前某一燃烧区超过限制值-5%的要求，为避免其对热斑生成及迁移的影响，通过调整该燃烧区供油量，得到调整后燃烧区流量分配（调整喷嘴周向位置、换装新的喷嘴或者对喷嘴进行补加工等方式），具体见图3是不同燃烧区筛选后燃油流量均匀性示意图，上限值为+3%，下限值为-3%，调整后满足限制值要求。

3）基于进气量不均匀度的不同燃烧区当地进气量分配

开展对不同台份主燃烧室火焰筒进行不同部位进气量分配试验测量，并对其加权平均后，得到火焰筒加权平均后不同燃烧区域的流量分配比例w _i ，该值对于同一构型、同一尺寸、同一工艺、同一批次的火焰筒而言可以认为是定值；

试验测量周向不同燃烧区的空气流量，并进行归一化处理，得到不同头部的进气量均匀性数据Δa _i ；其次进行数据筛选，超过预定的不均匀度范围Δa _c ，将其剔除，若均匀性数据超过预定的不均匀度限制值范围，重新调整各燃烧区进气量分布，使新的进气量不均匀度在预定的不均匀度限制值范围。

本实施例中通过主燃烧室不同燃烧区空气流量试验测量，首先得到不同获取不同燃烧区空气流量分配不均匀度，具体见图4所示的不同燃烧区初始进气量均匀性示意图，可以看出目前某一燃烧区超过限制值-4%的要求，为避免其对热斑生成及迁移的影响，通过调整该燃烧区进气量（火焰筒补加工、更换新的涡流器或调整涡流器的周向位置等方式），得到调整后燃烧区进气量分配，具体见图5所示的不同燃烧区筛选后进气量均匀性示意图，调整后其上限值为+1%，2所示的下限值为-3%，调整后满足限制值要求。

4）同燃烧区当地油气比计算

根据不同燃烧区进油量不均匀度及进气量不均匀度值，计算得到不同燃烧区当地油气比均匀性Δ _FARi ；

Δ _FARi =Δf _i /Δa _i

其中Δf _i 是不同燃烧区燃油流量不均匀度；Δa _i 是不同燃烧区进气量不均匀度。

利用步骤1中不同燃烧区设计油气比FAR _i 与当地油气比均匀性，计算得到不同燃烧区当地油气比F _i =FAR _i ·Δ _FARi ，其中，Δ _FARi 是不同燃烧区当地油气比均匀性；F _i 是不同燃烧区当地油气比，i=1,2,3,...,n，其中n为燃烧区数量，一般与喷嘴数量一致。

本实施例中通过公式F _i =FAR _i ·Δ _FARi 计算不同燃烧区的当地油气比，计算得到不同燃烧区当地油气比为3.06、2.98、2.87、3.00、3.00、2.96、3.05、3.03、3.00、3.03、2.98、2.91、3.00、2.99、3.07、2.96、2.95、3.03、3.04、3.10，见图6中1号线所示。

5）当地油气比标准差计算

利用步骤4）中不同燃烧区当地油气比F _i ，计算主燃烧室燃烧区油气比分布样本标准差；其次与标准差限制值σ _c 比较判定是否满足要求：

其中σ是不同燃烧区油气比分布样本标准差；n是燃烧区数量；σ _c 是样本分布标准差限制值。

本实施例中通过样本标准差计算公式，计算出当地油气比标准差，计算结果为0.0543，远大于0.02限制值。

6）不同燃烧区油量重新分配

根据2）、3）、4）以及5）的数据，首先判断样本标准差σ是否大于标准差限制值σ _c ，若样本标准差小于等于标准差限制值σ _c ，则输出对应的当地油气比数据；若样本标准差大于限制值，重复2）~5），通过调整不同燃烧区当地进气量和当地进油量，降低不同燃烧区油气分布标准差，直至满足要求。

本实施例中通过油气比迭代分配，针对不同燃烧区当地油气比对供油量进行调整，以满足当地油气比标准差要去，最终匹配结果为：3.00、3.01、2.97、3.00、3.00、3.00、3.00、3.00、3.00、3.01、3.00、3.00、3.00、3.01、3.00、2.97、3.01、3.01、3.01、2.99。当地油气比标准差，计算结果为0.012，远小于限制值0.02要求，见图6中2号线所示。

经某型号多方案（不同燃烧室头部）燃烧室出口温度分布验证，在设计方案一致、硬件加工一致的条件下，采用该发明方法前后，燃气轮机燃烧室出口温度分布品质明显提升。数据分析表明该方法对燃烧室的出口温度改善收益约为5%~10%，实际工程应用中该方法对不同方案的主燃烧室出口温度分布改善情况见下表1所示：

表1 不同方案的主燃烧室出口温度分布改善情况

本实施例通过精准分配火焰筒内局部油气混合物比例，控制热斑形成温度及迁移路径，从而低局部热点生成。该方法能够有效改善主燃烧室出口温度分布品质，提高发动机热端部件寿命，降低试制成本。在不同发动机主燃烧室设计中具有通用性，可在行业内推广应用，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种主燃烧室热斑迁移控制设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据主燃烧室火焰筒总体进气量和总体进油量，确定主燃烧室各个燃烧区的设计进气量和进油量分配，获得主燃烧室不同燃烧区的设计油气比；

步骤2、根据不同燃烧区的当地进气量和当地进油量，利用统计分析方法计算不同燃烧区当地油气比；以当地油气比标准差为判据，重新调整各个燃烧区的当地油气比，使各个燃烧区的平均温度相近，从而抑制不同燃烧区内热斑产生及迁移。

2.根据权利要求1所述的主燃烧室热斑迁移控制设计方法，其特征在于，步骤1中根据主燃烧室进口压力、温度、流量、火焰筒开孔面积及总体进油量，确定主燃烧室周向不同区域的设计进气量及喷嘴进油量，计算不同区域的设计油气比。

3.根据权利要求1所述的主燃烧室热斑迁移控制设计方法，其特征在于，步骤2中各个燃烧区的当地油气比调整流程包括如下步骤：

a、基于进油量不均匀度的不同燃烧区当地进油量分配；

b、基于进气量不均匀度的不同燃烧区当地进气量分配；

c、根据不同燃烧区进油量不均匀度及进气量不均匀度值，计算得到不同燃烧区当地油气比均匀性，并根据当地油气比均匀性进行不同燃烧区当地油气比计算；

d、利用得到的不同燃烧区当地油气比，计算主燃烧室燃烧区油气比分布样本标准差，并与标准差限制值比较判定是否满足要求；若样本标准差小于等于标准差限制值，则达到设计要求；若样本标准差大于标准差限制值，则重复步骤a~d，直至满足样本标准差小于等于标准差限制值。

4.根据权利要求3所述的主燃烧室热斑迁移控制设计方法，其特征在于，步骤a中基于进油量不均匀度数据的不同燃烧区当地进油量分配流程为：

首先开展对主燃烧室不同压力条件下总管燃油流量均匀性测量，然后根据其与不同燃烧区的对应关系，将不同燃烧区的进油量进行归一化处理，得到不同燃烧区的进油量不均匀度数据；

若进油量不均匀度超过预定的不均匀度限制值范围，重新调整各燃烧区进油量分布，使新的进油量不均匀度在预定的不均匀度限制值范围。

5.根据权利要求3所述的主燃烧室热斑迁移控制设计方法，其特征在于，步骤b中基于进气量不均匀度数据的不同燃烧区当地进气量分配流程为：

开展对不同台份主燃烧室火焰筒进行不同部位进气量分配试验测量，并对其加权平均后，得到火焰筒加权平均后不同燃烧区域的流量分配比例w _i ；

根据主燃烧室进气流量分配，得到不同部位的流量分配比例w _i 和不同燃烧区的设计空气流量，并进行归一化处理，得到不同燃烧区的进气量均匀性数据；若均匀性数据超过预定的不均匀度限制值范围，重新调整各燃烧区进气量分布，使新的进气量不均匀度在预定的不均匀度限制值范围。

6.根据权利要求3所述的主燃烧室热斑迁移控制设计方法，其特征在于，步骤c中不同燃烧区当地油气比计算流程为：

利用步骤a和步骤b中不同燃烧区进油量不均匀度及进气量不均匀度值，计算得到不同燃烧区当地油气比均匀性；

利用步骤1中不同燃烧区设计油气比与当地油气比均匀性相乘，计算得到不同燃烧区当地油气比。

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