CN115270319A - 一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法 - Google Patents

一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法 Download PDF

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Abstract

一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，涉及燃气轮机燃烧室设计技术领域，用以解决现有燃烧室设计方法前后迭代优化耗费大量时间且从设计到建模不够便利的问题。本发明的技术要点包括：根据设计要求计算获取燃烧室各部分结构的尺寸参数，并形成尺寸参数文件，具体包括根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数和特征参数对扩压器、火焰筒、空气流量分配、旋流器、帽罩、主燃及掺混孔、冷却孔进行设计以获得对应的尺寸参数；并根据尺寸参数文件建立燃烧室三维模型。本发明可节省由于重复修改而耗费的大量时间，可应用于燃气轮机燃烧室自动设计中。

Description

一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧室设计技术领域，具体涉及一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法。
背景技术
燃气轮机作为一种具有体积小、功率密度大、热效率高等优势的动力装置，广泛应用于航空、舰船动力以及地面发电等领域。燃气轮机燃烧室通过燃烧化学反应将燃料中的化学能转化为热能，形成高温燃烧产物，推动涡轮做功。燃烧室的设计需保证工作效率，火焰稳定性，可靠性，出口温度分布，排放水平等诸多因素即使在极端工作条件下也要满足设计要求，因此是相当繁杂且具有挑战性的。
传统的燃烧室设计方式主要依靠大量的实验和经验积累，据此发展出经验/半经验的设计方法，这些方法需要较长的试验时间和大量的研究经费。而且这些设计方法与模型一方面是发动机设计者的理念，另一方面也是公司的部分资产，因而在公开资料中大多为零散的基础设计信息。
在对燃烧室设计计算后，必须使用三维的几何模型对燃烧室进行数值模拟分析，才能得到速度、温度、压力、组分等详细信息数据，从而进一步对燃烧室进行优化改进。而研究者在初步设计阶段，往往会需要对设计参数，几何结构等进行反复优化和修改。在修改过程中，参数计算与几何模型构建工作具有很大的重复性且会耗费大量时间。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，用以解决现有燃烧室设计方式前后迭代优化耗费大量时间且从设计到建模不够便利的问题。
本发明提供一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据设计要求计算获取燃烧室各部分结构的尺寸参数，并形成尺寸参数文件；具体包括：
输入燃烧室的工况参数、尺寸限制参数、性能参数和特征参数，其中，所述特征参数包括扩压器特征参数、火焰筒特征参数、流量分配特征参数、旋流器特征参数、主燃及掺混孔特征参数、冷却孔特征参数；
根据工况参数、尺寸限制参数和扩压器特征参数计算获得扩压器设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数和火焰筒特征参数计算获得火焰筒设计尺寸参数；
根据工况参数、流量分配特征参数计算获得流量分配设计参数；
根据工况参数、性能参数、尺寸限制参数、火焰筒设计尺寸参数、流量分配设计参数和旋流器特征参数计算获得旋流器设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、流量分配设计参数、火焰筒设计尺寸参数计算获得帽罩设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数、火焰筒设计尺寸参数、流量分配设计参数、主燃及掺混孔特征参数计算获得主燃及掺混孔设计尺寸参数；
根据性能参数、火焰筒特征参数、流量分配设计参数和冷却孔特征参数计算获得冷却孔设计尺寸参数；
步骤二、根据所述尺寸参数文件建立燃烧室的三维模型。
进一步地，所述工况参数包括进口质量流量、进口总压强、进口总温度、进口马赫数、燃料质量流量；所述尺寸限制参数包括进口主半径、喷嘴数、燃烧室出口高度；所述性能参数包括总压强恢复系数、出口温度分布系数。
进一步地，所述扩压器特征参数包括扩压器出口马赫数；
所述火焰筒特征参数包括全局流阻系数、燃料燃烧理论空气量、主燃区当量比、主燃区出口马赫数、主燃区出口温度、外环腔马赫数、火焰筒头部角度；
所述流量分配特征参数包括旋流器空气流量比例、头部冷却空气流量比例、主燃孔空气流量比例、掺混孔空气流量比例、壁面冷却空气流量比例；
所述旋流器特征参数包括旋流器系数、旋流器内径、旋流数、叶片数、叶片厚度；
所述掺混孔特征参数包括主燃孔的射流穿深与火焰筒直径比、掺混孔的射流穿深与火焰筒直径比、主燃及掺混孔的流量系数、中间区出口温度、主燃孔数量与喷嘴数比、掺混孔数量与喷嘴数比；
所述冷却孔特征参数包括冷却孔直径及流量系数。
进一步地，步骤一中对于前置扩压器且为直壁的突扩扩压器，计算获得的扩压器设计尺寸参数包括长度、轴向长度、进口面积、进口高度、进口空气密度、出口面积、出口高度、扩张半角、突扩间距、突扩角；计算获得的火焰筒设计尺寸参数包括燃烧室参考截面积、燃烧室参考截面直径、火焰筒面积、直径、长度、火焰筒头部长度、主燃区长度、掺混区长度、掺混孔处火焰区直径；计算获得的流量分配设计参数包括旋流器空气质量流量、头部冷却空气质量流量、主燃孔空气质量流量、掺混孔空气质量流量、壁面冷却空气质量流量。
进一步地，步骤一中计算获得的旋流器设计尺寸参数包括旋流器叶片角和旋流器外径；计算获得的帽罩设计尺寸参数包括帽罩进口高度；计算获得的主燃及掺混孔设计尺寸参数包括主燃孔孔径及数量，掺混孔孔径及数量；计算获得的冷却孔设计尺寸参数包括壁面冷却孔数量。
进一步地，步骤一中燃烧室参考截面积利用流阻法、燃烧效率法、燃烧负荷法三种方法确定，选择三种方法确定的参考截面积的最大值作为最终的燃烧室参考截面积。
进一步地，所述流阻法根据总压强损失系数及全局流阻系数计算获得参考截面积A1；所述燃烧效率法根据参考截面直径和进口主半径计算获得参考截面积A2；所述燃烧负荷法根据进口总温度、进口总压强、总压强恢复系数、燃料质量流量、主燃区出口马赫数、主燃区出口温度、主燃区当量比、燃料燃烧理论空气量、外环腔马赫数计算获得参考截面积A3。
进一步地，通过MATLAB软件编程实现燃烧室各部分结构的尺寸参数的计算获取。
进一步地，通过UG软件编程实现燃烧室的三维模型的建立。
进一步地，所述燃烧室为直流环形燃烧室。
本发明的有益技术效果是：
针对燃气轮机燃烧室的初步设计和三维建模工作，与传统设计建模方法相比，本发明可实现自动化的初步设计计算与三维几何建模，节省由于对设计参数、几何结构反复重复优化修改而耗费的大量时间。本发明通过在燃气轮机燃烧室设计计算MATLAB软件与三维几何建模UG软件中间基于Excel文件的数据传递，可实现设计与建模的耦合，为前后的优化修改等工作提供了便利。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是直流环形燃烧室的结构示意图；
图2是扩压器结构示意图；
图3是空气流量分配示意图；
图4是单级轴向旋流器结构示意图；
图5是单孔射流结构示意图；
图6是多斜孔冷却结构示意图；
图7是本发明实施例一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法的整体设计流程示意图；
图8是本发明实施例中燃烧室结构的设计流程示意图；
图9是本发明实施例中燃烧室三维模型结构示意图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
燃气轮机燃烧室包括多种构型，包括直流环形燃烧室、环管燃烧室、单管燃烧室；其中，直流环形燃烧室的结构如图1所示，扩压器1直接与外机匣相连接，整个火焰筒3位于机匣2的内部中央，包括火焰筒筒体、头部的帽罩8、头部的旋流器4、壁面上的一排主燃孔5、一排掺混孔6以及壁面上的多排冷却孔7，其中主燃孔5位置上更靠近头部；参考面积/直径是指外机匣最大截面的面积/直径。
对于现有的直流环形燃烧室，本发明第一实施例提供一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据设计要求计算获取燃烧室各部分结构的尺寸参数，并形成尺寸参数文件；具体包括：
输入燃烧室的工况参数、尺寸限制参数、性能参数和特征参数，其中，所述特征参数包括扩压器特征参数、火焰筒特征参数、流量分配特征参数、旋流器特征参数、主燃及掺混孔特征参数、冷却孔特征参数；
根据工况参数、尺寸限制参数和扩压器特征参数计算获得扩压器设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数和火焰筒特征参数计算获得火焰筒设计尺寸参数；
根据工况参数、流量分配特征参数计算获得流量分配设计参数；
根据工况参数、性能参数、尺寸限制参数、火焰筒设计尺寸参数、流量分配设计参数和旋流器特征参数计算获得旋流器设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、流量分配设计参数、火焰筒设计尺寸参数计算获得帽罩设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数、火焰筒设计尺寸参数、流量分配设计参数、主燃及掺混孔特征参数计算获得主燃及掺混孔设计尺寸参数；
根据性能参数、火焰筒特征参数、流量分配设计参数和冷却孔特征参数计算获得冷却孔设计尺寸参数；
步骤二、根据所述尺寸参数文件建立燃烧室的三维模型。
本实施例中，优选地，所述工况参数包括进口质量流量、进口总压强、进口总温度、进口马赫数、燃料质量流量；所述尺寸限制参数包括进口主半径、喷嘴数、燃烧室出口高度；所述性能参数包括总压强恢复系数、出口温度分布系数。
本实施例中，优选地，所述扩压器特征参数包括扩压器出口马赫数；
所述火焰筒特征参数包括全局流阻系数、燃料燃烧理论空气量、主燃区当量比、主燃区出口马赫数、主燃区出口温度、外环腔马赫数、火焰筒头部角度；
所述流量分配特征参数包括旋流器空气流量比例、头部冷却空气流量比例、主燃孔空气流量比例、掺混孔空气流量比例、壁面冷却空气流量比例；
所述旋流器特征参数包括旋流器系数、旋流器内径、旋流数、叶片数、叶片厚度；
所述掺混孔特征参数包括主燃孔的射流穿深与火焰筒直径比、掺混孔的射流穿深与火焰筒直径比、主燃及掺混孔的流量系数、中间区出口温度、主燃孔数量与喷嘴数比、掺混孔数量与喷嘴数比；
所述冷却孔特征参数包括冷却孔直径及流量系数。
本实施例中，优选地，步骤一中对于前置扩压器且为直壁的突扩扩压器，计算获得的扩压器设计尺寸参数包括长度、轴向长度、进口面积、进口高度、进口空气密度、出口面积、出口高度、扩张半角、突扩间距、突扩角；计算获得的火焰筒设计尺寸参数包括燃烧室参考截面积、燃烧室参考截面直径、火焰筒面积、直径、长度、火焰筒头部长度、主燃区长度、掺混区长度、掺混孔处火焰区直径；计算获得的流量分配设计参数包括旋流器空气质量流量、头部冷却空气质量流量、主燃孔空气质量流量、掺混孔空气质量流量、壁面冷却空气质量流量。
本实施例中，优选地，步骤一中计算获得的旋流器设计尺寸参数包括旋流器叶片角和旋流器外径；计算获得的帽罩设计尺寸参数包括帽罩进口高度；计算获得的主燃及掺混孔设计尺寸参数包括主燃孔孔径及数量，掺混孔孔径及数量；计算获得的冷却孔设计尺寸参数包括壁面冷却孔数量。
本实施例中，优选地，步骤一中燃烧室参考截面积利用流阻法、燃烧效率法、燃烧负荷法三种方法确定，选择三种方法确定的参考截面积的最大值作为最终的燃烧室参考截面积。
本实施例中，优选地，所述流阻法根据总压强损失系数及全局流阻系数计算获得参考截面积A1；所述燃烧效率法根据参考截面直径和进口主半径计算获得参考截面积A2；所述燃烧负荷法根据进口总温度、进口总压强、总压强恢复系数、燃料质量流量、主燃区出口马赫数、主燃区出口温度、主燃区当量比、燃料燃烧理论空气量、外环腔马赫数计算获得参考截面积A3。
本实施例中，优选地，通过MATLAB软件编程实现燃烧室各部分结构的尺寸参数的计算获取。
本实施例中，优选地，通过UG软件编程实现燃烧室的三维模型的建立。
本发明第一实施例所述一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法的功能可以由下述一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模系统说明，因此本实施例未详述部分可参见以下系统实施例，在此不再赘述。
本发明第二实施例提供一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模系统，该系统用于根据设计要求对燃烧室进行自动化建模，包括尺寸参数计算模块和三维模型建立模块；所述尺寸参数计算模块用于根据设计要求计算获取燃烧室各部分结构的尺寸参数，并形成尺寸参数文件传输给所述三维模型建立模块；所述三维模型建立模块用于根据所述尺寸参数文件建立燃烧室的三维模型；其中，所述尺寸参数计算模块包括：
设计要求输入子模块，用于输入燃烧室的工况参数、尺寸限制参数、性能参数和特征参数，其中，所述特征参数包括扩压器特征参数、火焰筒特征参数、流量分配特征参数、旋流器特征参数、主燃及掺混孔特征参数、冷却孔特征参数；
扩压器设计子模块，用于根据工况参数、尺寸限制参数和扩压器特征参数计算获得扩压器设计尺寸参数；
火焰筒设计子模块，用于根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数和火焰筒特征参数计算获得火焰筒设计尺寸参数；
空气流量分配子模块，用于根据工况参数、流量分配特征参数计算获得流量分配设计参数；
旋流器设计子模块，用于根据工况参数、性能参数、尺寸限制参数、火焰筒设计尺寸参数、流量分配设计参数和旋流器特征参数计算获得旋流器设计尺寸参数；
帽罩设计子模块，用于根据工况参数、尺寸限制参数、流量分配设计参数、火焰筒设计尺寸参数计算获得帽罩设计尺寸参数；
主燃及掺混孔设计子模块，用于根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数、火焰筒设计尺寸参数、流量分配设计参数、主燃及掺混孔特征参数计算获得主燃及掺混孔设计尺寸参数；
冷却孔设计子模块，用于根据性能参数、火焰筒特征参数、流量分配设计参数和冷却孔特征参数计算获得冷却孔设计尺寸参数。
本实施例中，优选地，所述工况参数包括进口质量流量、进口总压强、进口总温度、进口马赫数、燃料质量流量；所述尺寸限制参数包括进口主半径、喷嘴数、燃烧室出口高度；所述性能参数包括总压强恢复系数、出口温度分布系数。
本实施例中，优选地，所述扩压器特征参数包括扩压器出口马赫数；
所述火焰筒特征参数包括全局流阻系数、燃料燃烧理论空气量、主燃区当量比、主燃区出口马赫数、主燃区出口温度、外环腔马赫数、火焰筒头部角度；
所述流量分配特征参数包括旋流器空气流量比例、头部冷却空气流量比例、主燃孔空气流量比例、掺混孔空气流量比例、壁面冷却空气流量比例；
所述旋流器特征参数包括旋流器系数、旋流器内径、旋流数、叶片数、叶片厚度；
所述掺混孔特征参数包括主燃孔的射流穿深与火焰筒直径比、掺混孔的射流穿深与火焰筒直径比、主燃及掺混孔的流量系数、中间区出口温度、主燃孔数量与喷嘴数比、掺混孔数量与喷嘴数比；
所述冷却孔特征参数包括冷却孔直径及流量系数。
1)扩压器设计子模块中对于前置扩压器且为直壁的突扩扩压器，计算获得的扩压器设计尺寸参数包括长度、轴向长度、进口面积、进口高度、进口空气密度、出口面积、出口高度、扩张半角、突扩间距、突扩角；
具体地，扩压器选用前置扩压器，且为直壁的突扩扩压器，其结构示意图如图2所示。首先，根据给定的进口工况参数：进口总压强P3、进口总温度T3，进口质量流量m3，进口马赫数M31求解下述方程组：
Figure BDA0003706515630000071
可解得扩压器进口面积A31和进口空气密度ρ3。
又由给定尺寸限制参数燃烧室进口主半径Rmean及特征参数直壁段扩压器出口马赫数M32，求解下述方程：
Figure BDA0003706515630000081
可解得前置直壁扩压器进出口面积比AR及扩压器出口面积A32。
由经验公式使环形扩压器总压损失最小的前置扩压器扩张半角θD满足公式：
Figure BDA0003706515630000082
又对于环形前置扩压器存在几何关系：
Figure BDA0003706515630000083
从而θD可解。
前置扩压器出口高度满足：
h2＝AR·h1 (5)
可解出前置扩压器轴向长度：
Figure BDA0003706515630000084
保证扩压器突扩段流阻系数最小，根据经验选定突扩间距：
Dg＝1.5h1 (7)
选取突扩角：
β＝70° (8)
至此扩压器设计完毕。
2)火焰筒设计子模块中计算获得的火焰筒设计尺寸参数包括燃烧室参考截面积、燃烧室参考截面直径、火焰筒面积、直径、长度、火焰筒头部长度、主燃区长度、掺混区长度、掺混孔处火焰区直径；
具体地，参考(外机匣)/火焰筒总体尺寸选用流阻法，燃烧效率法，燃烧负荷法三种方法确定，兼顾三者要求，选用所得出的参考截面积Aref的最大值。
a.流阻法
应用给定的总压强损失系数及流阻系数计算获得参考截面积Aref(即A1)：
Figure BDA0003706515630000091
其中R为287。
b.燃烧效率法
基于燃烧室综合参数θ与效率的经验关系：
Figure BDA0003706515630000092
其中m取0.75，b取值在300左右，由下述经验公式确定，其中主燃区当量比由主燃区空气流量和燃油量确定：
Figure BDA0003706515630000093
燃烧效率依据经验按最恶劣情况取80％，此时再由给定的流阻系数，即可求得参考截面积Aref。Dref指参考截面直径，对于环形燃烧室即环高，对于环形燃烧室两者关系为(此处Aref即A2)：
Aref＝2πRmeanDref (12)
c.燃烧负荷法
先由给定的主燃区当量比和燃油量算得主燃区空气质量流量，由主燃区γ(按1.33取)和给定的主燃区马赫数由经验图读取Q值，由：
Figure BDA0003706515630000094
即可解得火焰筒截面积Aft，由几何关系火焰筒直径Dft可解。类似的用给定的外环腔马赫数和外环腔γ(按1.4取)代入相应进口条件即可解得Aref和Dref。
选用上述三种方法所得到的Aref最大值作为设计的Aref。对于流阻法与燃烧效率法，按照
Figure BDA0003706515630000095
分别确定相应的Aft，再将三种方法所得的Aft进行比较取最大值作为设计的Aft，并由几何关系可求得Dft。
接下来，为保证出口温度分布，火焰筒长度采用经验公式计算：
Figure BDA0003706515630000101
设定火焰筒在总长度的1/2处开始收敛，直至最后收敛至给定的火焰筒出口高度值。采用单排掺混孔，其中掺混区即掺混孔位置计算采用下述方程组：
Figure BDA0003706515630000102
即可解得掺混段长度Ldz和掺混孔处火焰筒直径Ddz。
在完成旋流器计算后可进行这一部分中的主燃区计算。由旋流器部分所求得的旋流器外径Dsw和给定的θdome及上述求得的Dft可算得火焰筒头部长度：
Figure BDA0003706515630000103
按照Magic Circle理论并近似取主燃区长度等于回流区长度，可得：
Figure BDA0003706515630000104
至此，参考/火焰筒总体尺寸设计完毕。
3)空气流量分配子模块中计算获得的流量分配设计参数包括旋流器空气质量流量、头部冷却空气质量流量、主燃孔空气质量流量、掺混孔空气质量流量、壁面冷却空气质量流量；
具体地，空气流量分配示意如图3所示，直接按照给定的旋流器，头部冷却，主燃孔，掺混孔，壁面冷却空气流量比例，分别乘上总空气质量流量，可求得旋流器空气质量流量msw，头部冷却空气质量流量mdcool，主燃孔空气质量流量mp，掺混孔空气质量流量md，壁面冷却空气质量流量mwcool。
4)旋流器设计子模块中计算获得的旋流器设计尺寸参数包括旋流器叶片角和旋流器外径；
具体地，旋流器选用单级轴向旋流器，如图4所示。给定旋流器内径Dhub与旋流数SN，参数Ksw直叶片取1.3，弯叶片取1.15，叶片厚度tv按经验取0.75-1.5mm，叶片数nv按经验取8-16。求解未知量为旋流器叶片角θv和旋流器外径Dsw的方程组：
Figure BDA0003706515630000111
其中旋流器总压损失近似取全局总压损失，而单个旋流器质量流量为总旋流器质量流量除以给定的喷嘴数所得。旋流器面积：
Figure BDA0003706515630000112
从而θv与Dsw可解。至此旋流器设计完毕。
5)帽罩设计子模块中计算获得的帽罩设计尺寸参数包括帽罩进口高度；
具体地，帽罩设计首先近似计算帽罩进口面积：
Figure BDA0003706515630000113
其中流量系数Cd,s取1，再由给定的主半径，从而可求得帽罩进口高度：
Figure BDA0003706515630000114
6)主燃及掺混孔设计子模块中计算获得的主燃及掺混孔设计尺寸参数包括主燃孔孔径及数量，掺混孔孔径及数量；
具体地，采用射流模型进行计算，示意图如图5所示。最大射流深度和射流直径有关系为：
Figure BDA0003706515630000115
其中对于主燃孔和掺混孔Ymax分别由给定的两者的射流穿深与火焰筒直径比所确定。而J为射流与主流的动量通量比：
Figure BDA0003706515630000116
由气体动力学关系：
Figure BDA0003706515630000121
对于主燃孔和掺混孔Tg分别取主燃区出口温度和中间区出口温度，射流质量流量和主流质量流量由流量分配决定。从而ug和ρg可解。沿射流流线有伯努利方程：
Figure BDA0003706515630000122
近似解得：
Figure BDA0003706515630000123
其中火焰筒总压损失近似取全局总压损失。此外ρj取进口空气密度。从而射流直径dj可解得。最后射流孔直径与射流直径关系为：
Figure BDA0003706515630000124
其中流量系数Cd取0.6-0.65。从而对应的主燃孔直径dpo和掺混孔直径ddo。
按照给定系数，主燃孔孔数取2-4倍喷嘴数，掺混孔孔数取4-8倍喷嘴数。至此主燃/掺混孔设计完毕。
7)冷却孔设计子模块中计算获得的冷却孔设计尺寸参数包括壁面冷却孔数量；
具体地，冷却孔设计选用多斜孔式冷却，如图6所示。总的冷却孔面积为：
Figure BDA0003706515630000125
其中质量流量由分配决定，流量系数和压力损失给定，冷却孔孔径取决于所需的冷却结构类型，同样给定。从而冷却孔数目可以确定：
Figure BDA0003706515630000126
冷却孔的排布由所需的冷却结构类型决定。
本发明第三实施例提供一种联合MATLAB和UG NX的燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，图7示出了自动化设计的流程图。以直流环形燃烧室设计为例，由MATLAB编程，形成燃烧室设计计算的GUI界面，从而实现燃烧室的自动化初步设计计算，获得与燃烧室三维模型相对应的零维尺寸参数序列。
MATLAB-GUI界面工作流程图如图8所示，其工作过程如下：首先打开主界面，选择所需设计燃烧室构型；在设计要求输入界面中，依次输入燃烧室设计所需的尺寸限制参数、工况参数和性能参数；依次在扩压器、参考截面/火焰筒尺寸、流量分配、帽罩、旋流器、主燃/掺混孔、冷却孔等模块的设计页面中补充输入各模块设计所需的特征参数，完成各模块设计计算；汇总获得直流环形燃烧室建立三维模型所需的多个尺寸参数，其中主要尺寸参数所对应结构如图1所示；在尺寸结果页面点击数据导出按钮将尺寸数据导出至指定目录下的Excel文件；点击三维建模按钮，基于环境变量读取UG安装路径，自动打开UG。
UG(Unigraphics NX)软件是Siemens PLM Software公司出品的一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，以及满足各种工业化需求，提供了经过实践验证的解决方案。
基于Excel文件实现尺寸数据由MATLAB到UG的中间传递，通过在MATLAB所编写的GUI界面直接操作，将全部尺寸参数导出至指定路径下生成Excel数据文件，以便于后续从UG中调取。
通过在UG中配置基于UFun和NX Open C++的二次开发环境，并编写与所获得燃烧室尺寸参数相匹配的UIStyler界面，由Visio Studio应用C++编译开发代码，生成*.dll文件并在UG工作目录中配置，实现直流环形燃烧室基于所获得参数的三维模型的自动化建立，同时实现尺寸数据文件指向UIstyler界面的导入。UG-UIStyler界面工作过程如下：完成模型文件创建后，在UG工作窗口的主界面菜单中即可由三个菜单按钮分别打开与火焰筒建模、旋流器建模、机匣建模相对应的三个UIStyler界面；指定路径下的Excel文件中的尺寸数据会直接导入到对应的尺寸参量输入栏中，根据需要也可在输入栏中对尺寸数据进行二次编辑；完成每个界面的参数输入后，点击确定按钮即可实现火焰筒、旋流器、机匣三维模型的自动化建立，依次运行三个界面即可完成整个直流环形燃烧室三维模型的自动化建立，所建立三维模型结构如图9所示。
需要说明的是，本发明对于燃烧室自动化设计的流程同样适用于其他构型，如回流环形燃烧室、折流环形燃烧室、环管燃烧室、单管燃烧室等多种构型的燃气轮机燃烧室；不仅适用于对高油气比高温升燃气轮机燃烧室进行设计建模，还适用于对低排放燃气轮机燃烧室进行设计建模。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了若干单元、模块或子模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中具体化。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据设计要求计算获取燃烧室各部分结构的尺寸参数，并形成尺寸参数文件；具体包括：
输入燃烧室的工况参数、尺寸限制参数、性能参数和特征参数，其中，所述特征参数包括扩压器特征参数、火焰筒特征参数、流量分配特征参数、旋流器特征参数、主燃及掺混孔特征参数、冷却孔特征参数；
根据工况参数、尺寸限制参数和扩压器特征参数计算获得扩压器设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数和火焰筒特征参数计算获得火焰筒设计尺寸参数；
根据工况参数、流量分配特征参数计算获得流量分配设计参数；
根据工况参数、性能参数、尺寸限制参数、火焰筒设计尺寸参数、流量分配设计参数和旋流器特征参数计算获得旋流器设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、流量分配设计参数、火焰筒设计尺寸参数计算获得帽罩设计尺寸参数；
根据工况参数、尺寸限制参数、性能参数、火焰筒设计尺寸参数、流量分配设计参数、主燃及掺混孔特征参数计算获得主燃及掺混孔设计尺寸参数；
根据性能参数、火焰筒特征参数、流量分配设计参数和冷却孔特征参数计算获得冷却孔设计尺寸参数；
步骤二、根据所述尺寸参数文件建立燃烧室的三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：所述工况参数包括进口质量流量、进口总压强、进口总温度、进口马赫数、燃料质量流量；所述尺寸限制参数包括进口主半径、喷嘴数、燃烧室出口高度；所述性能参数包括总压强恢复系数、出口温度分布系数。
3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：
所述扩压器特征参数包括扩压器出口马赫数；
所述火焰筒特征参数包括全局流阻系数、燃料燃烧理论空气量、主燃区当量比、主燃区出口马赫数、主燃区出口温度、外环腔马赫数、火焰筒头部角度；
所述流量分配特征参数包括旋流器空气流量比例、头部冷却空气流量比例、主燃孔空气流量比例、掺混孔空气流量比例、壁面冷却空气流量比例；
所述旋流器特征参数包括旋流器系数、旋流器内径、旋流数、叶片数、叶片厚度；
所述掺混孔特征参数包括主燃孔的射流穿深与火焰筒直径比、掺混孔的射流穿深与火焰筒直径比、主燃及掺混孔的流量系数、中间区出口温度、主燃孔数量与喷嘴数比、掺混孔数量与喷嘴数比；
所述冷却孔特征参数包括冷却孔直径及流量系数。
4.根据权利要求3所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：步骤一中对于前置扩压器且为直壁的突扩扩压器，计算获得的扩压器设计尺寸参数包括长度、轴向长度、进口面积、进口高度、进口空气密度、出口面积、出口高度、扩张半角、突扩间距、突扩角；计算获得的火焰筒设计尺寸参数包括燃烧室参考截面积、燃烧室参考截面直径、火焰筒面积、直径、长度、火焰筒头部长度、主燃区长度、掺混区长度、掺混孔处火焰区直径；计算获得的流量分配设计参数包括旋流器空气质量流量、头部冷却空气质量流量、主燃孔空气质量流量、掺混孔空气质量流量、壁面冷却空气质量流量。
5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：步骤一中计算获得的旋流器设计尺寸参数包括旋流器叶片角和旋流器外径；计算获得的帽罩设计尺寸参数包括帽罩进口高度；计算获得的主燃及掺混孔设计尺寸参数包括主燃孔孔径及数量，掺混孔孔径及数量；计算获得的冷却孔设计尺寸参数包括壁面冷却孔数量。
6.根据权利要求4所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：步骤一中燃烧室参考截面积利用流阻法、燃烧效率法、燃烧负荷法三种方法确定，选择三种方法确定的参考截面积的最大值作为最终的燃烧室参考截面积。
7.根据权利要求6所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：所述流阻法根据总压强损失系数及全局流阻系数计算获得参考截面积A1；所述燃烧效率法根据参考截面直径和进口主半径计算获得参考截面积A2；所述燃烧负荷法根据进口总温度、进口总压强、总压强恢复系数、燃料质量流量、主燃区出口马赫数、主燃区出口温度、主燃区当量比、燃料燃烧理论空气量、外环腔马赫数计算获得参考截面积A3。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：通过MATLAB软件编程实现燃烧室各部分结构的尺寸参数的计算获取。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：通过UG软件编程实现燃烧室的三维模型的建立。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法，其特征在于：所述燃烧室为直流环形燃烧室。
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