燃燒室總體尺寸的初步設計
燃燒室設計點參數和總體結構
根據某車用集成式渦輪增壓 燃氣動力發電系統整機方案,由熱力循環計算得到燃燒室的設計點參數:進口總壓為258170Pa,進口總溫為404.5K,空氣流量為0.4kg/s,出口總溫為973K.燃料為輕柴油,設計 點 工 況 燃 料 與 空 氣 的 總 過 量 空 氣 系 數為4.29.
微型單管燃燒室在設計上要考慮使整個系統具有結構緊湊、維護方便等特點.考慮到系統的安裝空間和具體用途,燃燒室採用單管形,外筒分為兩段,採用法蘭進行連接,以利於拆裝燃料噴嘴和旋流器等部件.火焰筒為「L」形,方便與渦輪進口連接.在火焰筒頭部設有徑向葉片式旋流器,旋流器中心處設置燃料噴嘴安裝孔.氣體流路的設計採用逆流式,即燃燒室進口的空氣與火焰筒內氣流的流動方向相反,這種流路方案可大大縮短燃燒室進出口之間的軸向長度.圖1為單管燃燒室結構示意圖.
燃燒室基本尺寸的確定
燃燒室外筒橫截面面積
採用壓力損失法確定燃燒室外筒橫截面面積:
式中:R 為空氣氣體常數,數值取287J/(kg·K);δb為燃燒室總壓損失係數;Φ 為對應於燃燒室外筒截面的燃燒室阻力係數,通常取值為20~30[4];qma為空氣品質流量;T*i 為燃燒室進口總溫;p*i 為燃燒室進口總壓.由於文中的燃燒室為逆流式,阻力係數是其他類型燃燒室的2~3倍,故阻力係數 Φ 為60.根據式(1)得到 Aref後,還需根據質量連續方程校驗該截面的平均氣流速度,一般不超過30m/s.
燃燒室火焰筒橫截面面積
式中k為經驗係數,取值在0.50~0.75之間
燃燒室火焰筒各區域長度的計算
頭部擴壓器長度由擴張半角、火焰筒外徑和旋流器出口半徑計算得到.火焰筒主燃區、中間區、摻混區的長度為各區域的長度係數kf 與火焰管直徑Di 的乘積,kf 的取值範圍在0.3~1.5之間
火焰筒二次射流孔尺寸
火焰筒二次射流孔尺寸由燃燒室空氣流量分配關係決定.根據有效面積法和流阻法確定了各區域空氣流量的分配關係,據此確定主燃孔數目為6個,直徑為12mm;補燃孔數目為6個,直徑為11mm;摻混 孔 為 兩 排,數 目 分 別 為 6 和 5 個,直 徑 為10mm.另外在 火 焰 筒 壁 面 上 還 布 置 了 4 排 冷 卻孔,燃燒區冷卻孔的直徑為2.5mm,數目為60個,其餘各排冷卻孔直徑為3mm,數目為48個.燃燒室結構初步設計尺寸如表1所示.