[发明专利]一种燃气轮机燃烧室自动化设计建模方法

权利要求书

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；

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；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；所述主燃及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；

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；扩压器为前置扩压器且为直壁的突扩扩压器，所述扩压器设计尺寸参数包括长度L、轴向长度N_D、进口面积A₃₁、进口高度h₁、进口空气密度ρ₃、出口面积A₃₂、出口高度h₂、扩张半角θ_D、突扩间距D_g、突扩角β；具体计算过程包括：

根据输入的工况参数：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：

解得扩压器进口面积A₃₁和进口空气密度ρ₃；

根据输入的尺寸限制参数-进口主半径R_mean及特征参数-扩压器出口马赫数M₃₂，求解下述方程：

解得扩压器进出口面积比AR及扩压器出口面积A₃₂；

根据进口高度h₁和进出口面积比AR求解下述方程：

解得扩压器扩张半角θ_D；

根据进口高度h₁和进出口面积比AR计算解得扩压器出口高度h₂为：

h₂＝AR·h₁

扩压器轴向长度N_D为：

突扩间距D_g为：

D_g＝1.5h₁

突扩角β为：

β＝70°

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；所述火焰筒设计尺寸参数包括燃烧室参考截面积A_ref、燃烧室参考截面直径D_ref、火焰筒面积A_ft、直径D_ft、长度L_ft、火焰筒头部长度L_dome、主燃区长度L_pc、掺混区长度L_dz、掺混孔处火焰区直径D_dz；具体计算过程包括：

所述燃烧室参考截面积A_ref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；其中：

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A1，参考截面积A1的计算公式为：

其中，R为287；A_ref即为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A2，参考截面积A2的计算公式为：

其中m取0.75，b取值300，A_ref即为A2；

所述燃烧效率法中燃烧室参考截面直径D_ref的计算公式为：

A_ref＝2πR_meanD_ref

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；参考截面积A3的计算方法为：

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和给定的主燃区马赫数由经验图读取Q值，由：

即可解得火焰筒截面积A_ft，由几何关系火焰筒直径D_ft可解；用给定的外环腔马赫数和外环腔γ代入相应进口条件即可解得A_ref和D_ref；

所述火焰筒面积A_ft的计算为：对于流阻法与燃烧效率法，火焰筒面积等于0.7倍的参考截面积，将三种方法所得的火焰筒面积进行比较取最大值作为最终的设计的火焰筒面积A_ft；所述火焰筒直径D_ft根据火焰筒面积A_ft和几何关系求得；

所述火焰筒长度L_ft计算公式为：

所述火焰筒头部长度L_dome的计算公式为：

式中，D_sw表示旋流器外径；

所述主燃区长度L_pz的计算公式为：

所述掺混区长度L_dz和掺混孔处火焰区直径D_dz的计算公式为：

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；所述流量分配设计参数包括旋流器空气质量流量m_sw、头部冷却空气质量流量m_dcool、主燃孔空气质量流量m_p、掺混孔空气质量流量m_d、壁面冷却空气质量流量m_wcool；具体计算过程包括：将旋流器头部冷却、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，求得旋流器空气质量流量m_sw，头部冷却空气质量流量m_dcool，主燃孔空气质量流量m_p，掺混孔空气质量流量m_d，壁面冷却空气质量流量m_wcool；

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；所述旋流器为单级轴向旋流器，所述旋流器设计尺寸参数包括旋流器叶片角θ_v和旋流器外径D_sw，求解下述方程组获得旋流器设计尺寸参数；

式中，S_N表示旋流器旋流数，D_hub表示旋流器内径；A_sw表示旋流器面积；

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；所述帽罩设计尺寸参数包括帽罩进口高度，所述帽罩进口高度D_snout的计算公式如下：

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；所述主燃及掺混孔设计尺寸参数包括主燃孔孔径d_po及数量、掺混孔孔径d_do及数量；具体计算过程包括：采用射流模型进行计算，根据射流直径和流量系数计算获得主燃孔孔径d_po或掺混孔孔径d_do；主燃孔数量及掺混孔数量为喷嘴数的倍数；

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；所述冷却孔设计尺寸参数包括壁面冷却孔数量；冷却孔设计采用多斜孔式冷却，所述壁面冷却孔数量计算公式如下：

式中，A_wcool表示冷却孔总面积；

步骤二、根据所述尺寸参数文件建立燃烧室的三维模型。