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等离子点火器燃烧流场数值与实验研究

冀光  
【摘要】: 燃气轮机在冷启动时点火的可靠性是影响燃气轮机的机动性和安全性的重要因素之一。如果燃气轮机一次点火不成功,不但会在紧急工况下成倍增加发动机启动时间,而且还会由于在发动机通流部件内可能会存在的积油而引起燃烧室的爆燃或发动机着火,对发动机的安全性和使用寿命产生严重影响。 等离子点火技术是一种新型的点火方式,它通过电离的空气在贫氧状态下对点火燃料进行热裂解,然后用高温燃料裂解气去点燃主火炬。它点火能量高、点火边界宽,可以大幅度提高燃气轮机点火的可靠性及稳定性。因此,深入开展等离子点火技术的理论研究和试验研究工作,对指导等离子点火器的设计与应用具有重要的意义。 本文详细介绍了等离子点火技术国内外研究现状和燃烧流场的数值模拟进展,系统深入地分析了等离子点火器内部化学反应模型、流场数理模型和数值模拟方法。作者采用SIMPLEC算法和贴体网格对燃用液态和气态两种不同燃料的某型等离子点火器内部湍流燃烧流场进行了多个工况的数值模拟,并对计算结果进行了详细分析,得到了工作参数对等离子点火器工作性能影响的关系曲线,提出了衡量等离子点火器点火性能的出口总能量流率的考核方法。同时,为了进一步考察等离子点火器的点火性能,作者在等离子点火器试验台上进行了液体燃料和气体燃料的等离子点火试验,考察了该型等离子点火器的点火边界和工作性能。所作的工作对等离子点火器的设计和应用研究具有重要参考价值。 在上述理论研究与试验研究的基础上,为了延长电极寿命和减轻重量,作者设计了一种具有电极强制冷却的新型等离子点火器。这种新型等离子点火器简化了设计结构,体积小巧,具有更好的工艺性和可维护性。作者用SIMPLEC算法在不同空气压差和供油压力的工况下对新型等离子点火器内部的燃烧流场进行了数值模拟与结果分析,得到了可以反映出点火器工作性能的相关曲线,并通过试验验证了方案的可行性。


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