（机械工程专业论文）重型燃机燃料总管支撑系统设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 某重型燃机由于整机使用要求的变化，其燃料总管和总管的装卡结构已不再适用， 必须针对新的使用要求及燃料、工作环境等条件进行重新设计。本文研究了该燃机燃料 总管及装卡结构的设计、计算方法和过程。 首先针对燃机使用要求的变化，分析了原结构燃料总管和装卡形式的各项优缺点， 结合分析结果，并借鉴国外燃机采用的燃料总管支撑结构，重新设计了燃料总管和支撑、 装卡方案，然后在此基础上开展了相关零、组件的结构设计和计算。完成相关设计后， 利用a n s y s 有限元软件对整个支撑系统进行静力校核计算，得出支撑结构在受力后的应 力分布、位移等参数的变化情况，由此保证了使用的可靠，新的支撑结构方案获得肯定。 ，在设计、计算过程中，开展部件结构设计前的理论计算和部件结构设计后的强度校 核计算是本文研究的重点，前期完成的理论计算使部件的结构设计更有针对性，缩短了 设计周期，后期的强度校核计算指出了设计方案改进的方向，使设计方案更加完善。本 文中使用的计算方法及设计过程中提到的结构、设计原则等都可以为与之类似的结构设 计提供参考。 关键词：燃气轮机；燃料总管；支撑；计算 重型燃机燃料总管支撑系统设计 t h ed e s i g no fs u p p o r ts y s t e mo ff u e lm a n i f o l df o rh e a v yg a st u r b i n e a b s t r a c t t h eg a st u r b i n ea sar e s u l to ft h eu s es c o p e sc h a n g e ，i t sf u e lp i p e l i n ea n di n s t a l l st h e s t r u c t u r en ol o n g e rt ob es u i t a b l e ，t h e r e f o r ei ti se s s e n t i a lt or e d e s i g no nt h eb a s i so ff u e l ，w o r k c o n d i t i o na n dw o r kr e q u i r e m e n to rm o r ef o rg a st u r b i n eo p e r a t i o n a tf i r s t ，t h eu s eo fg a st u r b i n ef o rt h ec u r r e n tr e q u e s t ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fs u p p o r ts t r u c t u r ea r ea n a l y z e dt h a tt h ef u e lm a n i f o l di sf i x e di nt h ec a s i n g c o m b i n e d r e s u l t so ft h ea n a l y s i sa n dd r a w i n go nf o r e i g nf u e lm a i n sg a st u r b i n es u p p o r ts t r u c t u r e ， r e d e s i g n e dt h en e ws t r u c t u r eo fs u p p o r tp r o g r a m s ，o nt h i sb a s i s ，t oc a r r yo u tt h er e l e v a n t p a r t sa n dc o m p o n e n t so ft h es t r u c t u r a ld e s i g na n dc a l c u l a t i o n s a f t e r r e l e v a n td e s i g n c o m p l e t e d ，i ti sc a l c u l a t e df o rs t r e n g t hv e r i f i c a t i o nt ot h ew h o l es u p p o r ts y s t e m 丽t l lt h eu s a g e o fa n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h ec o n c l u s i o ni sg i v e nh o wt h es t r e s s d i s t r i b u t i o n ，t h ed i s p l a c ea n do t h e rp a r a m e t e r sa r ev a r i e d w h e nt h es u p p o r ts t r u c t u r ei s a p p l i e db yt h ew o r k i n gl o a d s f u r t h e r m o r e ，t h es a f e t yo f t h eu s a g ei sa l s oe v a l u a t e d i nt h ec o u r s eo ft h ed e s i g n ，t h ee m p h a s e si n t r o d u c e db yt h i sp a p e ra r et h et h e o r y c a l c u l a t i o nb e f o r es t r u c t u r ed e s i g na n dt h es t r e n g t hv e r i f i c a t i o na f t e rs t r u c t u r ed e s i g n t h e t h e o r yc a l c u l a t i o ni sa i mt ot h es t r u c t u r ed e s i g no fc o m p o n e n t sa n dp a r t s ，w h i c hr e d u c et h e d e s i g nc y c l e t h es t r e n g t hv e r i f i c a t i o nc a l c u l a t i o ni l l u m i n a t e st h ei m p r o v e m e n to fd e s i g n s c h e m e t h ec a l c u l a t i o nm e t h o da d o r e di nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r em e n t i o n e dd u r i n gd e s i g n a n dt h ed e s i g np r i n c i p l ec a np r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h es i m i l a rs t r u c t u r e s k e yw o r d s ： g a st u r b i n ee n g i n e ；f u e lm a n i f o l d ；s u p p o r t ；c a l c u l a t i o n i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 日期：盈粤年旦月卫日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学专业学位硕士学位论文 己l言 -目 某重型燃机是国内第一个拥有自主知识产权的燃机，在燃机的研制过程中，对燃机 的原结构进行了很多有针对性的改进设计，本文介绍的燃料总管支撑系统设计就是其中 之一。 该重型燃机原结构的燃料总管固定在发动机机匣上，同时安装了燃油、燃气两种燃 料的总管，这种结构主要是针对燃机的工作特性设计的，该燃机可以在工作期间，不停 机进行燃油、燃气两种燃料切换，这种结构本身是一种较为先进、新颖的技术，但也有 其适用的范围。该重型燃机研制完成，首要的功能是用于发电，如果进行两种燃料切换 工作，需要配备两套燃料供给系统，国内目前还没有这样的电厂，而在使用单一燃料的 情况，配装两套燃料总管，不利于日常的维护，而且增加了燃机的安装、使用成本。 新结构的燃料总管支撑系统是针对燃机在电站中使用气体燃料的情况设计的，初始 设计的燃料是针对天然气，但考虑到中、低热值的燃料市场更加广泛，因此也进行了相 关方面的计算。 由于收集到的关于燃机燃料总管装卡的资料较少，因此在设计过程中，借鉴了大量 其它管路支撑方面经验，虽然在设计方案完成后进行了相关的校核计算，但在实际使用 中依然会不可避免的出现各种问题，需要根据具体情况去不断的完善结构。 重型燃机燃料总管支撑系统设计 1 前言 1 1技术背景 2 0 世纪8 0 年代后，燃气轮机联合循环技术日臻成熟，逐步成为继汽轮机后的主要发 电装置。美国、欧洲、日本等国政府制定了扶持燃气轮机技术开发的产业政策和发展计 划，投入大量研究经费，使电站燃气轮机的技术水平得到很大的提高。由于其优越性， 2 0 世纪8 0 年代以来燃气轮机技术进入了一个高速发展时期，国外大公司相继推出了先进 的大功率高效率的燃气轮机。燃气轮机联合循环在世界电力生产中的地位也发生明显变 化，不仅用作紧急备用电源和调峰机组，而且能带基本负荷和中间负荷。燃气轮机联合 循环在世界发电容量中所占的份额快速增长，据前几年统计，全世界每年增长的发电容 量中，约有3 6 为燃气轮机联合循环机组，燃气轮机联合循环电站已开始与传统的蒸汽 轮机电站持平，并有超越的趋势l l 。7 j 。 我国采用重型燃气轮机作为发电设备的原动力，始于2 0 世纪7 0 年代。到9 0 年代 初，东南沿海经济发达地区，含上海、浙江、广东等地陆续引进了g e 公司的，功率为 1 2 万k w 级的9 e ( m s 9 0 0 1 e ) 以及少量西门子、a b b 公司的燃机，共约二十几台套。 这些机型有的作为简单循环，有的为联合循环运行。由于油料供应紧张，燃机应用没有 得到更大规模的发展。这些燃机发电厂对城市的电力供应起了很大作用，经济效益都很 好，且由于燃机电厂较常规火电厂清洁、环保、占地少、建设周期短，单个千瓦投资省， 起停快速便于电网调度等显著优点，尽管上网电价较火电略高，也得到了社会的认可和 赞誉。到9 0 年代末本世纪初，由于国内确定了“西气东输”项目，引进东南亚的液化 天然气项目付诸实施，加之我国经济的持续高速发展，对电力的紧迫需求，各地纷纷上 报要求引进更大功率和更加先进的燃机，采用天然气( 或液化气) 为燃料，降低了发电 成本( 比用油作燃料) 。 以天然气为燃料的燃气轮机联合循环发电机组适用于大城市及负荷中心地区。随着 社会经济的高速发展，大电网昼夜负荷峰谷差越来越大。燃气轮机联合循环机组良好的 机动性使其成为理想的调峰机组，能够经济有效地保障电网的安全运行。同时，燃气轮 机联合循环电站将来也有可能承担部分增加的基本负荷或中间负荷。此外，在工业大城 市附近，往往也是常规燃煤热电厂污染的严重地区。为改善工业大城市周边的大气环境， 也有必要用以天然气为燃料的燃气轮机热电联供机组替代常规燃煤热电厂。 随着我国能源结构的调整和天然气资源的开发利用，以天然气为燃料的大型燃气轮 机联合循环电站已开始规模化建设。随着西气东输工程的建成和东海油气田开发，我国 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 在华北、华东地区将投运一批燃气轮机联合循环电站；利用进口液化天然气，在广东、 福建等地建设一批l n g 燃气轮机联合循环电站。根据预测，至u 2 0 2 0 年我国天然气发电的 装机容量将达到60 0 0 万k w ，除去目前已建和在建的2 60 0 0 m w 规模，今后1 4 年还将建 设3 50 0 0m w 左右的燃气轮机电站。如果再考虑i g c c 等燃煤，燃气蒸汽联合循环等 洁净燃煤技术的开发和应用，应该说我国重型燃气轮机产业的市场前景广阔。 发展燃气轮机产业已成为我国发电设备制造业面临的重要命题。为了推进和发展我 国的燃气轮机产业，从2 0 0 2 年起，国家发展和改革委员会实施以市场换技术的重大举措， 对规划批量建设的燃气轮机电站项目进行“打捆 式设备招标采购，同时引进先进的大 型燃气轮机制造技术。由资格评审合格的国外燃气轮机制造商与国内制造企业组成联合 体，投标竞争国内一定批量燃气轮机联合循环电站项目的设备订单。联合体内部外方转 让大型燃气轮机制造技术，国内制造企业根据引进技术消化吸收进度、生产能力、获得 的订单台数和交货周期等因素，制定自主化制造的进程和方案，分阶段实施，逐步实现 燃气轮机联合循环电站设备制造的本地化、自主化。通过打捆招标引进国外先进燃气轮 机联合循环电站设备及其制造技术，一方面满足了西气东输工程沿线建设天然气电站项 目的紧迫需求，业主以优惠的价格和条件采购到了燃气轮机联合循环电站设备；另一方 面，国内制造企业获得了国外先进的重型燃气轮机制造技术，使我国燃气轮机产业实现 了高起点起步。 重型燃气轮机是技术密集型产品，集多项高新技术于一体。其核心技术包括高效率、 高性能的通流部分设计技术、燃烧技术、先进的冷却技术、高温热部件的材料、制造工 艺、涂层保护技术、高转速机械轴系稳定性、总能系统的优化技术、先进控制技术等。 各大燃气轮机制造商通过移植航空发动机的先进技术，开发出一批大功率、高效率的大 型燃气轮机，既具有重型燃气轮机的单轴结构、水平中分面和设计寿命长等特点，又具 有航空发动机的高燃气初温、高压比、高效率的特点。 实现燃气轮机的自主化制造，需要投入大量的资金和装备。在消化吸收引进制造技 术，实现燃气轮机联合循环成套设备自主化生产的基础上，还必须有针对性地对燃气轮 机关键技术进行科研攻关，进行二次开发，掌握大型燃气轮机研制的核心技术，逐渐形 成自主设计开发体系，促进我国燃气轮机产业发展。 ( 1 ) 消化吸收引进技术，掌握大型燃气轮机制造的技术关键。自主化制造的f 级燃气 轮机各项技术性能指标应达到国外同类产品水平，并形成批量生产能力。其中包括压气 机研制、燃气透平研制、燃烧系统研制、燃气轮机控制系统研制、燃气轮机总装配技术 消化吸收、高温转子及叶片材料制造等。同时相应地形成具有自主知识产权的制造标准 和工艺规范。 重型燃机燃料总管支撑系统设计 ( 2 ) 燃气轮机辅助系统制造技术消化吸收。燃气轮机辅助系统是实现自主化制造的 主要组成部分。由于这部分设备国外制造商只向国内企业提供采购技术规范，首先需要 国内企业按技术规范进行设计，然后进行制造和采购。一般来说，除了少量关键部套目 前尚需进口外，辅助系统的大部分可以实现自主化制造，但必须符合外方对辅助系统严 格的质量规范，使自主化制造的辅助系统设备的质量得到保证。 ( 3 ) 燃气轮机设计技术研究。这是燃气轮机核心技术开发的重要内容，包括燃气轮 机热力系统优化设计、控制技术研究、压气机气动设计和特性研究、透平气动设计和冷 却技术研究、干式低n o y 燃烧室和设计研究、燃气轮机联合循环机组特性研究、燃气轮 机强度和振动特性研究等【8 以。 我国燃气轮机工业基础虽然相对薄弱，但燃气轮机自主化制造仍具备较好的基础条 件。在发电设备制造能力方面，2 0 世纪8 0 年代以来各大汽轮机厂为生产引进型3 0 0m w 和6 0 0 m w 等大型汽轮机，配备了大型制造厂房，购置了国外先进、大型数控加工设备 和精密测试设备，除少数特殊设备外，生产大型燃气轮机的装备缺口不大，基本上能满 足生产燃气轮机及其联合循环设备大多数部件的需要。在研究开发能力方面，我国拥有 相当规模的研究机构，具备一定规模的试验研究设备。过去为开发国产燃气轮机曾发挥 过重要作用，提供过各关键部件的设计母型。制造企业、科研院所、高校还拥有一批长 期从事燃气轮机技术研究的专业人员，这也是发展我国燃气轮机工业的重要条件之一。 我国航空工业经过几十年发展，具备了先进的燃气轮机制造设备，掌握了制造先进燃气 轮机的工艺技术，已经能够制造大型燃气轮机的压气机和透平叶片、燃烧室火焰筒、过 渡段及喷嘴等部分核心零部件。代表世晃先进水平的重型燃气轮机联合循环电站设备制 造业已经初步形成。在可以预见的将来，通过国家强有力的支持和引导，我国制造企业 将最终掌握燃气轮机研制的核心技术，实现燃气轮机产业的自主化发展。 1 2 课题的提出 该重型燃机具有在工作状态下，不停机切换燃油、燃气两种燃料的功能，因此为主 机配备并安装了燃油、燃气两套燃料总管，两种燃料的总管共8 根，其中3 根燃气总管 和2 根燃油总管组合安装在总管支架上，总管支架安装在压气机机匣上，通过螺钉与前 后两个机匣连接在一起，另外3 根燃油总管通过小支架安装在燃烧室机匣上，总管与喷 嘴之间使用刚性支管连接，燃料总管结构分布见图1 1 所示。 这种布置适应了主机功能的要求，并使燃料管路系统结构非常紧凑，节省了主机的 外部空间，降低了燃料系统的重量。 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 燃科总管 总管支架喷嘴发动机机匣 l 二 图1 。1 燃料总管分布示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ef u e ld i s t r i b u t i o nm a i n s 该重型燃机在研制完成后将首先用于发电，而目前国内的电站均使用单一燃料，且 以气体燃料居多，都没有配备燃油、燃气两套燃料系统，这种情况使得该燃机的双燃料 系统失去了意义，而且为燃机的使用带来了不便，具体有以下几点： ( 1 ) 燃料总管、支架、机匣相互连接，燃料总管的装配必须在主机整机装配过程中 进行，而在外场运行期间，一旦总管、支架等零件出现问题，必须返厂整机分解，才能 进行更换、修理，这使燃机的可维护性变差； ( 2 ) 发动机在运输过程中，总管、支架都已经安装在主机上，需要对其进行特殊保 护，增加了运输成本。 ( 3 ) 当发动机单独使用天然气或柴油时，已没有必要将两种燃料输送管同时布置在 发动机上，而现有支架的结构无法单独安装单一燃料总管。 目前燃机已经可以明确使用气体燃料，因此必须对现有的总管及总管支撑结构进行 重新设计，以适应主机的需要。 1 3 方案设计重点和主要内容 该重型燃机燃料总管支撑系统设计过程中，需要考虑多方面的因素，首先要满足主 机使用需求，在此前提下，要充分考虑到发电用重型燃机的工作特点和使用要求。发电 用重型燃机的特点是体积大、使用寿命长、工作状态稳定等，该重型燃机的总工作寿命 为1 0 万小时，首翻期寿命为2 5 0 0 0 小时，在设计燃料总管及支撑系统时要充分考虑到 重型燃机燃料总管支撑系统设计 长期使用这一点，着重提高长期使用的安全性和耐久性，同时支撑系统还要便于装、拆， 以提高主机的可维护性。 燃料总管及支撑系统的结构设计与发动机部件设计过程类似，设计流程见图1 2 1 1 1 】。 图1 2 燃料总管及支撑系统设计流程框图 f i g 1 2f u e lm a i n sa n ds u p p o r ts y s t e md e s i g nf l o wd i a g r a m 在选定总体设计方案时，首先需要针对设计方案的特点选取作为方案依据的原准 机，这方面国外有大量的实例可以作为参考。总体设计方案可以描述为：燃料总管与发 动机主机分离，将燃料总管单独支撑在主机台驾上或是吊装在工作间内。这种布置充分 考虑了重型燃机的总体结构和工作特点，使燃料总管及支撑系统形成单元体部件，其运 输、安装都与发动机脱离，检查、维护期间可以单独进行分解、清洗，而且燃料总管及 支撑系统独立于发动机外，可以便于发动机更换燃料和相关的改制工作，这些特点都值 得在该重型燃机的燃料总管及支撑系统设计过程中借鉴。 该重型燃机燃料总管及支撑系统结构设计工作主要包括以下几点内容： 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 计算发动机主机在不同工作状态下，主机的轴向伸长量。该计算结果用于确定 燃料总管及支撑系统与主机的轴向相对位置； ( 2 ) 计算在使用不同热值的气态燃料时，燃料在总管内的流动速度。该计算结果用 于确定燃料总管的管径尺寸； ( 3 ) 燃料总管及支撑系统的零、组件结构设计； ( 4 ) 使用a n s y s 有限元软件对整个支撑系统的强度进行计算，并对系统的可靠性 作出评估。 重型燃机燃料总管支撑系统设计 2 方案设计相关计算 2 1发动机轴向伸长量计算 该重型燃机属于前输出结构，发动机的主安装面位于前支点，是发动机转、静子的 设计基准面，是整个尺寸链的计算基准面，在工作状态时，主安装面是发动机安装的“死 点”，发动机向后伸长。燃料总管及支撑系统的轴向安装位置位于燃烧室前端，压气机 机匣末端，因此在确定发动机轴向伸长量对燃料总管及支撑系统的影响时，只需要计算 压气机部件在工作状态下的伸长量。 压气机轴向伸长量计算包括转子轴向伸长量和静子轴向伸长量两部分。 2 1 1 转子轴向伸长量计算 计算转子伸长量首先要确定各级转子的轴向长度，然后确定压气机各级的静温，根 据相关公式计算出伸长量。 从基准面算起，压气机转子的轴向伸长量包括：由基准面至4 级转子前端面的轴向 伸长量、4 , - - 1 5 级各级转子的轴向伸长量。 各级转子长度按上一级盘前端到下一级盘前端计算，具体值见表2 1 。 表2 1 各级转子轴向长度 t a b 2 1a x i a ll e n g t ho f t h er o t o ra ta l ll e v e l so f 级数长度m m 基准面至4 级转子前端面 7 2 5 4 2 3 8 5 51 9 0 5 61 5 6 71 4 1 5 81 3 1 91 2 4 5 1 01 3 2 5 1 11 1 4 1 21 1 3 5 1 31 0 9 5 1 41 0 8 1 56 3 1 5 大连理工大学专业学位硕士学位论文 确定压气机各级的静温需要通过相关公式进行计算，在可压缩流体动力学中，为了 描述流场中某点的状态，可以给出该点气流的速度y 以及压强尸、密度p 和温度r 等参 数。这里，参数p 、p 、t 称为静参数，分别称为静压、静密度和静温。如果按一定的过 程将气流速度滞止到零，此时气流的参数便叫做滞止参数，或总参数，如滞止压强p 、 滞止密度p 及滞止温度丁+ 掣1 2 - 1 5 1 。 t 厂2 h + l = 常数( 2 1 ) 2 由公式( 2 1 ) 可知，在绝能流动条件下，气流的( 静) 焓h 随气流速度的减小而增大， 当速度滞止为零时的焓值就是滞止焓，即 t ，2 h + l ：h ( 2 2 ) 2 式中，h 代表滞止焓，它在绝能流中是个常数。 从公式( 2 2 ) 可见，气流的滞止焓由两部分组成，第一部分h 是气体的静焓；第二部 分矿2 2 相当于气流速度滞止为零时由动能转变成的焓。 对于定比热容的完全气体，h = c 。t ，则上式可改写为 t ，2 r ：丁+ 二一 ( 2 3 ) 2 c p 其中，丁叫做气流的滞止温度，或总温，c p = k r ( k - 1 ) 。 根据公式及主机的参数计算得到各级转子静温结果，见表2 2 。 表2 2 各级转子静温 t a b 2 2t h er o t o rs t a t i ct e m p e r a t u r ea ta l ll e v e l so f 级数 温度c o 基准面至4 级转子前端面 4 2 7 48 1 5 8 51 0 9 8 1 61 3 9 0 7 71 6 7 9 8 8 1 9 5 6 5 92 2 3 6 4 1 02 4 9 6 8 1 12 7 5 4 3 1 22 9 9 1 8 重型燃机燃料总管支撑系统设计 1 33 2 1 7 7 1 43 4 3 2 1 1 53 6 4 0 9 压气机各级转子盘的材料为0 c r l1 n i 2 m o v n b ，其线形膨胀系数见表2 3 。 表2 3 0 c r l1 n i 2 m o v n b 线形膨胀系数 t a b 2 3 0 c r l1 n i 2 m o v n bl i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n t 2 4 - - 1 0 02 4 2 0 02 4 3 0 02 4 4 0 0 2 4 5 0 0 2 4 6 0 0 q ( 1 0 。6 1 )l o 7 5l o 8 11 1 0 51 1 4 61 1 7 61 2 0 3 根据公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 计算转子的各级伸长量，结果见表2 4 址= l 掌口拳丁 丁：盥一1 5 2 表2 4 各级转子伸长量 t a b 2 4 e l o n g a t i o na ta l ll e v e l so f t h er o t o r 级数聊m 基准面至4 级转子前端面0 3 7 4o 2 l 50 2 2 6o 2 3 7o 2 5 80 2 8 90 3 1 1 00 3 6 1 10 3 4 1 20 3 7 1 3o 3 9 1 4o 4 2 1 5 2 6 1 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 由以上各级转子伸长量的计算结果可以得出压气机转子的轴向伸长量为： a l = 0 3 7 + 0 2 1 + 0 2 2 + 0 2 3 + 0 2 5 + 0 2 8 + 0 31 + 0 3 6 + 0 3 4 + 0 3 7 + 0 3 9 + 0 4 2 + 2 6 1 = 6 3 6m m 一1 0 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 1 2 静子轴向伸长量计算 计算静子伸长量首先要确定各级静子的轴向长度，然后确定压气机各级的静温，根 据相关公式计算出伸长量。 从基准面算起，压气机静子的轴向伸长量包括：由基准面至2 级静子前端面的轴向 伸长量、2 1 5 级各级静子的轴向伸长量。 各级静子长度、静温按相应级的转子计算，其值见表2 5 表2 5 各级静子长度、静温 t a b 2 4a ta l ll e v e l so fs t a t o rl e n g t h ，s t a t i ct e m p e r a t u r e 级数长度m m各级静子静温c o 基准面至2 级静子前端面 8 91 3 2 5 2 3 4 1 2 9 2 4 32 9 55 4 。5 4 42 3 8 58 1 - 5 8 51 9 0 51 0 9 8 1 61 5 61 3 9 0 7 71 4 1 51 6 7 9 8 81 3 11 9 5 6 5 91 2 4 。52 2 3 ，6 4 1 01 3 2 52 4 9 6 8 1 11 1 42 7 5 4 3 1 21 1 3 52 9 9 1 8 1 31 0 9 53 2 1 7 7 1 41 0 83 4 3 2 1 1 52 0 3 63 6 4 0 9 压气机各级气缸材料为z g l 5 c r l 3 ( z g l c r l 3 ) ，其线形膨胀系数见表2 6 。 表2 6z g l 5 c r l 3 线形膨胀系数 t a b 2 6z g15 c r l3l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n t l 1 22 0 1 0 02 0 2 0 02 0 3 0 02 0 4 0 02 0 5 0 02 0 6 0 0 lq ( 1 0 。)l o 21 1 11 1 5 1 2 。o1 2 41 2 6 i il 根据公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 计算静子的各级伸长量，结果见表2 7 重型燃机燃料总管支撑系统设计 表2 7 各级静子伸长量 t a b 2 7 e l o n g a t i o na ta l ll e v e l so fs t a t o r 级数上朋m 基准面至2 级静子前端面 0 0 0 1 2 20 0 9 3o 1 6 4 o 2 0 5 o 2 3 60 2 4 7o 2 6 8o 2 8 9o 。3 2 1 00 3 8 1 10 3 6 1 2o 3 9 1 3o 4 2 1 40 4 4 1 5o 8 3 由以上各级静子伸长量的计算结果可以得出压气机静子的轴向伸长量为： a l = o 0 0 1 2 + 0 0 9 + 0 1 6 + 0 2 + 0 2 3 + 0 2 4 + 0 2 6 + 0 2 8 + 0 3 2 + 0 3 8 + 0 3 6 + 0 3 9 + 0 4 2 + 0 4 4 + 0 8 2 = 4 5 9m m 根据以上压气机转、静子伸长量的计算结果可知，压气机在工作状态下的伸长量为 l o 9 5m m ，考虑1 5 的安全系数，在确定燃料总管及支撑系统的轴向位置时，应考虑发 动机会产生1 2 6 m m 的伸长量【1 6 1 。 2 2燃料流速、热值计算和燃料总管尺寸设计 燃料总管设计中的一项重要工作是计算燃料在管路中的流动速度，燃料的流速过快 或过慢会直接影响燃料喷嘴的工作状态，因此必须按照发动机燃料的供应量估算燃料流 速，进而确定燃料总管管路的最小直径。 2 2 1气体流量计算公式 工程计算中常用的气体流量公式有两个，分别有其使用的范围， ( 1 ) 公式一： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 一一 柳= x 等删 k = ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，聊为气体质量流量，p 为气体总压，k 为气体比热比，r 为气体的气体常数， 丁为气体热力学温度。 该公式推导过程如下： 搬：, o v a ：上( 纵吃) 么 ( 2 8 ) p y 叶 临界状态静参数与对应滞止参数之比的公式： 冬：( i l ) 酉 ( 2 9 ) p 。k + 1 。 雕( 剖2 击= 等( 南吉 ( 2 1 0 ) 而 。c 骨= 鼯 老：五等p c , ：五l 譬1 成， 夕 l 一! 型 = 学一锗) 击 ( 2 i l ) ( 2 1 2 ) 私h 等) 击一而k - 几2 ) 击 ( 2 1 3 ) 并且 g ( 力) ：上 ( 2 1 4 ) p c r yc r 公式中，p v 是流道中任一截面的密流，表示通过单位面积的流量，g ( 见) 的物理意 义是无量纲密流，表示所研究截面的密流与对应的临界截面密流之比。 将公式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 4 ) 代入( 2 8 ) 中，整理得到公式( 2 6 ) 。 重型燃机燃料总管支撑系统设计 ( 2 ) 公瓦一： 聊= p v a = 么厕 ( 2 1 5 ) y ：罂 ( 2 1 6 ) y = 一 i z r 丁 其中，p 为气体静压，其它同公式( 2 5 ) 。 该公式推导过程如下： 有柏努利方程可知： 铲+ 垮+ 譬= c ( 2 1 7 ) 对于不可压流，p = 常数，则： ! + _ v 2 + ：c(218)gz c1 8 ) 一+ 了+ 2 ( 2 对于同一水平面内的流动： p + 丝：c ：尸 ( 2 1 9 ) 式中，p 、车、尸分别称为静压，动压和总压。 对于可压缩气体，重力影响可以忽略不计，在流道中的两个任意截面1 、2 之间积 分式可得： f 尘+ 堕翌：o ( 2 2 0 ) i p 2 对于等熵过程，号= 鲁= 去= c ，因而： r 告= 各陟一1 眨2 ， 告- 1 + 华= 。 亿2 2 ， 对于公式： 垮+ 孚= 常数 大连理工大学专业学位硕士学位论文 将等熵关系式寺2 常数代入上式，得： l p + 堡：常数 七一lp 2 去! ：去r 丁丁：办 ( 2 2 3 ) 后一1p 七一1 。 kpkpp 一一= = - i k lp 七一lp p 去! ：去r 丁屯r ：“ 七一lp七一1 上! ：立 ( 2 2 4 ) 一一= 一 、厶厶i ， k 一1p七一l 因此 办+ 罢：常数 堡+ 肇：常数 七一12 材+ ! + 堡：常数 p 2 式中办：甜+ ! 为单位质量流体的焓；“为单位质量流体的内能。公式的物理意义是： p 在完全气体一维定常等熵流动中，在流体流管任一截面上单位质量流体的内能、压强势 能和动能之和保持不变。 对于同一水平面的流动，在彳、召两点应用柏努利方程： 等+ 善+ = 争+ 堇z g + 乃 c 2 2 5 ， yz g y 将a 点定为驻点，可得： = 莎高 ( 2 2 6 ) 将公式( 2 2 6 ) 代入( 2 8 ) 中，整理得到公式( 2 1 5 ) 。 公式( 2 6 ) 中使用的压力参数为气体的总压，因此适用于计算大马赫状态下的气体 流动，而公式( 2 1 5 ) 中计算气体密度使用的压力参数为气体的静压，适用于计算低流速 下的气体流动。 重型燃机燃料总管支撑系统设计 2 2 2 燃料热值计算公式 燃料的热值对燃料总管的设计有很大的影响，单位时间内消耗的燃料是发动机设计 的基础数据，通常情况下，燃料的消耗量是根据燃烧区内的余气系数和空气量来确定的， 余气系数和空气量是发动机设计过程中的定值，因此燃料热值的高低就决定了供入发动 机燃料的流量，而燃料的流量就决定了燃料总管的尺寸。 燃料的热值是指在一定温度下，单位质量的燃料完全燃烧所放出的热量。 首先，这里指的燃烧是在绝能条件下进行的，即除膨胀功外与外界无其他机械能交 换，只有释放给外界的热量。 其次，燃料的热值与测定热值的温度有关，而且燃烧过程结束后要将燃烧产物冷却 到同一个初温来确定释放给外界的热量。 目前常用的气体燃料都是由多种气体混合而成的。一般来说，它的可燃成分有氢、 一氧化碳、甲烷、硫化氢以及各种碳氢化合物c ，日。，包括饱和烃如甲烷一c h 。，乙烷 - c ：丑6 ，丙烷一c 3 h 8 ，丁烷- c 。胃1 0 ，戊烷一c ，h 。2 等；不饱和烃如乙烯c 2 劈4 ，丙烯一c ，日6 ， 丁烯c 。风等。 通常习惯根据热值把气体燃料分成三类，即： 高热值气体燃料热值大于1 5 1 0 6 j m 3 。 中热值气体燃料热值自6 x 1 0 6 1 5 1 0 6 j m 3 。 低热值气体燃料热值小于6 x1 0 6 j m 3 。 气体燃料的燃烧特性可以用w e b b e 指数来表示，它说明给定容积的燃料中所含有能 量的多少，w e b b e 指数定义为： w i ：晕( 2 2 7 ) 4 p 式中，h 。为气体燃料的低热值，p 为燃料的质量密度。 含有大量惰性成分如c o ，和n ，的气体燃料的w e b b e 指数就低，而含有大量重烃的 燃料的w e b b e 指数就高。w e b b e 指数本身并不能说明燃料的火焰特性，例如氢的w e b b e 指数很低但火焰温度很高，而c o ，含量高的气体燃料同样w e b b e 指数低，但火焰温度就 相对较低。不过w e b b e 指数清楚地说明了为产生一定的功率所需要的燃料容积流量，对 燃料系统的气动设计有重要的影响【1 7 。2 。 在没有燃料热值的情况下，可以利用经验关系式近似估算燃料的热值。 对于卯型航空燃料( 卯一4 ，卯一5 ，j p 一7 等) 其氢碳比x 大约在1 8 2 2 范围内变 化，在这一范围内，燃料的低热值( 2 5 0 c ) 与x 值的关系可以表示为： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 绕= 3 6 4 0 0 + 3 5 6 0 x ( k g 姆) 碳氢燃料的低热值与燃料中氢的质量分数日，的关系可表示为： 线= 3 6 2 2 0 + 5 1 6 4 0 h ，( k a r l k g ) 及鱿= 3 7 1 8 0 + 5 2 0 0 0 h ，( k j 堙) 燃烧现象的本质是化学反应，那么反应物质( 燃料与氧化剂) 在完全燃烧时所需匹 配的定量关系，就一定要遵守化学平衡的规律。通常总是利用空气中的氧气来使燃料进 行燃烧的，而氧气在空气中所占的比例又是确定不变的。因此要完全燃烧一定数量的燃 料，就必须供给相应数量的空气。这与燃料的成分有关，而在数值上与燃料量有确定关 系的空气量就称之为此种燃料的理论燃烧空气量，通常以符号l 。表示，因此只要知道 燃料的化学元素组成，就能根据各组成元素在进行氧化反应时的化学反应方程式，计算 出完全燃烧一个单位燃料所需供给的理论空气量。气体燃料的组成成分是用体积表示 的，用h 2 、c o 、s 0 、c 肼以、h 2 s 、0 2 等分别代表所含的h 2 、c o 、s o 、 碳氢化合物、h ，s 、以及d 的体积百分数。 过量空气系数的计算原理与上述相同，特别是碳氢化合物( 用通式c 。以表示) 的 化学反应平衡式为： c 。h 。+ 沏+ 导) d 2 专m c 0 2 + n 1h 2 0 它表示1m 3 的c 。h 。需要( 聊+ 罢) m 30 2 以完全燃烧生成mm 3i 拘c 0 2 和昙聊3 的 h ，o 。因而，完全燃烧1m 3 的气体燃料所需供给的理论空气量的体积厶应为： 厶= 1 2 0 1 0 ( 0 5 h 2 + 0 5 c 0 + 0 5 s o + ( m + 三) 巴巩+ 1 5 日2 s q ) 聊3 空气所3 燃料 显然，完全燃料1m 3 的气体燃料所需供给的理论空气量的质量l 。应等于： 三o = 1 2 9 3 厶 ( 2 2 8 ) 2 。2 。3 燃料总管设计计算 燃料总管设计中的一项重要工作是计算燃料在管路中的流动速度，燃料的流速过快 或过慢会直接影响燃料喷嘴的工作状态，因此必须按照发动机燃料的供应量估算燃料流 速，进而确定燃料总管管路的最小直径。对于本次燃料总管设计来说，在估算燃料流速 时需要全面考虑发动机的各种工作特性。该重型燃机的设计基础是，保持主机在各个工 重型燃机燃料总管支撑系统设计 作状态下燃烧室燃烧区内的余气系数为定值，根据这个原则，在使用不同热值的燃料时， 发动机燃料供应量也不同，因此在计算管路中的燃料流速时需要考虑这些因素。 计算总管内燃料的流速，首先需要计算发动机在使用标准热值燃料时的参数，并以 此为依据设计燃料总管，估算流速，标准气体燃料的各项参数如下： 标准气体燃料当量系数：三= 1 7 2 3 8 标准气体燃料低热值：q ：5 0 0 5 6 掣( 1 19 5 6 _ k c a l ) 6 9 t o g ， 标准条件下气体燃料的密度：p = o 。6 8 萼 朋。 该重型燃机使用气体燃料的喷嘴共分成3 路，3 路喷嘴分别在主机的不同工作状态 下投入使用，各路供入的燃料流量需要与主机的工作状态相协调，3 路燃料供入量与主 机功率关系见图2 5 ，在计算燃料总管直径时，燃料的流量值必须选取最大值，由图中 可以看出，在发动机处于最大功率的情况下，3 路燃料的供入量都达到最大值。 f 。 一一。一 - 一 一一矿一二= 一 一一 - 一一 _ - 一 ， _ _ 一 i 一 一_ 一一 ， 一一 _ 一一 r | ， r 一 叽 _ _ ， 1 ， - - _ 一 _ _ o y _ _ _ _ ) r j 0 60 81 01 21 41 6 n 燃料流量与主机功率之关系曲线 t h ef u e lf l o wa n de n g i n ep o w e rc u r v 5 52 乙 4 图嘻 0 f 20 0 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 得到燃料的最大流量值后，需要知道喷嘴前的压力，以计算燃料的供入压力和燃料 的密度，喷嘴、燃烧区参数见表2 8 。 表2 83 路流道流量、喷嘴、背压参数 t a b 2 8 3 - w a yf l o wc h a n n e lf l o w ，n o z z l e s ，b a c k - p r e s s u r ep a r a m e t e r 燃料流道 燃料流量堙办喷嘴当量面积m m 2燃烧区压力k f g c m 2 i1 3 9 5 8 7 01 8 7 11 5 0 7 i i1 2 7 6 0 0 01 2 5 61 5 0 7 i 5 2 4 3 24 7 11 3 5 9 根据燃料流量、喷嘴前燃烧区的压力( 背压) 及燃料喷嘴的当量面积，利用公式 ( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 计算得到燃料的供应压力和密度，得出质量流量和密度后，可以计算出 体积流量，计算结果见表2 9 。 表2 93 路流道计算结果 t a b 2 9 3 - w a yf l o wc h a n n e lc a l c u l a t i o n 总管流通面积燃料供