航改燃氣輪機壓力霧化噴嘴對比試驗

李明，曲豐榮，牟影，孫遠偉，王巍龍

(中航工業沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，沈陽110043)

航改燃氣輪機壓力霧化噴嘴對比試驗

李明，曲豐榮，牟影，孫遠偉，王巍龍

(中航工業沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，沈陽110043)

分別以航空煤油和輕柴油為燃料，對某航改燃氣輪機燃油噴嘴的工作特性和霧化質量進行了對比試驗研究。結果表明：在供油壓力不變時，兩種燃料的噴霧錐角與霧化粒徑基本一致，但受密度影響，燃料流量有所改變；隨著供油壓力的增大，兩種燃料的霧化粒徑減小，當供油壓力增大到一定值后，霧化粒徑基本不變；主、副油路共同工作時，噴霧錐角和霧化粒徑基本與主油路單獨工作時的一致。試驗結果為該型燃氣輪機燃料換燒提供了重要依據。

航改燃氣輪機；燃油噴嘴；流量特性；噴霧錐角；霧化粒徑

1 引言

燃氣輪機是一種高效、清潔的動力裝置，廣泛應用于發電、獨立能源系統、機械驅動和船舶工程等領域。作為發電或驅動設備，它具有效率高、污染小等優點[1]。某航改燃氣輪機是我國首臺具有完全自主知識產權并成功實現商業化運行的12 MW級燃氣輪機，其燃燒室為全環型，裝有15個噴嘴，可分別以航空煤油、中熱值燃料氣和天然氣為燃料運行。

噴嘴，又稱燃燒器，是燃氣輪機燃燒室的重要組成構件，其流量特性和霧化質量對燃燒完全度、點火可靠性、出口溫度場分布、污染排放等均有很大影響。因此，噴嘴的定型設計、改進設計或燃料換燒，均需對噴嘴的工作特性和霧化質量等關鍵參數進行試驗，以便確定噴嘴的實際工作狀態。而噴嘴試驗對燃燒室設計，火焰筒內部的霧化、摻混、蒸發和燃燒的組織與控制，燃燒室故障診斷及提高燃燒室性能很重要，其內容主要包括噴嘴的宏觀特性(燃油流量、噴霧錐角和周向分布均勻性等)和微觀特性(霧滴尺寸及其分布、霧滴速度和霧滴數密度等)[2]。

2 燃料物性參數

航空煤油和輕柴油的主要物性參數如表1所示。可見，航空煤油的粘度、閃點和密度均小于輕柴油，但其低位熱值略高于輕柴油。僅從表中數據考慮，二者可看作同品級燃料。

3 試驗設備與試驗噴嘴

3.1 試驗設備

試驗在沈陽航空航天大學的燃油激光多普勒綜合試驗器(圖1)上完成。該試驗器利用激光多普勒測試技術，可進行燃油霧化粒度(索太爾平均直徑，SMD)、噴口附近速度及噴霧錐角等多種液體燃料的綜合試驗研究，主要包括三維可調噴嘴試驗臺、供油系統、電動控制系統、監視采集系統和控制臺等。噴嘴霧化粒徑采用TSI公司的相位多普勒粒子分析儀/激光多普勒測速儀系統測量[2，3]。

3.2 試驗噴嘴

航改燃氣輪機燃油噴嘴(圖2)是一個擁有主、副雙油路和雙噴口的壓力霧化噴嘴，具有較寬的供油范圍。在低功率狀態時，噴口尺寸較小的副油路單獨工作；當副油路的燃油流量不能滿足功率增加的需求時，主油路投入工作。分段供油是為了保證燃氣輪機在任何功率狀態下，都能獲得所需的供油量和良好的燃油霧化質量。

4 試驗結果與數據對比分析

為獲得燃料改變對噴嘴工作特性和霧化質量的影響，針對燃氣輪機中的同一個噴嘴，在相同試驗參數下，分別采用航空煤油和輕柴油進行了全面的流量、噴霧錐角及霧化粒度對比試驗。每個試驗點重復記錄3次數據，取其平均值為最終試驗結果。

4.1 流量對比試驗

流量試驗結果如表2所示，在相同供油壓差下，輕柴油的主、副油路流量均小于航空煤油，主、副油路的流量差分別為6.78%和3.99%。流量的變化是因為燃料物性不同所致，輕柴油的粘度約為航空煤油的3倍，這使得其流動阻力遠大于后者，在相同供油壓差和通道尺寸下，其流量顯然小于后者。

式中：ηt為汽輪機理想循環熱效率；ηi為汽輪機的相對內效率；ηm為汽輪機的機械效率，取值0.99；ηg為發電機效率，取值0.99；ηb為鍋爐熱效率；ηp為管道效率，取值0.99。

4.2 噴霧錐角對比試驗

噴霧錐角是霧化質量的重要指標之一，過大或過小都不利于燃燒[4]。試驗中噴霧錐角測定通過數碼照相和錐角測量軟件識別來共同完成，其中部分照相結果如圖3所示，軟件識別后的試驗數據如表3所示。可見，在相同供油壓差下，燃料改變并未對噴霧錐角產生較大影響，試驗結果僅相差1°，兩種燃料的霧化錐角均符合設計使用要求，這說明噴霧錐

角對燃料改變的敏感性小于流量。

4.3 霧化粒度對比試驗

文獻[5]中認為，保證有效燃燒油滴直徑應小于100 μm，高性能燃氣輪機則要求粒度小于50 μm。

在三維可調噴嘴試驗臺上，對主、副油路單獨工作和共同工作分別進行了霧化粒度及粒徑分布試驗。圖4示出了相位多普勒粒子分析儀測量系統后處理軟件Flowsizer顯示的粒度分布。可見，該噴嘴的霧化質量很好，兩種燃料的最大平均油滴直徑僅為34.8 μm；兩種燃料的副油路霧化質量均優于主油路，符合燃油噴嘴的設計主導思想，可有效保證燃氣輪機燃燒室在低工況下可靠工作；兩種燃料主、副油路共同工作的霧化質量與主油路單獨工作時的相當，這說明共同工作時的霧化質量主要取決于主油路，副油路的影響較小；受兩種燃料物性(如表面張力、粘度等)的影響，無論是主、副油路單獨工作還是共同工作，航空煤油的平均油滴直徑均小于輕柴油，但相差量級較小，最大差值僅有3 μm左右，這說明噴嘴霧化質量并未因燃料改變而顯著變化。

5 結論

(1)受燃料本身粘度等參數影響，輕柴油的流量小于航空煤油。

(2)兩種燃料的噴霧錐角變化很小，說明該噴嘴的噴霧錐角對燃料改變的敏感性小于流量。

(3)主、副油路共同工作時的霧化粒徑主要取決于主油路，副油路的影響較小。

(4)航空煤油的霧化粒徑優于輕柴油，但相差很小，兩者均在文獻[5]推薦的霧化粒徑范圍內，說明該噴嘴的霧化質量并未因燃料改變而顯著變化。

(5)該燃氣輪機在不改變燃燒室部件結構的情況下，可實現輕柴油代替航空煤油的換燒，兩種燃料的噴霧錐角和霧化粒度相近，能保證燃燒室安全可靠工作。另外，考慮到燃料本身的發熱量和密度影響，該燃氣輪機以輕柴油為燃料時，在效率不變的情況下想要得到同等功率輸出，應適當增加供油壓力，提高燃油流量。

[1]劉凱，張寶誠，馬洪安.某重型燃氣輪機噴嘴組流量特性試驗研究[J].熱能動力工程，2009，24(5)：296—299.

[2]陳俊，張寶誠，馬洪安，等.某型航空發動機燃油噴嘴的試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2006，19(3)：40—43.

[3]張寶誠.航空發動機試驗和測試技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4]劉凱，張寶誠，馬洪安.某重型燃氣輪機雙燃料噴嘴組試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2009，22(1)：19—22.

[5]燃油噴嘴性能試驗標準編制組.燃油噴嘴性能試驗標準編制的幾個問題[C]//.中國航空學會動力專業分會燃燒與傳質.2000.

Fuel Nozzle Comparative Testing of Aeroderivative Gas Turbine

LI Ming，QU Feng-rong，MOU Ying，Sun Yuan-wei，WANG Wei-long
(AVIC Shenyang Liming Aeroengine(Group)Corporation LTD，Shenyang 110043，China)

Using aviation kerosene and light diesel as fuel,comparative test of fuel nozzle for an aeroderiva?tive gas turbine in operating characteristics and atomization quality was completed.Keeping the pressure of oil constant,the two types of fuel were almost the same in spray cone angle and droplet size.But affected by the density of the fuel,the flow rate changed.The two types of fuel droplet size decreased as the pressure of oil increased.When the supply pressure increased to a certain value,the droplet size didn’t change.When the main oil line and the secondary oil line worked together,the spray angle and droplet size were the same as that of the main oil line working alone.The test results provide an important basis to the gas turbine fuel change.

aeroderivative gas turbine；fuel nozzle；flow rate characteristic；spray cone angle；atomized particle size

TK473.8+4

：A

：1672-2620(2014)01-0036-03

2013-05-31；

：2013-12-24

李明(1984-)，男，遼寧沈陽人，工程師，主要從事航空發動機、燃氣輪機燃燒室設計工作。