航改燃氣輪機改用柴油的適應性試驗研究

徐麗，張寶誠，劉凱

(1.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽110034；2.沈陽航空航天大學航空航天工程學院，遼寧沈陽110136)

航改燃氣輪機改用柴油的適應性試驗研究

徐麗1，張寶誠2，劉凱2

(1.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽110034；2.沈陽航空航天大學航空航天工程學院，遼寧沈陽110136)

采用試驗手段，完成了QD128航改燃氣輪機燃用輕柴油燃料的適應性研究。結果表明：噴嘴霧化錐角對燃料物性改變不敏感，基本穩定；流量受粘度、密度共同影響，設計工況流量減小約3%；粘度增加導致霧化粒度增大約8 μm；改用柴油后點火性能依舊良好，貧油點火范圍寬；進氣溫度升高，貧油點火極限略為增加。以上結果為QD128航改燃氣輪機柴油燃料機型設計提供了可靠的技術依據。

航改燃氣輪機；燃油噴嘴；替代燃料；霧化特性；點火特性

1 引言

航改燃氣輪機(以下簡稱航改燃機)具有熱效率高、功率大、可靠性高、開發風險低和周期短等眾多優勢，世界范圍內各大航空發動機公司都在積極從事航改燃機的研制工作[1-2]。航改燃機除必要的適應地面要求的結構改制外，希望盡量減小燃燒室改動，以保證繼承原型發動機的性能[3-4]。燃料方面，航空發動機均使用航空煤油，而航改燃機受到來源及成本限制，需改用替代燃料。天然氣和柴油是最常用的兩種替代燃料。天然氣因價格較低、無霧化需求、易點火、污染低、出口溫度場均勻等優勢得到廣泛應用，但由于其為氣體燃料，需對原型機的燃料系統、點火系統甚至火焰筒流量分配進行重新設計，改動較大，需做大量試驗驗證[5-6]。柴油從物性上更接近航空煤油，可完全保留原型機的燃料系統、點火系統，因而也得到了大量使用。

QD128航改燃機，是中航沈陽黎明航空發動機公司根據航空發動機改制的用于地面發電的燃氣輪機，分氣體燃料和液體燃料兩種型號。氣體燃料為天然氣，液體燃料仍為航空煤油。本文針對液體燃料型號，進行燃料由航空煤油改為輕柴油的適應性研究。由于液體燃料間的替換，主要是物性參數改變影響噴嘴流量特性、霧化特性，進而影響功率、點火性能、燃燒效率、出口溫度場及污染排放等。主要完成了各工況下流量、霧化粒度、霧化錐角及貧油點火極限試驗，為柴油燃料機型的設計提供依據。

2 霧化特性試驗

粘度是影響霧化質量的主要參數。由于柴油的粘度遠高于航空煤油，故可預測柴油霧化質量會低于煤油。-10號柴油和RP-3航空煤油的物性參數見表1。

表1 -10號柴油和RP-3航空煤油的物性參數Table 1 Physical parameters of-10#diesel oil and RP-3 aviation kerosene

2.1 試驗系統與試驗件

試驗系統主要包括三維可調噴嘴試驗臺、供油系統、控制系統、測試系統和數采系統等，其結構框圖如圖1所示。

圖1 燃油霧化測試系統框圖Fig.1 Block diagram of fuel atomizing test system

霧化粒度采用美國TSI公司的2 W氬離子水冷相位多普勒粒子分析儀/激光多普勒測速儀測量。噴霧錐角霧化圖像采用數碼相機采集，應用自編圖像處理軟件捕捉邊界，識別角度。柴油流量由渦輪流量計計量，通過變頻調速獲得試驗壓力。

QD128航改燃機采用雙路離心噴嘴，試驗噴嘴及試驗臺如圖2所示。

圖2 試驗噴嘴及試驗臺Fig.2 The nozzle and test bench

2.2 結果分析

試驗中分別以RP-3航空煤油和-10號柴油為介質，對比兩種燃料對霧化特性的影響。試驗中選取5組噴嘴，典型工況(本文僅以啟動點火副油路0.196 MPa和主油路0.588 MPa，及額定功率主副油路均為0.981 MPa狀態試驗結果為例)霧化粒度(索太爾平均直徑)如圖3所示。

由圖3可知，霧化粒度均有所增加，與預測的一致。在結構及氣動力一定的前提下，粘度為決定霧化粒度的根本因素。點火狀態，副油路霧化粒度由15.6 μm增大到22.5 μm，主油路霧化粒度由28.4 μm增大到37.2 μm，增加比例較大。但由于原型機為航空發動機，霧化粒度增大后仍處于良好霧化質量范圍，可保證良好的點火及燃燒性能。5組噴嘴相同工況粒度離散，相差約8 μm，說明加工及裝配精度對噴嘴性能有較大影響。

流量是決定燃機功率的關鍵因素，改變燃料前后典型工況的燃油流量變化如圖4所示。可見，改為柴油后，各工況下的流量均有所降低，其中主油路降低約3%，副油路降低約6%。這是因為質量流量由燃料密度及粘度共同決定，副油路流通面積小，因而對粘度變化更為敏感。另外，-10號柴油密度為820 kg/m3，RP-3航空煤油密度為780 kg/m3，兩者低熱值分別為42 079 kJ/kg、42 911 kJ/kg。若要保持功率不變，假定燃燒效率相同，則燃用柴油與煤油所需質量比為1.02，即燃用柴油時供油量應增加2%。決定功率的主油路流量降低約3%，則柴油流量低于設計工況約5%，這可通過適當增加供油壓力來實現，而不必改變噴嘴幾何尺寸。這樣既可實現設計流量，同時提高壓力又改善了霧化質量。從圖中還可以看出，不同噴嘴間流量相差近3%，再次說明加工及裝配精度對噴嘴性能有較大影響。配臺時，應依據流量試驗結果，將噴嘴分組以提高流量均勻性，進而保證出口溫度場均勻性。

另外，試驗證明，噴嘴霧化錐角對燃料物性不敏感，燃料改變前后基本不變，可保證火焰筒頭部尺寸及點火位置不必調整。

圖3 典型工況下不同燃料的霧化粒度Fig.3 Particle size of different fuels at typical operating conditions

圖4 典型工況下不同燃料流量變化Fig.4 Flow rate changes of different fuels at typical operating conditions

3 點火特性試驗

貧油點火極限是燃機重要性能指標之一，是保證燃機低功率特別是大功率轉為低功率時穩定燃燒的關鍵參數。油滴最小點火能與其索太爾平均直徑的4.5次方成正比，因而霧化粒度大小直接決定最小點火能[7-8]。

3.1 試驗系統與試驗件

試驗系統主要由空氣系統、燃料系統、冷卻系統及測控系統組成，如圖5所示。試驗中為模擬壓氣機出口溫度，空氣由電加溫器加熱至試驗溫度，經孔板流量計計量后供入試驗件。點火器為原型發動機所用高能電嘴，連續點火5 s，燃燒室出口溫升達80 K以上并穩定燃燒20 s以上視為點火成功。燃燒室出口布置一3點氣冷梳狀高溫熱電偶，以監控燃燒室出口溫度。點火成功后，熄火、吹冷，降低供油量再次點火，直至獲得貧油點火邊界。

QD128燃氣輪機采用環形燃燒室，周向20個噴嘴。試驗截取全環尺寸的3/20形成54°扇形段，加工機匣及前后轉接段、測量段，形成試驗件。

圖5 試驗系統Fig.5 Test rig

3.2 結果分析

完成了柴油燃料時，進口空氣馬赫數分別為0.1、0.2、0.3、0.4及0.5五種工況下的點火特性試驗。同時，為考察進氣溫度對點火性能的影響，分別進行了進氣溫度288 K和420 K的點火試驗。試驗結果如圖6所示。結果表明，雖然柴油霧化質量有所下降，但其點火性能依舊很好。點火范圍很寬且燃燒充分、穩定，貧油點火極限完全滿足設計標準。進氣溫度升高使得點火極限略寬，但影響不大。

圖6 柴油點火特性Fig.6 Ignition characteristics of diesel oil

4 結論

(1)霧化錐角對燃料物性改變不敏感，基本保持穩定。

(2)采用柴油時，噴嘴流量低于設計值約3%，可通過適當增加供油壓力來達到設計值，而無需改變噴嘴幾何尺寸；噴嘴霧化粒度明顯增大，但仍處于良好霧化狀態；點火性能依然可靠并具有寬廣的貧油點火范圍。

(3)QD128燃氣輪機在保持燃燒室幾何結構不變的情況下，以柴油替代航空煤油，仍可實現滿足原設計要求的燃燒性能。

[1]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.

[2]吳愛中，楊其國.我國發展燃氣輪機的問題及途徑[J].汽輪機技術，2010，16(1)：18—22.

[3]李孝堂.發展中的中國一航燃氣輪機產業[J].航空發動機，2006，32(2)：14—16.

[4]尚守堂.QD128航改燃機燃燒室設計分析[J].航空發動機，2002，26(3)：1—5.

[5]李繼保，劉大響.局部富油供油擴展燃燒室貧油點火熄火邊界研究[J].航空動力學報，2003，18(2)：221—224.

[6]李孝堂.燃氣輪機的發展及中國的困局[J].航空發動機，2011，37(3)：1—7.

[7]史家榮，馮大強.新型燃油在燃氣輪機中應用的試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2004，17(3)：10—13.

[8]劉凱，蔡九菊，張寶誠.某重型燃氣輪機噴嘴組霧化特性的試驗研究[J].東北大學學報，2009，30(8)：1155—1158.

Experimental study on fuel adaptability of diesel oil for aero-derivative gas turbine

XU Li1，ZHANG Bao-cheng2，LIU Kai2
(1.School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110034，China；2. Department of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China)

Experimental study on fuel adaptability of diesel oil used for QD128 aero-derivative gas turbine was finished.The results indicated that the nozzle spray cone angle was insensitive with fuel property chang?es and kept stable,the viscosity and density had influence on the flow rate,and flow rate decreased about 3%at the design condition.The SMD enlarged about 8 μm because of the viscosity increase.The ignition performance was still good after using diesel oil,the lean ignition limit widened slightly for the rising of in?take air temperature.The above results provide a reliable technical basis for the design of the QD128 aero-derivative gas turbine using diesel oil.

aero-derivative gas turbine；fuel nozzle；alternative fuel；atomizing characteristics；ignition characteristics

TK474

A

1672-2620(2015)01-0030-04

2014-04-29；

2014-07-16

國家863項目(2002AA503010/ZXD0705)

徐麗(1971-)，女，遼寧沈陽人，副教授，研究方向為燃氣輪機燃燒設計、試驗與數值模擬。