航改燃气轮机压力雾化喷嘴对比试验

李明，曲丰荣，牟影，孙远伟，王巍龙

(中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，沈阳110043)

航改燃气轮机压力雾化喷嘴对比试验

李明，曲丰荣，牟影，孙远伟，王巍龙

(中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，沈阳110043)

分别以航空煤油和轻柴油为燃料，对某航改燃气轮机燃油喷嘴的工作特性和雾化质量进行了对比试验研究。结果表明：在供油压力不变时，两种燃料的喷雾锥角与雾化粒径基本一致，但受密度影响，燃料流量有所改变；随着供油压力的增大，两种燃料的雾化粒径减小，当供油压力增大到一定值后，雾化粒径基本不变；主、副油路共同工作时，喷雾锥角和雾化粒径基本与主油路单独工作时的一致。试验结果为该型燃气轮机燃料换烧提供了重要依据。

航改燃气轮机；燃油喷嘴；流量特性；喷雾锥角；雾化粒径

1 引言

燃气轮机是一种高效、清洁的动力装置，广泛应用于发电、独立能源系统、机械驱动和船舶工程等领域。作为发电或驱动设备，它具有效率高、污染小等优点[1]。某航改燃气轮机是我国首台具有完全自主知识产权并成功实现商业化运行的12 MW级燃气轮机，其燃烧室为全环型，装有15个喷嘴，可分别以航空煤油、中热值燃料气和天然气为燃料运行。

喷嘴，又称燃烧器，是燃气轮机燃烧室的重要组成构件，其流量特性和雾化质量对燃烧完全度、点火可靠性、出口温度场分布、污染排放等均有很大影响。因此，喷嘴的定型设计、改进设计或燃料换烧，均需对喷嘴的工作特性和雾化质量等关键参数进行试验，以便确定喷嘴的实际工作状态。而喷嘴试验对燃烧室设计，火焰筒内部的雾化、掺混、蒸发和燃烧的组织与控制，燃烧室故障诊断及提高燃烧室性能很重要，其内容主要包括喷嘴的宏观特性(燃油流量、喷雾锥角和周向分布均匀性等)和微观特性(雾滴尺寸及其分布、雾滴速度和雾滴数密度等)[2]。

2 燃料物性参数

航空煤油和轻柴油的主要物性参数如表1所示。可见，航空煤油的粘度、闪点和密度均小于轻柴油，但其低位热值略高于轻柴油。仅从表中数据考虑，二者可看作同品级燃料。

3 试验设备与试验喷嘴

3.1 试验设备

试验在沈阳航空航天大学的燃油激光多普勒综合试验器(图1)上完成。该试验器利用激光多普勒测试技术，可进行燃油雾化粒度(索太尔平均直径，SMD)、喷口附近速度及喷雾锥角等多种液体燃料的综合试验研究，主要包括三维可调喷嘴试验台、供油系统、电动控制系统、监视采集系统和控制台等。喷嘴雾化粒径采用TSI公司的相位多普勒粒子分析仪/激光多普勒测速仪系统测量[2，3]。

3.2 试验喷嘴

航改燃气轮机燃油喷嘴(图2)是一个拥有主、副双油路和双喷口的压力雾化喷嘴，具有较宽的供油范围。在低功率状态时，喷口尺寸较小的副油路单独工作；当副油路的燃油流量不能满足功率增加的需求时，主油路投入工作。分段供油是为了保证燃气轮机在任何功率状态下，都能获得所需的供油量和良好的燃油雾化质量。

4 试验结果与数据对比分析

为获得燃料改变对喷嘴工作特性和雾化质量的影响，针对燃气轮机中的同一个喷嘴，在相同试验参数下，分别采用航空煤油和轻柴油进行了全面的流量、喷雾锥角及雾化粒度对比试验。每个试验点重复记录3次数据，取其平均值为最终试验结果。

4.1 流量对比试验

流量试验结果如表2所示，在相同供油压差下，轻柴油的主、副油路流量均小于航空煤油，主、副油路的流量差分别为6.78%和3.99%。流量的变化是因为燃料物性不同所致，轻柴油的粘度约为航空煤油的3倍，这使得其流动阻力远大于后者，在相同供油压差和通道尺寸下，其流量显然小于后者。

式中：ηt为汽轮机理想循环热效率；ηi为汽轮机的相对内效率；ηm为汽轮机的机械效率，取值0.99；ηg为发电机效率，取值0.99；ηb为锅炉热效率；ηp为管道效率，取值0.99。

4.2 喷雾锥角对比试验

喷雾锥角是雾化质量的重要指标之一，过大或过小都不利于燃烧[4]。试验中喷雾锥角测定通过数码照相和锥角测量软件识别来共同完成，其中部分照相结果如图3所示，软件识别后的试验数据如表3所示。可见，在相同供油压差下，燃料改变并未对喷雾锥角产生较大影响，试验结果仅相差1°，两种燃料的雾化锥角均符合设计使用要求，这说明喷雾锥

角对燃料改变的敏感性小于流量。

4.3 雾化粒度对比试验

文献[5]中认为，保证有效燃烧油滴直径应小于100 μm，高性能燃气轮机则要求粒度小于50 μm。

在三维可调喷嘴试验台上，对主、副油路单独工作和共同工作分别进行了雾化粒度及粒径分布试验。图4示出了相位多普勒粒子分析仪测量系统后处理软件Flowsizer显示的粒度分布。可见，该喷嘴的雾化质量很好，两种燃料的最大平均油滴直径仅为34.8 μm；两种燃料的副油路雾化质量均优于主油路，符合燃油喷嘴的设计主导思想，可有效保证燃气轮机燃烧室在低工况下可靠工作；两种燃料主、副油路共同工作的雾化质量与主油路单独工作时的相当，这说明共同工作时的雾化质量主要取决于主油路，副油路的影响较小；受两种燃料物性(如表面张力、粘度等)的影响，无论是主、副油路单独工作还是共同工作，航空煤油的平均油滴直径均小于轻柴油，但相差量级较小，最大差值仅有3 μm左右，这说明喷嘴雾化质量并未因燃料改变而显著变化。

5 结论

(1)受燃料本身粘度等参数影响，轻柴油的流量小于航空煤油。

(2)两种燃料的喷雾锥角变化很小，说明该喷嘴的喷雾锥角对燃料改变的敏感性小于流量。

(3)主、副油路共同工作时的雾化粒径主要取决于主油路，副油路的影响较小。

(4)航空煤油的雾化粒径优于轻柴油，但相差很小，两者均在文献[5]推荐的雾化粒径范围内，说明该喷嘴的雾化质量并未因燃料改变而显著变化。

(5)该燃气轮机在不改变燃烧室部件结构的情况下，可实现轻柴油代替航空煤油的换烧，两种燃料的喷雾锥角和雾化粒度相近，能保证燃烧室安全可靠工作。另外，考虑到燃料本身的发热量和密度影响，该燃气轮机以轻柴油为燃料时，在效率不变的情况下想要得到同等功率输出，应适当增加供油压力，提高燃油流量。

[1]刘凯，张宝诚，马洪安.某重型燃气轮机喷嘴组流量特性试验研究[J].热能动力工程，2009，24(5)：296—299.

[2]陈俊，张宝诚，马洪安，等.某型航空发动机燃油喷嘴的试验研究[J].燃气涡轮试验与研究，2006，19(3)：40—43.

[3]张宝诚.航空发动机试验和测试技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[4]刘凯，张宝诚，马洪安.某重型燃气轮机双燃料喷嘴组试验研究[J].燃气涡轮试验与研究，2009，22(1)：19—22.

[5]燃油喷嘴性能试验标准编制组.燃油喷嘴性能试验标准编制的几个问题[C]//.中国航空学会动力专业分会燃烧与传质.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，辽宁沈阳人，工程师，主要从事航空发动机、燃气轮机燃烧室设计工作。