某重型燃氣輪機壓力霧化噴嘴性能試驗研究

吉 倩，趙晨光，李 明 ，張寶誠

(1.沈陽航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院,沈陽 110136；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限公司,沈陽 110043)

1 引言

現(xiàn)代燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和渦輪等組成[1]。以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是1種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱動力裝置。先進燃氣輪機的發(fā)展趨勢是采用高溫陶瓷材料、利用核能和發(fā)展燃煤技術(shù)，以獲得更高的效率。而提高效率的關(guān)鍵是提高燃氣初溫，即改進渦輪葉片的冷卻技術(shù)，研制能耐更高溫度的高溫材料[2]。

本文對某重型燃氣輪機的燃油噴嘴進行試驗研究。其研究結(jié)果為該重型燃氣輪機臺架試車、噴嘴的改進和改型提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價值。

2 試驗噴嘴和試驗設(shè)備

某重型燃氣輪機如圖1所示。其功率為110 MW。

2.1 試驗噴嘴

某重型燃氣輪機燃燒室為環(huán)管型，裝有20個火焰筒，每個火焰筒裝有1個噴嘴組（如圖2所示），每個噴嘴組是具有上、下各4路共8個噴嘴的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。火焰筒頭部帶有8個旋流器，與8個噴嘴相配構(gòu)成頭部噴霧旋流場。

2.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為燃油激光多普勒綜合試驗器，如圖3所示。該試驗器是利用激光多普勒測試技術(shù)，進行航空與地面燃氣輪機燃油噴嘴工作特性試驗的高技術(shù)試驗系統(tǒng)，可進行燃油霧化粒度、噴口附近速度及噴霧錐角等多種液體介質(zhì)的綜合試驗研究[3-4]。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對該型燃氣輪機噴嘴組在上、下4路單獨工作時進行了全面的流量特性試驗、噴霧錐角試驗、霧化粒度試驗以及燃油分布不均勻度試驗。

3.1 流量特性試驗[5]

在設(shè)計壓力1.0 MPa下進行3個噴嘴組的流量測定。噴嘴組Ⅰ流量值見表1。

表1 設(shè)計壓力下噴嘴組Ⅰ流量測量結(jié)果（P=1.0MPa)

流量最大不均勻度δm表示為

式中:mpjmax和mpjmin分別為某個噴嘴多次測量平均流量的最大值和最小值。

3個噴嘴組的流量均值、最大、最小流量及δmj值見表2。從表中可見，3個噴嘴組在相同工藝的檢驗下，按設(shè)計尺寸要求加工的噴嘴，其流量仍然有一定差異，流量分布最大不均勻度均小于8%，其中噴嘴組Ⅰ、Ⅲ的均勻性較好，在5%左右；噴嘴組Ⅱ各噴嘴流量和其不均勻度均高于噴嘴組Ⅰ、Ⅲ的。

表2 3個噴嘴組設(shè)計壓力下的流量不均勻度δm

3個噴嘴組總流量分別為 6033.6、6238.4和6045.6 mL/min，其均值為6105.87 mL/min。噴嘴組最大流量差為204.8 mL/min，占平均流量的比例為

這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)噴嘴組的流道流阻、噴口尺寸、粗糙度累計結(jié)果可能會造成一定的流量差別，一般設(shè)計要求控制在5%以下。

為了分析壓力對流量的影響，確定噴嘴組的流量特性，在8種壓力下對噴嘴組進行了流量測定試驗，噴嘴組Ⅰ的測量結(jié)果見表3。表中每一數(shù)據(jù)都是在相同壓力下其流量3次測量的平均值，共測得192組流量均值。

表3 不同壓力下的流量試驗結(jié)果mL/min

不同壓力下噴嘴組Ⅰ的流量如圖4所示；3個噴嘴組在同一工作壓力下各噴嘴的流量如圖5所示；噴嘴組Ⅰ第4號噴嘴在不同壓力下的流量如圖6所示；不同壓力下3個噴嘴組的噴油周向不均勻度見表4。

表4 3個噴嘴組各噴嘴在不同壓力下周向不均勻度

由上述圖、表數(shù)據(jù)可知：

（1）每個噴嘴組和其各噴嘴的流量隨壓力的增大而增大，符合關(guān)系。

（2）同一噴嘴組的8個噴嘴的噴油量不同，形成一定的油量分布圖譜（圖4），流量隨壓力增大而增大，但同一噴嘴組的油量分布圖譜基本不變。

（3）不同噴嘴組各噴嘴的流量圖譜不同（圖5），具有很大的隨機性，無規(guī)律可循。說明在相同加工設(shè)備和同一設(shè)計圖紙技術(shù)要求下，這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)噴嘴組各噴嘴的流量有一定變化范圍，這是1條很重要的規(guī)律，在設(shè)計上對這一流量變化必須規(guī)定數(shù)量要求。

（4）噴嘴組Ⅰ中的各噴嘴，如第4號噴嘴（圖6），隨壓力的增大，其供油量mf按增大。其它噴嘴組的各噴嘴亦按此規(guī)律變化。按擬合曲線其流量均符合規(guī)律。

（5）從表4中可進一步得知，各噴嘴組的周向不均勻度大部分小于3%；在0.9 MPa壓力下，噴嘴組Ⅰ的周向不均勻度最大值達到4.55%。表明復(fù)雜結(jié)構(gòu)噴嘴組流量偏差基本穩(wěn)定在3%左右，個別流量變化存在隨機性。

3.2 錐角測定

錐角照片的采集采用數(shù)碼照相和錐角測量軟件完成，測量結(jié)果直接顯示在計算機屏幕上，噴嘴組Ⅲ的8個噴嘴同時噴射時的噴霧錐角如圖7所示。

本試驗共采集了3個噴嘴組24個噴嘴在8種供油壓力下的錐角。噴嘴組Ⅱ的噴霧錐角測量值見表5。表中偏差δ為

式中：αmax、αmin和 αpj分別為某個噴嘴在各壓力下錐角的最大值、最小值和平均值。

表5 噴嘴組Ⅱ的錐角實測值 （°）

從表5中可見，隨著壓力增大，各噴嘴的噴霧錐角變化并不很大，增幅基本為2°～4°。表明隨著壓力的增大錐角的改變量很小，當(dāng)壓力達到1.0 MPa時，錐角基本上不再發(fā)生變化。因此，可以認為壓力變化對錐角的變化基本無影響或影響很小。

在相同壓力下，各噴嘴錐角的最大偏差統(tǒng)計結(jié)果見表6。最大偏差為噴嘴組Ⅲ在1.2 MPa下達到8.34%。統(tǒng)計表明，各噴嘴的錐角均值為78°。若大部分偏差為7%，則表示錐角偏差值為5°左右。因此，在噴嘴設(shè)計中，可限定其噴霧錐角為78°±5°范圍，以控制加工質(zhì)量。

表6 相同壓力下各噴嘴錐角的最大偏差統(tǒng)計結(jié)果 %

研究結(jié)果表明，壓力霧化噴嘴的霧化錐角主要取決于噴口直徑、旋流室半徑、切向槽尺寸和槽數(shù)等幾何尺寸以及其相互比值，而壓力的影響極小[6]。

3.3 霧化粒度(SMD)試驗

霧化粒度（SMD）的測量應(yīng)用相位多普勒粒子分析儀/激光多普勒測速儀（PDPA/LDV）并結(jié)合FlowSizer軟件進行，測量值見表7(表中只列出噴嘴組Ⅱ的SMD)。

表7 噴嘴組Ⅱ的SMD試驗結(jié)果 μm

從表7中可見，壓力霧化噴嘴在低壓范圍內(nèi)霧化質(zhì)量較差，變化范圍亦大，這與噴嘴噴口、旋流室等加工質(zhì)量、低壓下燃油黏度有關(guān)。當(dāng)壓力增大到0.8 MPa以上時，SMD減小變緩；壓力達到1.0 MPa時，SMD已趨穩(wěn)定。該噴嘴組以1.0 MPa作為檢測基準壓力。

PDPA/LDV系統(tǒng)采集的噴嘴部分粒度分布曲線如圖8、9所示。

從圖8、9中可見：

（1）各壓力下的分布曲線均很相似，并且隨著壓力增大，曲線最高峰向SMD較小的方向移動。表明在一定壓力范圍內(nèi)，壓力增大可明顯減小SMD值；

（2）噴嘴組各噴嘴在設(shè)計壓力為1.0 MPa下工作時，粒度在11μm左右，遠低于一般燃氣輪機噴嘴小于50μm的要求。其SMD值能保證良好的燃燒溫度場，對減少污染物排放有很大作用。

對24個噴嘴的粒度結(jié)果取均值，在Matlab環(huán)境下利用最小二乘法進行擬合，得到供油壓力與粒度的變化關(guān)系曲線。擬合關(guān)系曲線和測量的SMD值如圖10所示。該關(guān)系式為

從式中可見，SMD與ΔP-0.3964成正比，SMD計算值與實測值誤差小于5%。

4 結(jié)論

（1）隨著供油壓力的增大，單個噴嘴噴油量和噴嘴組總噴油量均增加，但增加量逐漸減小，表明流量和壓力符合規(guī)律。

（2）隨著壓力的增大，大部分噴嘴的霧化錐角有增大的趨勢，當(dāng)壓力超過0.9 MPa時，錐角的變化量已很小，可以認為壓力對錐角的變化影響極小。

（3）隨著供油壓力的增大，SMD減小，在低壓段減小的幅度較大。當(dāng)壓力達到1.0 MPa時，SMD趨于定值，粒度直方圖變化趨勢較相似。

[1]沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司.燃氣輪機原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[2]李志廣.發(fā)展我國重型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的可行性途徑[J].航空發(fā)動機,2000（3）:6-11.

[3]張寶誠編著.航空發(fā)動機試驗和測試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[4]王成軍，張寶誠.某重型燃氣輪機燃燒室燃燒流動的模擬[J].機械設(shè)計與制造，2008（1）：99-100.

[5]劉凱,張寶誠,馬洪安，等.某重型燃氣輪機雙燃料噴嘴組試驗器研制及流量試驗[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008,21（2）:48-52.

[6]Rollbuler R J.Experimental Studied on Effervescent Atomizers with Wide Spray Angles[C].School of Mechanical Engineering,Purdue University,NASA.Lewis,Cleveland OH 44135,Unites States,AGRAD,1993:3-4.