航改燃气轮机改用柴油的适应性试验研究

徐丽，张宝诚，刘凯

(1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110034；2.沈阳航空航天大学航空航天工程学院，辽宁沈阳110136)

航改燃气轮机改用柴油的适应性试验研究

徐丽1，张宝诚2，刘凯2

(1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110034；2.沈阳航空航天大学航空航天工程学院，辽宁沈阳110136)

采用试验手段，完成了QD128航改燃气轮机燃用轻柴油燃料的适应性研究。结果表明：喷嘴雾化锥角对燃料物性改变不敏感，基本稳定；流量受粘度、密度共同影响，设计工况流量减小约3%；粘度增加导致雾化粒度增大约8 μm；改用柴油后点火性能依旧良好，贫油点火范围宽；进气温度升高，贫油点火极限略为增加。以上结果为QD128航改燃气轮机柴油燃料机型设计提供了可靠的技术依据。

航改燃气轮机；燃油喷嘴；替代燃料；雾化特性；点火特性

1 引言

航改燃气轮机(以下简称航改燃机)具有热效率高、功率大、可靠性高、开发风险低和周期短等众多优势，世界范围内各大航空发动机公司都在积极从事航改燃机的研制工作[1-2]。航改燃机除必要的适应地面要求的结构改制外，希望尽量减小燃烧室改动，以保证继承原型发动机的性能[3-4]。燃料方面，航空发动机均使用航空煤油，而航改燃机受到来源及成本限制，需改用替代燃料。天然气和柴油是最常用的两种替代燃料。天然气因价格较低、无雾化需求、易点火、污染低、出口温度场均匀等优势得到广泛应用，但由于其为气体燃料，需对原型机的燃料系统、点火系统甚至火焰筒流量分配进行重新设计，改动较大，需做大量试验验证[5-6]。柴油从物性上更接近航空煤油，可完全保留原型机的燃料系统、点火系统，因而也得到了大量使用。

QD128航改燃机，是中航沈阳黎明航空发动机公司根据航空发动机改制的用于地面发电的燃气轮机，分气体燃料和液体燃料两种型号。气体燃料为天然气，液体燃料仍为航空煤油。本文针对液体燃料型号，进行燃料由航空煤油改为轻柴油的适应性研究。由于液体燃料间的替换，主要是物性参数改变影响喷嘴流量特性、雾化特性，进而影响功率、点火性能、燃烧效率、出口温度场及污染排放等。主要完成了各工况下流量、雾化粒度、雾化锥角及贫油点火极限试验，为柴油燃料机型的设计提供依据。

2 雾化特性试验

粘度是影响雾化质量的主要参数。由于柴油的粘度远高于航空煤油，故可预测柴油雾化质量会低于煤油。-10号柴油和RP-3航空煤油的物性参数见表1。

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

2.1 试验系统与试验件

试验系统主要包括三维可调喷嘴试验台、供油系统、控制系统、测试系统和数采系统等，其结构框图如图1所示。

图1 燃油雾化测试系统框图Fig.1 Block diagram of fuel atomizing test system

雾化粒度采用美国TSI公司的2 W氩离子水冷相位多普勒粒子分析仪/激光多普勒测速仪测量。喷雾锥角雾化图像采用数码相机采集，应用自编图像处理软件捕捉边界，识别角度。柴油流量由涡轮流量计计量，通过变频调速获得试验压力。

QD128航改燃机采用双路离心喷嘴，试验喷嘴及试验台如图2所示。

图2 试验喷嘴及试验台Fig.2 The nozzle and test bench

2.2 结果分析

试验中分别以RP-3航空煤油和-10号柴油为介质，对比两种燃料对雾化特性的影响。试验中选取5组喷嘴，典型工况(本文仅以启动点火副油路0.196 MPa和主油路0.588 MPa，及额定功率主副油路均为0.981 MPa状态试验结果为例)雾化粒度(索太尔平均直径)如图3所示。

由图3可知，雾化粒度均有所增加，与预测的一致。在结构及气动力一定的前提下，粘度为决定雾化粒度的根本因素。点火状态，副油路雾化粒度由15.6 μm增大到22.5 μm，主油路雾化粒度由28.4 μm增大到37.2 μm，增加比例较大。但由于原型机为航空发动机，雾化粒度增大后仍处于良好雾化质量范围，可保证良好的点火及燃烧性能。5组喷嘴相同工况粒度离散，相差约8 μm，说明加工及装配精度对喷嘴性能有较大影响。

流量是决定燃机功率的关键因素，改变燃料前后典型工况的燃油流量变化如图4所示。可见，改为柴油后，各工况下的流量均有所降低，其中主油路降低约3%，副油路降低约6%。这是因为质量流量由燃料密度及粘度共同决定，副油路流通面积小，因而对粘度变化更为敏感。另外，-10号柴油密度为820 kg/m3，RP-3航空煤油密度为780 kg/m3，两者低热值分别为42 079 kJ/kg、42 911 kJ/kg。若要保持功率不变，假定燃烧效率相同，则燃用柴油与煤油所需质量比为1.02，即燃用柴油时供油量应增加2%。决定功率的主油路流量降低约3%，则柴油流量低于设计工况约5%，这可通过适当增加供油压力来实现，而不必改变喷嘴几何尺寸。这样既可实现设计流量，同时提高压力又改善了雾化质量。从图中还可以看出，不同喷嘴间流量相差近3%，再次说明加工及装配精度对喷嘴性能有较大影响。配台时，应依据流量试验结果，将喷嘴分组以提高流量均匀性，进而保证出口温度场均匀性。

另外，试验证明，喷嘴雾化锥角对燃料物性不敏感，燃料改变前后基本不变，可保证火焰筒头部尺寸及点火位置不必调整。

图3 典型工况下不同燃料的雾化粒度Fig.3 Particle size of different fuels at typical operating conditions

图4 典型工况下不同燃料流量变化Fig.4 Flow rate changes of different fuels at typical operating conditions

3 点火特性试验

贫油点火极限是燃机重要性能指标之一，是保证燃机低功率特别是大功率转为低功率时稳定燃烧的关键参数。油滴最小点火能与其索太尔平均直径的4.5次方成正比，因而雾化粒度大小直接决定最小点火能[7-8]。

3.1 试验系统与试验件

试验系统主要由空气系统、燃料系统、冷却系统及测控系统组成，如图5所示。试验中为模拟压气机出口温度，空气由电加温器加热至试验温度，经孔板流量计计量后供入试验件。点火器为原型发动机所用高能电嘴，连续点火5 s，燃烧室出口温升达80 K以上并稳定燃烧20 s以上视为点火成功。燃烧室出口布置一3点气冷梳状高温热电偶，以监控燃烧室出口温度。点火成功后，熄火、吹冷，降低供油量再次点火，直至获得贫油点火边界。

QD128燃气轮机采用环形燃烧室，周向20个喷嘴。试验截取全环尺寸的3/20形成54°扇形段，加工机匣及前后转接段、测量段，形成试验件。

图5 试验系统Fig.5 Test rig

3.2 结果分析

完成了柴油燃料时，进口空气马赫数分别为0.1、0.2、0.3、0.4及0.5五种工况下的点火特性试验。同时，为考察进气温度对点火性能的影响，分别进行了进气温度288 K和420 K的点火试验。试验结果如图6所示。结果表明，虽然柴油雾化质量有所下降，但其点火性能依旧很好。点火范围很宽且燃烧充分、稳定，贫油点火极限完全满足设计标准。进气温度升高使得点火极限略宽，但影响不大。

图6 柴油点火特性Fig.6 Ignition characteristics of diesel oil

4 结论

(1)雾化锥角对燃料物性改变不敏感，基本保持稳定。

(2)采用柴油时，喷嘴流量低于设计值约3%，可通过适当增加供油压力来达到设计值，而无需改变喷嘴几何尺寸；喷嘴雾化粒度明显增大，但仍处于良好雾化状态；点火性能依然可靠并具有宽广的贫油点火范围。

(3)QD128燃气轮机在保持燃烧室几何结构不变的情况下，以柴油替代航空煤油，仍可实现满足原设计要求的燃烧性能。

[1]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.

[2]吴爱中，杨其国.我国发展燃气轮机的问题及途径[J].汽轮机技术，2010，16(1)：18—22.

[3]李孝堂.发展中的中国一航燃气轮机产业[J].航空发动机，2006，32(2)：14—16.

[4]尚守堂.QD128航改燃机燃烧室设计分析[J].航空发动机，2002，26(3)：1—5.

[5]李继保，刘大响.局部富油供油扩展燃烧室贫油点火熄火边界研究[J].航空动力学报，2003，18(2)：221—224.

[6]李孝堂.燃气轮机的发展及中国的困局[J].航空发动机，2011，37(3)：1—7.

[7]史家荣，冯大强.新型燃油在燃气轮机中应用的试验研究[J].燃气涡轮试验与研究，2004，17(3)：10—13.

[8]刘凯，蔡九菊，张宝诚.某重型燃气轮机喷嘴组雾化特性的试验研究[J].东北大学学报，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

国家863项目(2002AA503010/ZXD0705)

徐丽(1971-)，女，辽宁沈阳人，副教授，研究方向为燃气轮机燃烧设计、试验与数值模拟。