地面燃機(jī)燃用不同燃料的燃燒室性能分析*

李 鋒，郭瑞卿，唐正府,2，尚守堂,2，呂付國

(1.北京航空航天大學(xué)能源動力學(xué)院，北京 100191;2.沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)所，遼寧 沈陽 110015)

地面燃機(jī)燃用不同燃料的燃燒室性能分析*

李 鋒1，郭瑞卿1，唐正府1,2，尚守堂1,2，呂付國1

(1.北京航空航天大學(xué)能源動力學(xué)院，北京 100191;2.沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)所，遼寧 沈陽 110015)

從發(fā)動機(jī)燃燒性能的角度出發(fā)，研究了航空發(fā)動機(jī)改地面燃機(jī)后燃用其他燃料對燃燒室性能的影響.利用流體計(jì)算軟件Fluent，針對地面燃機(jī)燃燒室燃用航空煤油、輕柴油、工業(yè)酒精、天然氣4種不同燃料，進(jìn)行模擬計(jì)算，給出燃用不同燃料時的燃燒性能.結(jié)果表明，從燃燒的角度來看，輕柴油的燃燒性能與航空煤油差別不大，可直接替代航空煤油或與航空煤油混合使用,燃用天然氣的NOx排放及CO排放都很低，天然氣是一種理想的低污染燃料.工業(yè)酒精由于物性及熱值與航空煤油差距很大，地面燃機(jī)改燒工業(yè)酒精還需作相當(dāng)深入的研究.該研究對發(fā)展下一代航空替代燃料有一定的參考價值.

替代燃料；航空燃料；燃燒室性能；地面燃機(jī)；燃燒室設(shè)計(jì)

近年來，國際油價不斷上漲，各國都在積極探索其他燃料替代航空煤油的可行性，其中包括開發(fā)航空合成燃料和生物燃料[1-3].德國科學(xué)家早在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)試驗(yàn)成功了費(fèi)-托工藝，一種進(jìn)行人工合成燃料的試驗(yàn).Denial等直接采用正十二烷代替美國JP27航空煤油進(jìn)行裂解和熱傳導(dǎo)研究，法國科學(xué)院Ragout針對法國TRO航空煤油的三組份替代模型和美國JP28航空煤油的六組份替代模型開展研究.NASA開展了航空煤油替代燃料的深入研究，其目的是能夠根據(jù)需要按配方生產(chǎn)低排放型燃料或高噴射型燃料[4-10].2008年2月，一架以液化氣為燃料的A380-841型客機(jī)成功首飛，此外，新西蘭的一架波音747-400噴氣客機(jī)進(jìn)行了可持續(xù)生物燃料的飛行測試[11].國內(nèi)中科院力學(xué)所范學(xué)軍等[12]以大慶RP23航空煤油為例,對航空煤油進(jìn)行熱物理特性研究,此外，四川大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位[13-15]也開展了替代燃料的深入研究.筆者從發(fā)動機(jī)燃燒性能的角度出發(fā)，研究了航空發(fā)動機(jī)改地面燃機(jī)后燃用其他燃料對燃燒室性能的影響.研究中，利用流體計(jì)算軟件Fluent，針對地面燃機(jī)燃燒室在不同工況下燃用航空煤油、輕柴油、工業(yè)酒精、天然氣4種不同燃料，進(jìn)行模擬計(jì)算，給出地面燃機(jī)燃用不同燃料時的燃燒性能.

1 數(shù)理模的建立

1.1物理模型

采用Fluent軟件中的Realizablek-ε湍流模型、DDM噴霧模型、PDF燃燒模型及DO輻射模型、熱力模型、NOx排放模型進(jìn)行計(jì)算[16].文獻(xiàn)[16]將該模型的單環(huán)腔燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了其計(jì)算結(jié)果的可信度.筆者采用與其相同的數(shù)理模型對不同燃料的燃燒室性能進(jìn)行對比，研究在相同的數(shù)理模型下采用不同燃料的燃燒性能.

圖1 模型燃燒室的形狀

1.2網(wǎng)格劃分和邊界條件

1.2.1 計(jì)算域和網(wǎng)格劃分 在GAMBIT中，為了有效控制網(wǎng)格的疏密，對計(jì)算域進(jìn)行分區(qū)處理，整個計(jì)算域內(nèi)共分成67個區(qū)域.針對每個區(qū)域的不同特點(diǎn)，采用不同的網(wǎng)格形式，實(shí)現(xiàn)在保證計(jì)算分辨率的前提下，獲得高質(zhì)量的3維貼體坐標(biāo)網(wǎng)格.為了盡可能取得高的精度，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格相結(jié)合來劃分計(jì)算域網(wǎng)格.在近壁區(qū)、結(jié)構(gòu)突變區(qū)及有孔的區(qū)域，網(wǎng)格劃分較細(xì)密，并在主要燃燒區(qū)域網(wǎng)格劃分較細(xì).最終整個區(qū)域劃分為1 660 768個網(wǎng)格,如圖2所示.

圖2 漩流器及燃燒室網(wǎng)格

1.2.2 邊界條件 在進(jìn)行邊界條件設(shè)置時，采用流量進(jìn)、出口邊界條件，其邊界條件的設(shè)置如表1所示.

表1 地面燃機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)

2 不同燃料的燃燒室性能對比

2.1總壓恢復(fù)系數(shù)

設(shè)計(jì)點(diǎn)4種燃料燃燒室的總壓恢復(fù)系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示.從表2可以發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)、外二股通道出口，燃用工業(yè)酒精的總壓恢復(fù)系數(shù)略低于航空煤油、輕柴油和天然氣；但在火焰筒出口，燃用工業(yè)酒精的總壓恢復(fù)系數(shù)略高于航空煤油、輕柴油、輕柴油和天然氣.說明燃用工業(yè)酒精的熱阻損失要低于航空煤油、輕柴油和天然氣，這可從它的溫度分布中火焰較短中得到初步解釋.

表2 設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料總壓恢復(fù)系數(shù)的比較

2.2燃燒效率

設(shè)計(jì)點(diǎn)4種燃料燃燒室的火焰筒內(nèi)燃燒效率計(jì)算結(jié)果如表3所示.從表3可以發(fā)現(xiàn)，燃用航空煤油的燃燒效率最高，燃用工業(yè)酒精的燃燒效率要大幅低于航空煤油、柴油和天然氣,這可能是由于工業(yè)酒精熱值較低，燃燒組織較為困難，當(dāng)然其深層原因還需深入研究.

表3 設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料燃燒效率的比較

2.3沿流程截面溫度分布

設(shè)計(jì)點(diǎn)4種燃料燃燒室沿流程截面溫度分布如圖3所示.從圖3可以發(fā)現(xiàn)，燃用航空煤油和輕柴油的溫度分布圖十分接近，燃用航空煤油的最早出現(xiàn)高溫區(qū)，而燃用工業(yè)酒精火焰較短，高溫區(qū)主要出現(xiàn)在摻混孔前，燃用天然氣最晚出現(xiàn)高溫區(qū)，表明航空煤油最容易著火，而工業(yè)酒精的燃燒時間最短，天然氣在高速氣流的吹動下，火焰往下游漂移.

圖3 燃燒室縱切面溫度分布圖(設(shè)計(jì)點(diǎn)1)

2.4燃燒室出口溫度分布

表4 設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料出口溫度分布系數(shù)

設(shè)計(jì)點(diǎn)4種燃料燃燒室沿出口溫度分布如表4及圖4所示.從表4及圖4可以發(fā)現(xiàn)，燃用天然氣的出口溫度系數(shù)要大幅低于工業(yè)酒精、航空煤油和輕柴油,其中燃用工業(yè)酒精的出口溫度分布最差，這可能是由于工業(yè)酒精熱值較低，燃燒不充分有關(guān)，當(dāng)然其深層原因還需深入研究.

圖4 燃燒室出口溫度系數(shù)分布度分布圖(設(shè)計(jì)點(diǎn)1)

2.5污染排放

設(shè)計(jì)點(diǎn)4種燃料污染排放如表5、圖5及圖6所示.從表5、圖5及圖6可以發(fā)現(xiàn)，燃用航空煤油的NOx排放較高而CO排放較低，表明航空煤油燃燒最為充分，這可從表3中航空煤油的燃燒效率最高中得到解釋.燃用輕柴油的NOx及CO排放與燃用航空煤油差距不大，燃用工業(yè)酒精的NOx和Soot排放較低，但CO的排放最高，燃用天然氣的NOx排放及CO排放最低，表明天然氣是一種理想的低污染燃料.

表5 設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料出口污染物參數(shù)

圖5 設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料的NOx污染排放

圖6 設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料的CO污染排放

3 結(jié)語

對比航空煤油、輕柴油、工業(yè)酒精、天然氣4種不同燃料的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，航空煤油的燃燒效果最好，輕柴油其次，工業(yè)酒精的燃燒效果最差，天然氣的NOx排放及CO排放都最低，是一種理想的低污染燃料.從燃燒的角度來看，輕柴油的燃燒性能與航空煤油差別不大，可直接替代航空煤油或與航空煤油混合使用.工業(yè)酒精由于與航空煤油的熱值、分子量及物性等差距很大，航空發(fā)動機(jī)改地面燃機(jī)燒工業(yè)酒精還需作相當(dāng)深入的研究.

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(責(zé)任編輯 向陽潔)

CombustorPerformanceofFloorCombustionGasTurbineUsingAlternativeFuel

LI Feng1,GUO Ruiqing1，TANG Zhengfu1,2，SHAN Shoutang1,2，Lü Fuguo1

(1.School of Jet Propulsion,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China;2.Shenyan Aero-Engine Design Institute,Shenyan 110015,China)

From the angle of engine combustion performance,the influence of the alternative fuel on combustion performance after the aeroengine changed into floor combustion gas turbine was researched.FLUENT,fluid computing software,was used to compute different alternative fuels on the combustion properties.For the floor combustion gas turbine combustor in the burning of aviation kerosene,light diesel oil,industrial fuel alcohol and natural gas,simulation was carried out,and the engine combustion performance of different fuels was given.The result showed that,from the angle of engine combustion performance,there was no difference between aviation kerosene and light diesel oil,which can be used directly or combined with aviation kerosene by engine combustor.The emission of NOxand CO from natural gas combustion was 1 000;natural gas is an ided low-emission fuel.There was a wide gulf between the aviation kerosene and the industrial fuel alcohol,which needs an in-depth study for the technology on changing fuel from aviation kerosene to industrial fuel alcohol after the aeroengine changed into floor combustion gas turbine.The research has a valuable reference for the development of the next generation of aviation alternative fuel.

alternative fuel;aviation fuel;combustor performance;floor combustion gas turbine;combustor design

1007-2985(2014)02-0035-06

2013-06-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(90716025，50476005)；航天支撐基金(13131001)

李 鋒(1966-)，男，湖南資興人，北京航空航天大學(xué)能源動力學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事燃燒、流動控制及隱身研究.

V231.1

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.02.009