燃氣輪機高溫升燃燒室一體化雙流路噴嘴設計研究

扈鵬飛 王琦

（中國航空研究院，北京 100029）

1 概述

燃油噴嘴是燃氣輪機燃燒室的關鍵部件, 對燃氣輪機性能起著重要的作用。適合的噴嘴流量特性保證燃燒室在額定的油氣比下工作，是燃燒室正常工作的基本條件，同時，各噴嘴間流量的均勻度也是影響燃燒室性能特別是出口溫度場的重要因素；另一方面，噴嘴的霧化特性也對燃燒室性能有重要影響，包括：燃燒室最小點火能量與索太爾平均直徑成正比；粗大的油滴可能能穿過燃氣到達壁面,引起壁面局部過熱、蝕積焦,造成燃燒效率降低；噴霧錐角很大程度上決定了燃料在燃燒空間中的分布等。

離心式噴嘴是國內(nèi)外現(xiàn)役航空發(fā)動機中廣泛使用的一種燃油噴嘴, 大量的學者對其進行了廣泛細致的研究。早在1944 年，前蘇聯(lián)的阿勃拉莫維奇就提出了離心噴嘴的簡化物理模型，并推導了流量和噴霧錐角的計算公式，但此模型未考慮粘性作用和噴嘴結構形式影響，隨后，吉洪諾夫、傅維標、楊立軍等許多研究者，也進行了深入研究，在對其模型進行了許多修正和補充的基礎上，還提出了如噴口長度等一些其它的影響因素。對于離心噴嘴的霧化特性，已經(jīng)有許多研究者進行了深入的研究, 如Simmons 提出平均直徑及分布指數(shù)是影響離心噴嘴液滴尺寸分布的兩個參數(shù)，金如山提出霧化平均直徑d32和噴嘴直徑的平方根成正比，Takahashi 等實驗研究了脈沖式供油離心噴嘴霧化油滴速度分布，楊立軍等人采用高速照像方法研究了離心噴嘴噴霧場軸向速度分布等等。

本文針對燃氣掄起高溫升燃燒室，根據(jù)典型的設計輸入，研究了主副油路流路匹配方案，關鍵元件的性能參數(shù)計算和設計，得到了完整的雙油路離心噴嘴設計方法，完成了一個典型雙流路噴嘴的方案設計。

2 典型高溫升燃燒室設計要求

一般來說，燃油噴嘴主要設計要求如下：

a.主要工作狀態(tài)下的燃油流量；

b. 霧錐角度和霧化質(zhì)量；

c. 滿足最大供油；

d. 滿足強度要求；

e. 外形尺寸和重量滿足要求。

表1 是一個某燃氣輪機燃燒室給出的噴嘴流量設計要求，本文主要以此為目標開展方案設計研究。

燃燒室各主要狀態(tài)供油如表1 所示。其中，狀態(tài)1 為設計點狀態(tài)2 為慢車點，狀態(tài)2 為最大狀態(tài)點。

3 方案設計研究

3.1 總體方案設計

為滿足表1 中噴嘴的使用要求，從以下幾個方面考慮確定總體方案：

3.1.1 由表1 可知，噴嘴最大供油量和慢車供油量之比達到了18.5，為了實現(xiàn)如此大范圍的油量調(diào)節(jié)，采用雙油路噴嘴是最佳的方案選擇；流量小時采用小流量數(shù)噴霧器（副噴嘴），大流量時增加大流量數(shù)噴霧器（主噴嘴）。

3.1.2 大、小流量噴霧器采用同心圓布局，從而在結構上實現(xiàn)供油、主、副噴嘴統(tǒng)一。

3.1.3 采用一個定壓活門，分隔大流量噴霧器和小流量噴霧器起動壓力，使得小狀態(tài)時大流量噴霧器不啟動。

3.1.4 由于實際過程中需要考慮噴嘴的密封性要求，需設置一定的燃油噴嘴開啟壓力，所以，在燃油總管后增加開啟活門。

設計總體燃油流路方案如圖1 所示。

圖1 雙油路噴嘴流路

3.2 主副油路流量特性匹配研究

3.2.1 匹配過程分析

為了達到最佳的燃燒性能，綜合考慮以往經(jīng)驗和慢車/設計點燃油流量比，認為：

a.設計點主副油路流量分配為9：1 左右合適；

b.在慢車點主活門不開啟。

慢車點全部副油路供油，若設定了副噴霧器的流量數(shù)FN1，可得到慢車點供油壓力P1：

對于副噴霧器，由于其在慢車及以下的霧化對燃燒室點火/熄火性能有重要影響，因此，噴嘴設計中應該特別強調(diào)小狀態(tài)下副噴霧器的霧化。噴霧器的噴霧器油壓和流量數(shù)的關系：

此時主油路燃油流量Q2，依此可以計算主噴霧器的流量數(shù)FN2：

其中，Ps是活門開啟壓力。

于是，噴嘴的流量特性可由副噴霧器的流量數(shù)來初步估計。從而可以通過計算得到最大流量是噴嘴對應的最大供油壓力Pmax。通過以上公式可計算SMD、P2、FN2、Pmax與FN1 的關系。

3.2.2 結果及討論

圖2 所示為慢車點副噴霧器流量數(shù)和索太平均直徑的關系。如圖所示，隨之流量數(shù)FN1 增大，慢車點SMD 增加，噴嘴霧化效果變差?？紤]到以往工程經(jīng)驗，設計中應取SMD 小于32μm，F(xiàn)N1 小于44。

圖2 慢車點FN1 與SMD 的關系

圖3 是計算得到的副噴口流量數(shù)FN1 和噴嘴各性能參數(shù)的關系。其中Pmax是噴嘴所需最大供油壓力。如圖所示，隨著副噴嘴流量數(shù)FN1 增加，由于慢車點和設計點副油路供油量一定，因此此時總油壓和活門的開啟壓力減小，而為了保證噴嘴流量，需要增大主噴霧器的流量數(shù)FN2。從霧化角度來說，供油壓力越大，噴口的壓降越大，霧化效果越好，特別是副噴霧器，由于沒有氣動霧化，其霧化效果和噴口壓降有直接關系，然而油泵的供油壓力有限，在考慮到設計裕度，噴嘴的最大供油壓差應該在3.5MPa 左右，對應圖4 中可知，F(xiàn)N1>40 能滿足要求；在一定的范圍內(nèi)選擇FN1 都是合理的。在初步方案設計過程中，考慮實際活門的壓降，主活門漏油等因素影響，參考以往設計經(jīng)驗，初步選定FN1=42，基于此可以計算出其它參數(shù)，如表2 所示。

圖3 FN2、P2 和Pmax 與副噴嘴噴霧器流量數(shù)（FN1）的關系

表2 初步計算結果

3.3 流路元件方案分析

噴嘴流量特性主要由主副噴霧器及主油管三個流路元件確定，噴嘴的霧化和張角則由主副噴霧器確定。

3.3.1 副噴霧器

如圖4 所示，作為離心噴嘴，副噴嘴的流量特性可以用阿勃拉莫維奇理論評估，離心噴嘴在最大流量下的流量特性與噴嘴幾何特征參數(shù)A 有關：

圖4 噴霧器阿勃拉莫維奇公式模型

噴嘴有效截面系數(shù)ε 與其幾何特征參數(shù)A 關系為

通過有效截面系數(shù)和幾何特征參數(shù)，可以得到噴嘴的流量系數(shù)：

根據(jù)阿勃拉莫維奇的模型，在旋流器半徑確定的情況下，副噴霧器的流量數(shù)FN1 由旋流槽面積F1、旋流槽角度θ 和噴口直徑d 確定，如圖5～7 所示為三個參數(shù)與噴嘴流量數(shù)的關系。由圖可見，噴嘴流量隨旋流槽角度增大而減小，隨旋流槽面積和噴口直徑增加而增大，其中噴口直徑對流量特性影響最大，而油槽角度影響最小。對于噴口直徑，根據(jù)圖5～7 的結果，參考已有經(jīng)驗，選定為0.88mm。按照流量數(shù)42 的要求，開展設計，得到主要參數(shù)包括噴口直徑為0.88mm，油槽的外徑為6mm，在50°油槽角度下，有效流通面積為0.233m2。

圖5 噴口直徑對副噴霧器流量數(shù)的影響

圖6 油槽面積對副噴霧器流量數(shù)的影響

圖7 油槽角度對副噴霧器流量數(shù)的影響

3.3.2 主油管

燃油在噴嘴殼體內(nèi)的流動是管內(nèi)流動，其沿程流動損失其壓力損失可采用以下公式計算：

其中Re 是雷諾數(shù)，L 是管長，u 是流速，ρ 是流體密度，d是直徑。油管內(nèi)徑大，會導致油管直徑相應增大，從而影響主流氣流流動，油管內(nèi)徑過小，則油管內(nèi)的油壓損失會急劇增大，因此應該在避免油壓損失過大的基礎上，盡量減小油管內(nèi)徑。由圖8 可見，在d＝3.6mm 時，油壓損失較小，如果繼續(xù)減小油管內(nèi)徑，則損失增加較快，因此，選擇油管內(nèi)徑為3.6mm。

圖8 主油路流量和油管壓降的關系

3.3.3 主噴霧器

由于主噴嘴旋流器與副噴嘴旋流器一體化設計，主噴嘴出口面積大，根據(jù)燃燒室設計輸入，主噴嘴出口直徑超過20mm，因此噴霧器的節(jié)流位置在旋流槽，這與通常噴霧器節(jié)流位置在噴口不同，此時，采用基于噴口節(jié)流假定的阿勃拉莫維奇公式并不合適。分析認為，對于此類噴霧器，采用伯努利方程可評估其流量特性，本文通過試驗驗證了以上分析結果，試驗主噴霧器流量計算與試驗值比較表明，油壓大于1.5MPa 時，噴霧流場建立，計算誤差基本在6%以內(nèi)?？梢?，采用這種方式來計算主噴霧器流量，進行主噴霧器設計是可行的。以此設計主噴霧器主要參數(shù)，規(guī)整后得到主要參數(shù)包括噴口直徑為21mm，外徑為27mm，由此得到的有效流通面積3.73m2，噴嘴流量數(shù)為680。

3.4 設計結果

設計結果為噴嘴慢車點主活門不開啟，供油壓力約為0.8MPa，活門的開啟壓力為0.95MPa；在設計點油壓為2.6MPa，主副油路流量比為8.5：1；噴嘴最大供油壓力為3.3MPa。

4 結論

本文完成了開展了一體化的雙流路噴嘴設計技術研究，得到了某燃燒室雙旋流噴嘴方案設計，得到主要結論如下：

4.1 噴嘴性能在慢車附近主要取決于副噴霧器，通過小狀態(tài)霧化要求和噴嘴最大供油壓力的限制，選擇副噴霧器是噴嘴設計關鍵。

4.2 副噴霧器的流量特性主要由其旋流器油槽面積，角度和噴口直徑?jīng)Q定，其中，噴口直徑對副噴霧器流量影響最大。

4.3 隨著副噴霧器流量數(shù)增加，噴嘴所需最大供油壓力下降，但同時需要增大主噴霧器流量數(shù)，犧牲噴嘴霧化性能。

4.4 在滿足設定流量需求的條件下，副噴霧器特性在一定范圍內(nèi)都是可選的，方案設計中需要參考其他要求和經(jīng)驗。

4.5 副噴霧器的流量特性可以由阿勃拉莫維奇公式計算，而主噴霧器的流量特性由其油槽決定，直接應用伯努利方程計算。