微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

崔运静，林其钊，仇性启

（1.中国科学技术大学热科学和能源工程系，合肥230027；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛266580）

0 引 言

在燃用液体燃料的燃气轮机中，燃料的喷射、雾化及与空气的混合是整个燃烧过程的一个关键环节［1］。在燃烧系统中，喷雾过程分为两部分：第一部分是研究动力学的初次雾化过程和碰撞再聚合的二次雾化过程，第二部分是将燃料分散到气体相中完成蒸发和燃烧的喷雾混合过程。良好的雾化混合是实现高效率燃烧的前提，对节能和减排具有重要意义。该研究主要针对第二部分过程展开研究。

研究者针对液体燃料喷嘴出口附近气粒的混合流动，开展了广泛的研究。Doudou［2］，毕荣山［3］和Watanabe［4］等分别用实验和模拟的方法研究了喷雾湍流，考察了喷雾射流速度对气粒混合的影响，Watanabe等和汪凤山［5］还考察了湍流混合对NOx排放的影响。Lee［6］，汪文辉［7］和杨阳［8］等研究了旋流对湍流和燃烧的影响。Rutland［9］，Reddy［10］，Caraeni［11］，Patel［12］和Bilger［13］等分别对液体燃料的喷雾射流、湍流混合及燃烧反应进行了数值模拟，考虑了喷雾和湍流的相互作用，认为喷雾过程对燃烧具有很大影响。那么，在空间相对狭小的微型燃气轮机内，雾滴与周围气体的迅速混合以及雾滴尺寸变得更加重要。

Lefebvre［14］实验总结出雾滴越细，液体燃料蒸发速率越高，燃烧效率越高。目前燃气轮机所用液体燃料喷嘴大部分为气液预混式，借助内部气动力雾化燃料，容易造成燃烧的不稳定，但所设计的微型燃气轮机喷嘴液体燃料流量较小，适宜采用稳定的外混雾化形式。关于燃气轮机喷雾的部分研究列于表1中。

表1 燃气轮机喷嘴雾化的文献Table1 Reference of atomization of gas turbine nozzle

目前燃气轮机学者都追求燃料在贫燃条件下燃烧以降低污染物排放，满足环境排放要求［5，19－25］。因此，为了加强燃空混合并营造反应区的低氧贫燃氛围，根据涡旋气流能够促进雾化、卷吸更多烟气和稀释喷雾并降低反应物中的氧浓度的思路，作者基于Danfoss油嘴设计了一种涡旋气流辅助雾化的喷嘴，并采用激光测量手段研究自由射流喷嘴出口附近的冷态流动情况以及喷嘴的雾化性能，分析出口处两相流场的湍流混合情况，作为微型燃气轮机内热态反应物流场的参考，并指导燃烧空气动力场的设计，同时为小流量液体燃料喷嘴的设计提供参考。

1 实验系统和实验方案

1.1 实验系统

喷雾测试系统实验装置如图1所示，为方便测量，喷嘴（如图2所示）垂直向下喷射，这里用水代替燃料考察喷嘴的雾化性能及射流混合情况。喷嘴流量采用累积方式测量。采用美国TSI公司的二维可适性激光相位多普勒测速仪APV／LDV（Adaptive Phase／Doppler Velocimetry）系统测量喷雾流动情况和雾化性能。该系统利用运动微粒通过激光束的测量区时产生光散射信号，该信号包含多普勒频移和相移信息，经过专门数据处理以后就能精确获得运动微粒的速度和粒径等信息。测试时接收探头采用前向60°接收光散射信号，两个半圆形接收探头（采用矩形光圈）之间夹角为6°，光路布局如图3所示，测试中每个测点限时统计5000个有效数据进行平均。

图1 实验系统示意图Fig.1 Sketch of the experimental facilities

图2 喷嘴结构示意图Fig.2 Sketch of the nozzle

图3 喷雾照片Fig.3 Spray photo

1.2 实验方案

对Danfoss喷嘴进行结构改造，在外部增加涡旋气流，考查涡旋气流对喷孔附近液体和空气的混合以及雾化的作用。喷孔为轻微右旋，外部涡旋气流为左旋。由于喷嘴流量很小，因此实验中固定该流量，仅改变气体参数，各组工况参数如表2所示。

表2 各组工况参数Table2 Parameters for each work conditions

从图2中可以看出，液体喷孔出口平面高于整个喷嘴的下平面，故激光探头无法测到距离喷孔7mm以内的雾化信息，并且考虑到两束绿光间的距离和夹角，因此将喷嘴出口作为坐标原点，向下10mm作为第一个测量截面，对于每组工况共测量包括－10、－20、－50、－100、－150和－200mm 6个轴向截面上的两条互相垂直的测量半径的雾滴和速度统计信息，每条半径上每隔2或3mm布置一个测量点，其中在每个轴向测量截面上沿x轴移动坐标架测量第一条半径上各测量点的雾滴直径及分布、轴向速度和切向速度信息，沿y轴移动坐标架测量第二条半径上各测量点的轴向速度和径向速度信息，这样利用二维LDV系统可以了解轴对称雾化场的三维速度规律。雾化角的测量通过拍照法测得。测试喷雾照片如图3所示。

2 实验结果及讨论

2.1 流动特性

近喷孔处流体的湍流程度决定了燃料和空气与周围气体的混合程度以及下游的燃烧状况，故仅研究喷孔附近截面的流动特性。

图4中u′m为y轴上各截面所有测量点中雾滴轴向和径向统计分量的最大合速度，u′＝，u为轴向分速度，v为径向分速度。从图中可以看出随轴向距离的增大，合速度u′呈乘幂函数形式递减，在喷嘴附近截面雾滴速度变化很大，在距离喷嘴较远的自由发展区变化渐缓。

图5～7中速度和湍流度的轴向分量（第一象限）和切向分量（第三象限）为同一测量点的测量值，径向分量（第二象限）为同一轴截面上另一条测量半径y上的对应测量点的信息，对该分量仅作径向分量的比较，不与轴向和切向分量作比较。为将多项数据显示在同一图的不同象限，图5～7中第三象限的切向速度放大为真值的－2倍，径向湍流度为真值的负值，并对轴心附近较低的湍流度进行了局部放大。

图4 x轴各截面最大轴切合速度u′max分布图Fig.4 Maximumu′at different axial cross－sections at xdirection

图5 －10mm截面速度分量和各向湍流度Fig.5 Velocity and turbulence components at z＝－10mm

图6 －20mm截面速度分量和各向湍流度Fig.6 Velocity and turbulence components at z＝－20mm

图7 －50mm截面速度分量和各向湍流度Fig.7 Velocity and turbulence components at z＝－50mm

从图5～7各近喷嘴截面的速度图中也可以看出：随与喷孔轴向距离的增加，雾滴速度呈减小趋势。增加外部涡旋气流之后，雾滴各向分速度变化较大，无量纲径向位置上的轴向分速度u由原来的准均匀分布变为半“W”型分布，切向分速度w近似钟形分布，径向分速度v较之前增大。随气体压力或流量增大，w明显增大。从实验照片（图3）中可以看到雾锥中的雾滴旋流，根据雾滴和空气行进过程中存在动量交换，可以推断喷孔附近的气体旋流更强，这样在燃烧时空气强旋流有助于卷吸周围的高温烟气，与之混合形成低氧氛围，并促进与燃料的混合。与工况x0相比，其它工况增加了涡旋空气，内外旋向相反，两旋流相遇的界面湍流度比较大，速度比较低，故近喷孔处雾锥内部出现了一小回流区，利于燃料的热量传递［26］。随轴向距离的增加，回流区向外围移动并减弱。其中气流出口面积最大的工况x1中回流区位于雾锥中心，且维持到－50mm以下逐渐消失。而工况x2至工况4的回流区的位置偏离中心，这与内外旋流的不稳定交界面的位置及气体操作参数有关。

从图5～7各截面的湍流度分布中可以看出，受喷射动量的作用，－10mm截面的径向和切向速度脉动较小，随着轴向距离的增大，各分量速度脉动先增大后减小，脉动区域变宽，这是雾滴和雾滴、雾滴和空气不断进行动量交换的结果。涡旋气流的出现使喷孔附近的雾滴的轴向速度脉动明显增大，轴向湍流度较大的区域对应于回流附近区域。随气体压力或流量的增大，各分量湍流脉动区域加宽，这与回流区加宽的现象一致。

另外，燃料喷孔比较小，实验时喷口雷诺数Re约为12700。米建春［27］在实验和数值模拟研究中发现存在一个临界初始动量，高于此临界动量值时可以实现MILD燃烧，动量和初始预混模式对燃烧反应影响不大。初始射流动量关系到整个燃烧的稳定性和污染物排放。根据计算，该液体燃料喷嘴常温喷水实验时的喷射初始动量Jl＝0.132kg·m／s2＞0.097kg·m／s2（文献［27］所述临界值），除工况x1外，其他工况均有涡旋空气的喷射动量Ja≫0.097kg·m／s2。

由上可见，加入外部涡旋气流以后，喷孔附近雾滴的动量增大，各向分速度均出现不同程度的增大；随气体压力或流量增大，切向分速度明显增大；涡旋气流的出现使喷孔附近的雾滴的轴向速度脉动明显增大，轴向湍流度较大的区域对应于回流附近区域。因此燃烧时利用涡旋气流利于卷吸周围的高温烟气，混合形成低氧氛围，并促进与燃料的混合，故认为该喷嘴具备形成低氧环境的动力条件。

2.2 雾化粒度

（1）雾滴直径

雾滴直径决定了液滴蒸发燃烧的时间长短，是评价喷嘴性能的重要指标。液滴直径越小则蒸发燃烧相对越快。这里用Sauter直径（SMD，即D32）来表征雾滴尺寸，因为SMD最能反映真实液雾的燃烧属性。

图8横坐标为各截面的无量纲半径，R为所测截面的最大半径。由图可知，靠近喷嘴的每个截面上各工况之间雾锥中心雾滴粒度区别比较明显，随轴向距离的增加每个工况雾锥中心雾滴尺寸变化不大，随气压增大平均雾滴尺寸减小，说明在实验范围内较大的空气剪切动力利于将液膜破碎成更小的雾滴。增加涡旋气流以后，空气的夹带卷吸使雾锥中心的雾滴变稀，雾滴发生碰撞再聚合的机会减少。另外，与工况x1相比，工况x2的涡流气对整个雾锥的收敛作用明显，因此回流区及外缘雾滴碰撞几率增加，两处的粒径相对较大。

图8 －10，－20，－50mm三截面上各工况的SMDFig.8 SMD on z＝－10，－20and－50mm for all work conditions

全部实验工况中所有雾滴直径均低于60μm，所有雾滴的平均直径低于50μm。根据静止液滴寿命公式，即D2蒸发规律［28］，估算液滴寿命：

其中，tD为液滴寿命，kv为液滴的蒸发常数（参考正庚烷）。在这里平均雾滴直径按50μm计算，估算液滴的平均寿命低于5ms，最大液滴的寿命也低于10ms，而有燃烧的情况下，液滴的寿命更短，能够在微型燃气轮机内迅速燃尽。

（2）粒径分布

雾滴的数量分布是了解雾滴密集程度的重要参数。图9为各工况不同雾滴尺寸的微分数量分布，可以看出各工况均为偏高斯分布，有的工况呈现双模或者多模态分布，基本符合Gauss公式：

其中，dQ为某尺寸雾滴的数量分布，SMD0为分布数量最多的雾滴直径，dQ0、A、w和SMD0分别为高斯分布函数中的系数，在各工况中取值不同。可以看出，随空气流量增大，小雾滴数目增加。其中工况x1和x4的数量分布最多的雾滴尺寸稍小于其他3种工况。工况x1无端盖约束，雾滴尺寸最为集中。随气体流量和压力升高，小尺寸雾滴所占比例增加，也说明涡旋气为喷雾剪切破碎提供了更大的能量。

液滴的体积通量可以作为喷雾蒸发和混合的评价标准。图10对工况0和工况2的雾滴体积流量分布进行了比较，横坐标中R′为－100mm截面上的最大测量半径。从图9可以看出，随着与喷孔距离的增加，工况x0（图10（a））各截面的雾滴体积通量由中心逐渐向外围扩展，近似钟形分布；而工况x2（图10（b）），在喷孔附近的截面上雾滴体积通量最大的区域不在雾锥中心，而在无量纲半径的中部，呈现双峰分布，范围较宽，雾滴体积流量最大值大约是同截面雾锥中心流量的7倍，故该处雾滴直径比较大。随着与喷嘴轴向距离的增加，雾滴体积通量减小且在半径上分布渐趋平缓。图10（a）、（b）中均出现－10mm截面的体积通量小于－20mm截面值的情况，分析其原因为－10mm截面雾滴浓密，故APV在采集数据时遇到许多双通道符合性不好的粒子，进行统计计算的时候就把这些粒子剔除掉了，故使得该截面的体积通量较低。

图9 各工况雾滴粒径尺寸数量分布Fig.9 PDF of droplet size for all work conditions

图10 工况x0和x2的雾滴体积流量分布Fig.10 Volume flux distribution of droplets for x0and x2

由以上分析可知，在所有实验工况中雾滴直径均低于60μm，雾化粒度较细，尺寸分布为偏高斯分布，估算平均液滴寿命低于5ms，在高温环境中液滴迅速蒸发燃烧，燃烬时间较短，能够在300mm的行程内完成洁净燃烧，适合于微型燃气轮机。

2.3 雾化角与雾锥半径

雾化角的大小将影响燃料与空气混合、燃烧性能、火焰形状等，是燃烧室设计中的一个重要参数。由于实验中出现偏锥，所以对每个截面两个垂直方向的雾锥直径取平均值，根据不同雾锥直径或半径大小来考察雾锥与燃烧室尺寸的适配性。图11是各工况在各测量截面上平均雾锥半径的比较，可以看出气压较大的工况x3、x4在近喷孔处各截面的雾锥半径最大，大于气流出口截面积最大的工况x1，出口雾化角最高达150°，随着轴向距离的增加，两工况的雾锥半径有所收缩，而此时工况x1雾锥半径为最大。与气流量和压力相同的工况x1相比，工况x2出口截面积小得多，出口雾化角受到约束，因此各截面雾锥半径均小于工况x1。

因此，增加外部的涡旋空气后增大了出口雾化角，分散了雾滴，减少了初次雾化后雾滴的碰撞粘连，而且增加了对周围气体的卷吸掺混，有利于雾滴与周围气体的迅速混合。

3 结 论

利用激光测量技术对所改造的喷嘴进行了冷态雾化实验，分析了出口附近的两相混合流动情况，并考察了喷嘴的雾化性能，得到以下结论：

（1）增加外部涡旋气流后，喷孔附近雾滴的动量增大；气体压力或流量越大，切向分速度增大明显；近喷孔处雾锥内部出现较小回流区，对应湍流度较大区域，随轴向距离增加，回流区向外围移动并减弱，在燃烧时较大切向动量及湍流度利于周围空气和烟气的混合形成低氧环境并与雾滴迅速混合，进行传热和传质；

（2）所有实验工况雾滴平均直径低于50μm，且数量分布为偏高斯分布，适用于微型燃气轮机；

（3）增加旋流空气以后，雾滴的体积通量出现较大变化，较大通量位置沿径向由雾锥中心移至雾锥中部，并呈双峰分布；

（4）外部涡旋气流增大了喷孔的出口雾化角，分散了雾滴，减少了内部碰撞再聚合的机会，增加了对周围气体的卷吸掺混，利于气液混合、雾化和传热、传质；

（5）增加涡旋气流后近喷嘴处的雾滴直径和速度关系拟合为SMD＝－1.6822μ／（ρu′）＋48.155。

本文为微型燃烧室内燃烧空气动力场的设计提供了参考，是否能够降低污染物排放需要进一步的热态实验验证。

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