替代燃料对航空发动机燃烧室性能影响的计算研究

郭瑞卿，唐正府，2，尚守堂，2，吕付国，李　锋

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

替代燃料对航空发动机燃烧室性能影响的计算研究

郭瑞卿1，唐正府1，2，尚守堂1，2，吕付国1，李锋1

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

为探索用其他燃料替代航空煤油的可行性，从航空发动机燃烧性能的角度出发，研究了燃用其他燃料对燃烧室性能的影响。在不同燃烧工况下，利用流体计算软件FLU EN T模拟计算得到航空煤油、轻柴油、工业酒精的燃烧性能。结果表明：从燃烧的角度来看，轻柴油的燃烧性能与航空煤油的差别不大，可直接替代航空煤油或与航空煤油混合使用；工业酒精与航空煤油的燃烧性能差距很大，用作航空发动机燃料还需深入研究。

替代燃料；航空煤油；轻柴油；工业酒精；燃烧性能；燃烧室；数值模拟；航空发动机

0　引言

近年来，全球航空煤油需求不断增长，国际油价不断上涨，各国都在积极探索用其他燃料替代航空煤油的可行性，其中包括开发航空合成燃料和生物燃料［1］。德国科学家早在20世纪20年代就已经对1种“费-托工艺”的人工合成燃料成功进行了试验；Denial等直接采用正十二烷代替美国JP7航空煤油进行裂解和热传导的研究；法国科学院Ragout针对法国TRO航空煤油的3组分替代模型和美国JP8航空煤油的6组分替代模型开展研究［3-9］；NASA的革命性空间推进器概念项目开展了航空煤油替代燃料的深入研究，其目标是世界各大石油公司根据使用者的要求按配方生产低排放型燃料或高喷射型燃料［2］；2008年2月，1架F-WWDD号空中客车A380-841型客机以液化燃气为燃料，成功飞行3 h，成为第1架用液化燃气为燃料飞行的民用飞机；波音公司正在与美国大陆航空公司一起研发生物燃料，并在新西兰的1架波音747-400喷气客机上进行了可持续生物燃料的飞行测试［15］；近年来国内对替代燃料的研究逐渐重视，中科院力学所范学军、俞刚以大庆RP3航空煤油为例，对航空煤油进行热物理特性研究［12］；此外，四川大学、北京航空航天大学等也开展了替代燃料的深入研究［13-14］。

本文利用流体计算软件FLUENT，针对燃气轮机燃烧室在不同工况下燃用航空煤油、轻柴油、工业酒精3种不同燃料，模拟计算了其对燃烧室性能的影响，对发展下一代航空替代燃料有一定参考价值。

1　数理模型的建立

采用非预混PDF燃烧模型进行数值计算，航空煤油及轻柴油的成分及物理性质见表1。工业酒精的成分及物理性质采用如下方法计算。

表1　航空煤油及轻柴油的成分及物理性质

醇类物质反应机理十分复杂，中间产物极多，若全部考虑，数值计算工作量极大。在不影响试验结果的前提下，可以选取主要中间产物简化试验。乙醇的总体反应如图1所示。

图1　工业酒精氧化的总体反应流程

从图中可见，脱氢反应是乙醇消耗的主要途径，其使乙醇氧化成不同的中间产物从而完成整个燃烧氧化过程。在pre-PDF模型中计算选取13种组分，工业酒精反应组分见表2。

用pre-PDF软件计算的工业酒精在燃烧反应过程中各组分的摩尔分数和温度分布分别如图2、3所示。

表2　工业酒精反应组分

图2　工业酒精各组分摩尔分数

图3　工业酒精反应过程的温度变化

采用FLUENT软件中的Realizable k-ε湍流模型、DDM（Discrete Drop Model）喷雾模型、DO辐射模型、热力模型NOx排放模型进行计算［10-11］，文献［11］将该模型的单环腔燃烧室数值模拟结果与试验结果进行了对比研究，验证了其计算结果的可信度，本文采用与其相同的数理模型对不同结构的燃烧室性能进行对比。

1.3网格划分和边界条件

1.3.1计算域和网格划分

燃烧室结构及计算域如图4所示。燃烧室设计为20个头部、分成64个体积、总网格数目为166万。

图4　燃烧室结构及网格

1.3.2边界条件

采用流量进、出口边界条件，其设置见表3。

在文氏管出口设置了中空的锥形喷雾，该圆锥的初始直径为0.019 m（略小于文氏管出口直径），半锥角为35°。液滴的初始温度为400 K，初始直径为40 μm。

表3　燃气轮机设计点状态参数

2　燃用不同燃料的燃烧性能

2.1总压恢复系数

在设计点燃用3种燃料燃烧室的总压恢复系数计算结果见表4。

表4　设计点不同燃料总压恢复系数的比较

从表中可见，在火焰筒出口，燃用工业酒精的总压恢复系数略高于燃用航空煤油和轻柴油的，说明燃用工业酒精的热阻损失要低于后二者。

表5　设计点不同燃料燃烧效率的比较

2.2燃烧效率

在设计点燃用3种燃料燃烧室的火焰筒内燃烧效率计算结果见表5。

从表中可见，在火焰筒出口，燃用工业酒精的燃烧效率要大幅低于航空煤油和轻柴油燃用工业酒精的燃烧效率远低于航空煤油和轻柴油的，这可能与工业酒精热值较小，燃烧组织较为困难有关，但其深层原因还需进一步研究。

2.3沿流程截面温度分布

在设计点燃用3种燃料燃烧室沿流程截面温度分布如图5所示。

图5　燃烧室纵切面温度分布（设计点1）

从图中可见，燃用航空煤油和轻柴油的温度分布十分接近，燃用航空煤油最早出现高温区，而燃用工业酒精火焰较短，高温区主要出现在掺混孔前，表明航空煤油最易燃烧。

2.4燃烧室出口温度分布

在设计点燃用3种燃料燃烧室沿出口温度分布见表6及如图6所示。

从表6及图6中可见，燃用航空煤油的出口温度系数远低于工业酒精和轻柴油的，其中燃用工业酒精的出口温度很低，这可能与工业酒精热值较小，燃烧不充分有关，但其深层原因还需进一步研究。

表6　设计点不同燃料出口温度分布系数

图6　燃烧室出口温度系数分布（设计点1）

表7　设计点不同燃料出口污染物排放

2.5污染排放

在设计点燃用3种燃料燃烧室出口污染排放见表7。

从表中可见，燃用航空煤油的NOx排放最高，CO最低，燃用工业酒精的NOx排放最低，但CO的排放最高，表明航空煤油燃烧最为充分，这在表5中航空煤油的燃烧效率最高也得以说明。

3　结论

对比航空煤油、轻柴油、工业酒精3种不同燃料的计算结果可以发现，航空煤油的燃烧效果最好，轻柴油的其次，工业酒精的最差。从燃烧的角度来看，由于工业酒精与航空煤油的热值、分子量及物性等差距很大，用于航空发动机还需进行深入研究。

［1］Mongia H C.Recent advances in the development of combustor design tools［R］.AIAA-2003-4495.

［2］Mongia H C.Recent progress in comprehensive modeling of gas turbine combustion［R］.AIAA-2008-1445.

［3］Mongia H C.Perspective of combustion modeling for gas turbine combustors［R］.AIAA-2004-0156.

［4］Mongia H C.On continuous NOx reduction of aeropropulsion engines［R］.AIAA-2010-1329.

［5］Mongia H C.Swirl cup modeling［R］.AIAA-2001-3576.

［6］Mongia H C.TAPS-a 4th generation propulsion combustor technology for low emissions［R］.AIAA-2003-2657.

［7］Maier G，WittigS.Fuel preparation and emission character of a pressure loaded LPP combustor［R］.AIAA-99-3774.

［8］Michou Y，Chauvear C，Gokalp I.Experimental study of lean premixed and prevapo-rised turbulent spray combustion［R］.AIAA-99-0332.

［9］Micklow G J，Roychoudhury S，Nguyen H L，et al.Emission reduction by varying the swirler air flow split in advanced gas turbine combustors［R］.ASME 92-GT-110.

［10］Zarzalis N，Joos F，Glaeser B.NOx-reduction by rich-lean combustion［R］.AIAA-92-3339.

［11］李锋，尚守堂，程明，等.双环腔燃烧室置换单环腔燃烧室可行性研究［J］.航空动力学报，2008，23（1）：145-149. LI Feng，SHANG Shoutang，Cheng Ming，et al.Research on the feasibility of displacing the single annular combustor with a dual annular combustor［J］.Journal of Aerospace Power，2008，23（1）：145-149.（in Chinese）

［12］李锋，程明，尚守堂，等.双环预混旋流与单、双环腔燃烧室性能对比［J］.航空动力学报，2012，27（8）：81-88 LI Feng，CHENG Ming，SHANG Shoutang，et al.Capability compare of twin annular premixing swirler with the single annular and dual annular combustor［J］.Journal of Aerospace Power，2008，27（8）：81-88.（in Chinese）

［13］尚守堂，程明，张军峰，等.低排放长寿命燃烧室关键技术分析［J］.航空制造技术，2009（2）：1-6. SHANG Shoutang，CHENG Ming，ZHANG Junfeng，et al.Analysis on key technologies of low-emission and long-life combustion chamber［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2009（2）：1-6.（in Chinese）

［14］林宇震，林阳，张弛，等.先进燃烧室分级燃烧空气流量分配的探讨［J］.航空动力学报，2010，25（9）：1923-1931. LIN Yuzhen，LIN Yang，ZHANG Chi，et al.Discussion on combustion airflow distribution of advanced staged combustor［J］.Journal of Aerospace Power，2010，25（9）：1923-1931.（in Chinese）

［15］桂元坤，莫蓉.航空发动机复杂壳体类零件的参数化建模方法研究［J］.计算机工程与应用，2003，39（33）：212-214. GUI Yuankun，MO Rong.The parametric model method of complicated shell parts in aeroengine［J］.Computer Engineering and Applications，2003（33）：212-214.（in Chinese）

（编辑：张宝玲）

Simulation on Influence of Alternative Fuel on Combustor Performance for Aeroengine

GUO Rui-qing1，TANG Zheng-fu1，2，SHANG Shou-tang1，2，LYU Fu-guo1，LI Feng1
（1.School of Jet Propulsion，Beihang University，Beijing 100191，China；2.AVIC Shenyang Engine and Design Institute，Shenyang 110015，China）

In order to explore the feasibility of aviation alternative fuel，the influence of the alternative fuel on the combustion performance was investigated.FLUENT fluid computing software was used to simulate different alternative fuels on the combustion properties.For gas turbine combustor under different conditions in the burning of aviation kerosene，light diesel oil or industrial alcohol were simulated，the combustion performance of different fuels was given.The result shows that there is no difference between aviation kerosene and light diesel oil，light diesel oil can be used directly or combining with aviation kerosene by engine combustor from the view of engine combustion performance.There is a wide gulf between the aviation kerosene and the industrial fuel alcohol，it is needed an indepth study for the technology on changing fuel from aviation kerosene to industrial alcohol.

alternative fuel；aviation kerosene；light diesel oil；industrial alcohol；combustion performance；combustor；simulation；aeroengine

V 231.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.005

2014-12-06基金项目：国家自然科学基金（90716025）资助

郭瑞卿（1963），男，在读博士研究生，自然科学研究员，主要从事航空发动机燃烧和流动控制研究工作；E-mail：guorq@avic.com。

引用格式：郭瑞卿，唐正府，尚守堂，等.替代燃料对航空发动机燃烧室性能影响的计算研究［J］.航空发动机，2016，42（1）：21-25.GUO Rui-qing，TANG Zheng-fu，SHANG Shoutang，et al.Simulation on influence of alternative fuel on combustor performance for aeroengine［J］.Aeroengine，2015，42（1）：21-25.