微型燃氣輪機噴嘴射流和霧化特性研究

崔運靜，林其釗，仇性啟

（1.中國科學技術大學熱科學和能源工程系，合肥230027；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島266580）

0 引 言

在燃用液體燃料的燃氣輪機中，燃料的噴射、霧化及與空氣的混合是整個燃燒過程的一個關鍵環節［1］。在燃燒系統中，噴霧過程分為兩部分：第一部分是研究動力學的初次霧化過程和碰撞再聚合的二次霧化過程，第二部分是將燃料分散到氣體相中完成蒸發和燃燒的噴霧混合過程。良好的霧化混合是實現高效率燃燒的前提，對節能和減排具有重要意義。該研究主要針對第二部分過程展開研究。

研究者針對液體燃料噴嘴出口附近氣粒的混合流動，開展了廣泛的研究。Doudou［2］，畢榮山［3］和Watanabe［4］等分別用實驗和模擬的方法研究了噴霧湍流，考察了噴霧射流速度對氣粒混合的影響，Watanabe等和汪鳳山［5］還考察了湍流混合對NOx排放的影響。Lee［6］，汪文輝［7］和楊陽［8］等研究了旋流對湍流和燃燒的影響。Rutland［9］，Reddy［10］，Caraeni［11］，Patel［12］和Bilger［13］等分別對液體燃料的噴霧射流、湍流混合及燃燒反應進行了數值模擬，考慮了噴霧和湍流的相互作用，認為噴霧過程對燃燒具有很大影響。那么，在空間相對狹小的微型燃氣輪機內，霧滴與周圍氣體的迅速混合以及霧滴尺寸變得更加重要。

Lefebvre［14］實驗總結出霧滴越細，液體燃料蒸發速率越高，燃燒效率越高。目前燃氣輪機所用液體燃料噴嘴大部分為氣液預混式，借助內部氣動力霧化燃料，容易造成燃燒的不穩定，但所設計的微型燃氣輪機噴嘴液體燃料流量較小，適宜采用穩定的外混霧化形式。關于燃氣輪機噴霧的部分研究列于表1中。

表1 燃氣輪機噴嘴霧化的文獻Table1 Reference of atomization of gas turbine nozzle

目前燃氣輪機學者都追求燃料在貧燃條件下燃燒以降低污染物排放，滿足環境排放要求［5，19－25］。因此，為了加強燃空混合并營造反應區的低氧貧燃氛圍，根據渦旋氣流能夠促進霧化、卷吸更多煙氣和稀釋噴霧并降低反應物中的氧濃度的思路，作者基于Danfoss油嘴設計了一種渦旋氣流輔助霧化的噴嘴，并采用激光測量手段研究自由射流噴嘴出口附近的冷態流動情況以及噴嘴的霧化性能，分析出口處兩相流場的湍流混合情況，作為微型燃氣輪機內熱態反應物流場的參考，并指導燃燒空氣動力場的設計，同時為小流量液體燃料噴嘴的設計提供參考。

1 實驗系統和實驗方案

1.1 實驗系統

噴霧測試系統實驗裝置如圖1所示，為方便測量，噴嘴（如圖2所示）垂直向下噴射，這里用水代替燃料考察噴嘴的霧化性能及射流混合情況。噴嘴流量采用累積方式測量。采用美國TSI公司的二維可適性激光相位多普勒測速儀APV／LDV（Adaptive Phase／Doppler Velocimetry）系統測量噴霧流動情況和霧化性能。該系統利用運動微粒通過激光束的測量區時產生光散射信號，該信號包含多普勒頻移和相移信息，經過專門數據處理以后就能精確獲得運動微粒的速度和粒徑等信息。測試時接收探頭采用前向60°接收光散射信號，兩個半圓形接收探頭（采用矩形光圈）之間夾角為6°，光路布局如圖3所示，測試中每個測點限時統計5000個有效數據進行平均。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Sketch of the experimental facilities

圖2 噴嘴結構示意圖Fig.2 Sketch of the nozzle

圖3 噴霧照片Fig.3 Spray photo

1.2 實驗方案

對Danfoss噴嘴進行結構改造，在外部增加渦旋氣流，考查渦旋氣流對噴孔附近液體和空氣的混合以及霧化的作用。噴孔為輕微右旋，外部渦旋氣流為左旋。由于噴嘴流量很小，因此實驗中固定該流量，僅改變氣體參數，各組工況參數如表2所示。

表2 各組工況參數Table2 Parameters for each work conditions

從圖2中可以看出，液體噴孔出口平面高于整個噴嘴的下平面，故激光探頭無法測到距離噴孔7mm以內的霧化信息，并且考慮到兩束綠光間的距離和夾角，因此將噴嘴出口作為坐標原點，向下10mm作為第一個測量截面，對于每組工況共測量包括－10、－20、－50、－100、－150和－200mm 6個軸向截面上的兩條互相垂直的測量半徑的霧滴和速度統計信息，每條半徑上每隔2或3mm布置一個測量點，其中在每個軸向測量截面上沿x軸移動坐標架測量第一條半徑上各測量點的霧滴直徑及分布、軸向速度和切向速度信息，沿y軸移動坐標架測量第二條半徑上各測量點的軸向速度和徑向速度信息，這樣利用二維LDV系統可以了解軸對稱霧化場的三維速度規律。霧化角的測量通過拍照法測得。測試噴霧照片如圖3所示。

2 實驗結果及討論

2.1 流動特性

近噴孔處流體的湍流程度決定了燃料和空氣與周圍氣體的混合程度以及下游的燃燒狀況，故僅研究噴孔附近截面的流動特性。

圖4中u′m為y軸上各截面所有測量點中霧滴軸向和徑向統計分量的最大合速度，u′＝，u為軸向分速度，v為徑向分速度。從圖中可以看出隨軸向距離的增大，合速度u′呈乘冪函數形式遞減，在噴嘴附近截面霧滴速度變化很大，在距離噴嘴較遠的自由發展區變化漸緩。

圖5～7中速度和湍流度的軸向分量（第一象限）和切向分量（第三象限）為同一測量點的測量值，徑向分量（第二象限）為同一軸截面上另一條測量半徑y上的對應測量點的信息，對該分量僅作徑向分量的比較，不與軸向和切向分量作比較。為將多項數據顯示在同一圖的不同象限，圖5～7中第三象限的切向速度放大為真值的－2倍，徑向湍流度為真值的負值，并對軸心附近較低的湍流度進行了局部放大。

圖4 x軸各截面最大軸切合速度u′max分布圖Fig.4 Maximumu′at different axial cross－sections at xdirection

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

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

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

從圖5～7各近噴嘴截面的速度圖中也可以看出：隨與噴孔軸向距離的增加，霧滴速度呈減小趨勢。增加外部渦旋氣流之后，霧滴各向分速度變化較大，無量綱徑向位置上的軸向分速度u由原來的準均勻分布變為半“W”型分布，切向分速度w近似鐘形分布，徑向分速度v較之前增大。隨氣體壓力或流量增大，w明顯增大。從實驗照片（圖3）中可以看到霧錐中的霧滴旋流，根據霧滴和空氣行進過程中存在動量交換，可以推斷噴孔附近的氣體旋流更強，這樣在燃燒時空氣強旋流有助于卷吸周圍的高溫煙氣，與之混合形成低氧氛圍，并促進與燃料的混合。與工況x0相比，其它工況增加了渦旋空氣，內外旋向相反，兩旋流相遇的界面湍流度比較大，速度比較低，故近噴孔處霧錐內部出現了一小回流區，利于燃料的熱量傳遞［26］。隨軸向距離的增加，回流區向外圍移動并減弱。其中氣流出口面積最大的工況x1中回流區位于霧錐中心，且維持到－50mm以下逐漸消失。而工況x2至工況4的回流區的位置偏離中心，這與內外旋流的不穩定交界面的位置及氣體操作參數有關。

從圖5～7各截面的湍流度分布中可以看出，受噴射動量的作用，－10mm截面的徑向和切向速度脈動較小，隨著軸向距離的增大，各分量速度脈動先增大后減小，脈動區域變寬，這是霧滴和霧滴、霧滴和空氣不斷進行動量交換的結果。渦旋氣流的出現使噴孔附近的霧滴的軸向速度脈動明顯增大，軸向湍流度較大的區域對應于回流附近區域。隨氣體壓力或流量的增大，各分量湍流脈動區域加寬，這與回流區加寬的現象一致。

另外，燃料噴孔比較小，實驗時噴口雷諾數Re約為12700。米建春［27］在實驗和數值模擬研究中發現存在一個臨界初始動量，高于此臨界動量值時可以實現MILD燃燒，動量和初始預混模式對燃燒反應影響不大。初始射流動量關系到整個燃燒的穩定性和污染物排放。根據計算，該液體燃料噴嘴常溫噴水實驗時的噴射初始動量Jl＝0.132kg·m／s2＞0.097kg·m／s2（文獻［27］所述臨界值），除工況x1外，其他工況均有渦旋空氣的噴射動量Ja?0.097kg·m／s2。

由上可見，加入外部渦旋氣流以后，噴孔附近霧滴的動量增大，各向分速度均出現不同程度的增大；隨氣體壓力或流量增大，切向分速度明顯增大；渦旋氣流的出現使噴孔附近的霧滴的軸向速度脈動明顯增大，軸向湍流度較大的區域對應于回流附近區域。因此燃燒時利用渦旋氣流利于卷吸周圍的高溫煙氣，混合形成低氧氛圍，并促進與燃料的混合，故認為該噴嘴具備形成低氧環境的動力條件。

2.2 霧化粒度

（1）霧滴直徑

霧滴直徑決定了液滴蒸發燃燒的時間長短，是評價噴嘴性能的重要指標。液滴直徑越小則蒸發燃燒相對越快。這里用Sauter直徑（SMD，即D32）來表征霧滴尺寸，因為SMD最能反映真實液霧的燃燒屬性。

圖8橫坐標為各截面的無量綱半徑，R為所測截面的最大半徑。由圖可知，靠近噴嘴的每個截面上各工況之間霧錐中心霧滴粒度區別比較明顯，隨軸向距離的增加每個工況霧錐中心霧滴尺寸變化不大，隨氣壓增大平均霧滴尺寸減小，說明在實驗范圍內較大的空氣剪切動力利于將液膜破碎成更小的霧滴。增加渦旋氣流以后，空氣的夾帶卷吸使霧錐中心的霧滴變稀，霧滴發生碰撞再聚合的機會減少。另外，與工況x1相比，工況x2的渦流氣對整個霧錐的收斂作用明顯，因此回流區及外緣霧滴碰撞幾率增加，兩處的粒徑相對較大。

圖8 －10，－20，－50mm三截面上各工況的SMDFig.8 SMD on z＝－10，－20and－50mm for all work conditions

全部實驗工況中所有霧滴直徑均低于60μm，所有霧滴的平均直徑低于50μm。根據靜止液滴壽命公式，即D2蒸發規律［28］，估算液滴壽命：

其中，tD為液滴壽命，kv為液滴的蒸發常數（參考正庚烷）。在這里平均霧滴直徑按50μm計算，估算液滴的平均壽命低于5ms，最大液滴的壽命也低于10ms，而有燃燒的情況下，液滴的壽命更短，能夠在微型燃氣輪機內迅速燃盡。

（2）粒徑分布

霧滴的數量分布是了解霧滴密集程度的重要參數。圖9為各工況不同霧滴尺寸的微分數量分布，可以看出各工況均為偏高斯分布，有的工況呈現雙模或者多模態分布，基本符合Gauss公式：

其中，dQ為某尺寸霧滴的數量分布，SMD0為分布數量最多的霧滴直徑，dQ0、A、w和SMD0分別為高斯分布函數中的系數，在各工況中取值不同。可以看出，隨空氣流量增大，小霧滴數目增加。其中工況x1和x4的數量分布最多的霧滴尺寸稍小于其他3種工況。工況x1無端蓋約束，霧滴尺寸最為集中。隨氣體流量和壓力升高，小尺寸霧滴所占比例增加，也說明渦旋氣為噴霧剪切破碎提供了更大的能量。

液滴的體積通量可以作為噴霧蒸發和混合的評價標準。圖10對工況0和工況2的霧滴體積流量分布進行了比較，橫坐標中R′為－100mm截面上的最大測量半徑。從圖9可以看出，隨著與噴孔距離的增加，工況x0（圖10（a））各截面的霧滴體積通量由中心逐漸向外圍擴展，近似鐘形分布；而工況x2（圖10（b）），在噴孔附近的截面上霧滴體積通量最大的區域不在霧錐中心，而在無量綱半徑的中部，呈現雙峰分布，范圍較寬，霧滴體積流量最大值大約是同截面霧錐中心流量的7倍，故該處霧滴直徑比較大。隨著與噴嘴軸向距離的增加，霧滴體積通量減小且在半徑上分布漸趨平緩。圖10（a）、（b）中均出現－10mm截面的體積通量小于－20mm截面值的情況，分析其原因為－10mm截面霧滴濃密，故APV在采集數據時遇到許多雙通道符合性不好的粒子，進行統計計算的時候就把這些粒子剔除掉了，故使得該截面的體積通量較低。

圖9 各工況霧滴粒徑尺寸數量分布Fig.9 PDF of droplet size for all work conditions

圖10 工況x0和x2的霧滴體積流量分布Fig.10 Volume flux distribution of droplets for x0and x2

由以上分析可知，在所有實驗工況中霧滴直徑均低于60μm，霧化粒度較細，尺寸分布為偏高斯分布，估算平均液滴壽命低于5ms，在高溫環境中液滴迅速蒸發燃燒，燃燼時間較短，能夠在300mm的行程內完成潔凈燃燒，適合于微型燃氣輪機。

2.3 霧化角與霧錐半徑

霧化角的大小將影響燃料與空氣混合、燃燒性能、火焰形狀等，是燃燒室設計中的一個重要參數。由于實驗中出現偏錐，所以對每個截面兩個垂直方向的霧錐直徑取平均值，根據不同霧錐直徑或半徑大小來考察霧錐與燃燒室尺寸的適配性。圖11是各工況在各測量截面上平均霧錐半徑的比較，可以看出氣壓較大的工況x3、x4在近噴孔處各截面的霧錐半徑最大，大于氣流出口截面積最大的工況x1，出口霧化角最高達150°，隨著軸向距離的增加，兩工況的霧錐半徑有所收縮，而此時工況x1霧錐半徑為最大。與氣流量和壓力相同的工況x1相比，工況x2出口截面積小得多，出口霧化角受到約束，因此各截面霧錐半徑均小于工況x1。

因此，增加外部的渦旋空氣后增大了出口霧化角，分散了霧滴，減少了初次霧化后霧滴的碰撞粘連，而且增加了對周圍氣體的卷吸摻混，有利于霧滴與周圍氣體的迅速混合。

3 結 論

利用激光測量技術對所改造的噴嘴進行了冷態霧化實驗，分析了出口附近的兩相混合流動情況，并考察了噴嘴的霧化性能，得到以下結論：

（1）增加外部渦旋氣流后，噴孔附近霧滴的動量增大；氣體壓力或流量越大，切向分速度增大明顯；近噴孔處霧錐內部出現較小回流區，對應湍流度較大區域，隨軸向距離增加，回流區向外圍移動并減弱，在燃燒時較大切向動量及湍流度利于周圍空氣和煙氣的混合形成低氧環境并與霧滴迅速混合，進行傳熱和傳質；

（2）所有實驗工況霧滴平均直徑低于50μm，且數量分布為偏高斯分布，適用于微型燃氣輪機；

（3）增加旋流空氣以后，霧滴的體積通量出現較大變化，較大通量位置沿徑向由霧錐中心移至霧錐中部，并呈雙峰分布；

（4）外部渦旋氣流增大了噴孔的出口霧化角，分散了霧滴，減少了內部碰撞再聚合的機會，增加了對周圍氣體的卷吸摻混，利于氣液混合、霧化和傳熱、傳質；

（5）增加渦旋氣流后近噴嘴處的霧滴直徑和速度關系擬合為SMD＝－1.6822μ／（ρu′）＋48.155。

本文為微型燃燒室內燃燒空氣動力場的設計提供了參考，是否能夠降低污染物排放需要進一步的熱態實驗驗證。

［1］ 易世君.粘性液體射流分裂霧化機理及噴霧特性研究［D］.大連：大連理工大學，1996.

［2］ DOUDOU A.Turbulent flow study of an isothermal diesel spray injected by a common rail system［J］.Fuel，2005，84（2－3）：287－298.

［3］ 畢榮山，譚心舜，林柯利，等.結構尺寸對液.液噴射器湍流混合性能的影響［J］.高?；瘜W工程學報，2010，24（5）：753－757.

［4］ WATANABE H，SUWA Y，MATSUSHITA Y，et al.Numerical investigation of spray combustion in jet mixing type combustor for low NOx emission［J］.Energy Conversion and Management，2008，49（6）：1530－1537.

［5］ 汪鳳山.低NOx排放微型燃氣輪機燃燒室的數值模擬及實驗研究［D］.北京：中國科學院工程熱物理研究所，2009.

［6］ LEE C W，MOON S Y.An experimental investigation of the effect of turbulence generators attached to an axial swirler nozzle oil mixing and combustion［J］.Aerospace Science and Technology，2002，6（7）：517－520.

［7］ 汪文輝，蘇亞欣.天然氣高溫空氣燃燒的空氣直射流與旋射流的模擬比較［J］.化工進展（增刊）.2009，28：493－496.

［8］ 楊陽，樊未軍，楊建輝，等.火焰穩定器對直噴式燃燒室污染物生成影響的研究［J］.燃燒科學與技術，2003，9（3）：285－289.

［9］ RUTLAND C J，WANG Y L.Turbulent liquid spray mixing and combustion－fundamental simula－tions［J］.Journal of Physics：Conference Series，2006，46：28－37.

［10］ REDDY K S，REDDY D N ，PRASAD CMV.CFD analysis of fuel distribution in concentric swirling flows in a reverse flow gas turbine combustor［C］.Proceedings of the ASME Turbo Expo 2006，2006，1：853－865.

［11］ CARAENI D，BERGSTROM C，FUCHS L.Modeling of lquid fuel injection，evaporation and mixing in a gas turbine burner using large eddy simulations［J］.Flow，Turbulence and Combustion，2000，65（2）：223－244.

［12］ PATEL N，MENON S.Simulation of spray－turbulenceflame interactions in a lean direct injection combustor［J］.Combustion and Flame，2008，153（1－2）：228－257.

［13］ BILGER R W.A mixture fraction framework for the theory and modeling of droplets and sprays［J］.Combustion and Flame，2011，158（2）：191－202.

［14］ LEFEBVRE A H.Fuel effects on gas turbine combustion ignition，stability，and combustion efficiency［J］.ASME J.Eng.Gas Turbine Power，1984，107，24.

［15］ HADEF R，LENZE B.Measurements of droplets chara－cteristics in a swirl－stabilized spray flame［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2005，30（2）：117－130.

［16］ SHARMA N Y，SOM S K.Influence of fuel volatility and spray parameters on combustion characteristics and NOx emission in a gas turbine combustor［J］.Applied Thermal Engineering，2004，24（5－6）：885－903.

［17］ Low NOx flameless oxidation combustor for high efficiency gas turbines.FLOXCOM Contract N°：ENK5－CT 2000－00114［R］.Final Technical Report，2004：17－56，147－150.

［18］ GRADINGER T B，INAUEN A，BOMBACH R，et al.Liquid－fuel／air premixing in gas turbine combustors：experiment and numerical simulation［J］.Combustion and Flame，2001，124（3）：422－443.

［19］ ADACHI S，IWAMOTO A，HAYASHI S，et al.Emissions in combustion of lean methane－air and biomass－air mixtures supported by primary hot burned gas in a multi－stage gas turbine combustor［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2007，31（2）：3131－3138.

［20］ FUREBY C，GRINSTEIN F F，LI G，et al.An experimental and computational study of a multi－swirl gas turbine combustor［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2007，31（2）：3107－3114.

［21］ FURUHATA T，AMANO S，YOTORIYAMA K，et al.Develop－ment of can－type low NOx combustor for micro gas turbine（fundamental characteristics in a primary combustion zone with upward swirl）［J］.Fuel，2007，86（5）：2463－2474.

［22］ GUETHE F，GARCIA M D，BURDET A.Flue gas recircu－lation in gas turbine：Investigation of combustion reactivity and NOx emission［C］.Proceedings of the ASME Turbo Expo 2009，2009，2：179－191.

［23］ FUJIWARA H，KOYAMA M，HAYASHI S，et al.Develop－ment of a liquid－fueled dry low emissions combustor for 300kW class recuperated cycle gas turbine engines［C］.Proceedings of the ASME Turbo Expo 2005，2005，2：491－498.

［24］ FLAMME M.New combustion systems for gas turbines（NGT）［J］.Applied Thermal Engineering，2004，24（11－12）：1551－1559.

［25］ DUNN－RANKIN D.Lean combustion technology and control［M］.The Associated Press，2008：121－160.

［26］ 沈炳正著.燃氣輪機裝置原理設計與實用：上冊 原理與分部設計［M］.北京：高等教育出版社，1958.

［27］ MI J C，LI P F，DALLY B B，et al.Importance of initial momentum rate and air－fuel premixing on moderate or intense low oxygen dilution（MILD）combustion in a recuperative furnace［J］.Energy Fuel，2009，23（11）：5349－5356.

［28］ 嚴傳俊，范瑋.燃燒學［M］.西安：西北工業大學出版社，2005.