替代燃料對航空發動機燃燒室性能影響的計算研究

郭瑞卿，唐正府，2，尚守堂，2，呂付國，李　鋒

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

替代燃料對航空發動機燃燒室性能影響的計算研究

郭瑞卿1，唐正府1，2，尚守堂1，2，呂付國1，李鋒1

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

為探索用其他燃料替代航空煤油的可行性，從航空發動機燃燒性能的角度出發，研究了燃用其他燃料對燃燒室性能的影響。在不同燃燒工況下，利用流體計算軟件FLU EN T模擬計算得到航空煤油、輕柴油、工業酒精的燃燒性能。結果表明：從燃燒的角度來看，輕柴油的燃燒性能與航空煤油的差別不大，可直接替代航空煤油或與航空煤油混合使用；工業酒精與航空煤油的燃燒性能差距很大，用作航空發動機燃料還需深入研究。

替代燃料；航空煤油；輕柴油；工業酒精；燃燒性能；燃燒室；數值模擬；航空發動機

0　引言

近年來，全球航空煤油需求不斷增長，國際油價不斷上漲，各國都在積極探索用其他燃料替代航空煤油的可行性，其中包括開發航空合成燃料和生物燃料［1］。德國科學家早在20世紀20年代就已經對1種“費-托工藝”的人工合成燃料成功進行了試驗；Denial等直接采用正十二烷代替美國JP7航空煤油進行裂解和熱傳導的研究；法國科學院Ragout針對法國TRO航空煤油的3組分替代模型和美國JP8航空煤油的6組分替代模型開展研究［3-9］；NASA的革命性空間推進器概念項目開展了航空煤油替代燃料的深入研究，其目標是世界各大石油公司根據使用者的要求按配方生產低排放型燃料或高噴射型燃料［2］；2008年2月，1架F-WWDD號空中客車A380-841型客機以液化燃氣為燃料，成功飛行3 h，成為第1架用液化燃氣為燃料飛行的民用飛機；波音公司正在與美國大陸航空公司一起研發生物燃料，并在新西蘭的1架波音747-400噴氣客機上進行了可持續生物燃料的飛行測試［15］；近年來國內對替代燃料的研究逐漸重視，中科院力學所范學軍、俞剛以大慶RP3航空煤油為例，對航空煤油進行熱物理特性研究［12］；此外，四川大學、北京航空航天大學等也開展了替代燃料的深入研究［13-14］。

本文利用流體計算軟件FLUENT，針對燃氣輪機燃燒室在不同工況下燃用航空煤油、輕柴油、工業酒精3種不同燃料，模擬計算了其對燃燒室性能的影響，對發展下一代航空替代燃料有一定參考價值。

1　數理模型的建立

采用非預混PDF燃燒模型進行數值計算，航空煤油及輕柴油的成分及物理性質見表1。工業酒精的成分及物理性質采用如下方法計算。

表1　航空煤油及輕柴油的成分及物理性質

醇類物質反應機理十分復雜，中間產物極多，若全部考慮，數值計算工作量極大。在不影響試驗結果的前提下，可以選取主要中間產物簡化試驗。乙醇的總體反應如圖1所示。

圖1　工業酒精氧化的總體反應流程

從圖中可見，脫氫反應是乙醇消耗的主要途徑，其使乙醇氧化成不同的中間產物從而完成整個燃燒氧化過程。在pre-PDF模型中計算選取13種組分，工業酒精反應組分見表2。

用pre-PDF軟件計算的工業酒精在燃燒反應過程中各組分的摩爾分數和溫度分布分別如圖2、3所示。

表2　工業酒精反應組分

圖2　工業酒精各組分摩爾分數

圖3　工業酒精反應過程的溫度變化

采用FLUENT軟件中的Realizable k-ε湍流模型、DDM（Discrete Drop Model）噴霧模型、DO輻射模型、熱力模型NOx排放模型進行計算［10-11］，文獻［11］將該模型的單環腔燃燒室數值模擬結果與試驗結果進行了對比研究，驗證了其計算結果的可信度，本文采用與其相同的數理模型對不同結構的燃燒室性能進行對比。

1.3網格劃分和邊界條件

1.3.1計算域和網格劃分

燃燒室結構及計算域如圖4所示。燃燒室設計為20個頭部、分成64個體積、總網格數目為166萬。

圖4　燃燒室結構及網格

1.3.2邊界條件

采用流量進、出口邊界條件，其設置見表3。

在文氏管出口設置了中空的錐形噴霧，該圓錐的初始直徑為0.019 m（略小于文氏管出口直徑），半錐角為35°。液滴的初始溫度為400 K，初始直徑為40 μm。

表3　燃氣輪機設計點狀態參數

2　燃用不同燃料的燃燒性能

2.1總壓恢復系數

在設計點燃用3種燃料燃燒室的總壓恢復系數計算結果見表4。

表4　設計點不同燃料總壓恢復系數的比較

從表中可見，在火焰筒出口，燃用工業酒精的總壓恢復系數略高于燃用航空煤油和輕柴油的，說明燃用工業酒精的熱阻損失要低于后二者。

表5　設計點不同燃料燃燒效率的比較

2.2燃燒效率

在設計點燃用3種燃料燃燒室的火焰筒內燃燒效率計算結果見表5。

從表中可見，在火焰筒出口，燃用工業酒精的燃燒效率要大幅低于航空煤油和輕柴油燃用工業酒精的燃燒效率遠低于航空煤油和輕柴油的，這可能與工業酒精熱值較小，燃燒組織較為困難有關，但其深層原因還需進一步研究。

2.3沿流程截面溫度分布

在設計點燃用3種燃料燃燒室沿流程截面溫度分布如圖5所示。

圖5　燃燒室縱切面溫度分布（設計點1）

從圖中可見，燃用航空煤油和輕柴油的溫度分布十分接近，燃用航空煤油最早出現高溫區，而燃用工業酒精火焰較短，高溫區主要出現在摻混孔前，表明航空煤油最易燃燒。

2.4燃燒室出口溫度分布

在設計點燃用3種燃料燃燒室沿出口溫度分布見表6及如圖6所示。

從表6及圖6中可見，燃用航空煤油的出口溫度系數遠低于工業酒精和輕柴油的，其中燃用工業酒精的出口溫度很低，這可能與工業酒精熱值較小，燃燒不充分有關，但其深層原因還需進一步研究。

表6　設計點不同燃料出口溫度分布系數

圖6　燃燒室出口溫度系數分布（設計點1）

表7　設計點不同燃料出口污染物排放

2.5污染排放

在設計點燃用3種燃料燃燒室出口污染排放見表7。

從表中可見，燃用航空煤油的NOx排放最高，CO最低，燃用工業酒精的NOx排放最低，但CO的排放最高，表明航空煤油燃燒最為充分，這在表5中航空煤油的燃燒效率最高也得以說明。

3　結論

對比航空煤油、輕柴油、工業酒精3種不同燃料的計算結果可以發現，航空煤油的燃燒效果最好，輕柴油的其次，工業酒精的最差。從燃燒的角度來看，由于工業酒精與航空煤油的熱值、分子量及物性等差距很大，用于航空發動機還需進行深入研究。

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（編輯：張寶玲）

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基金項目：國家自然科學基金（90716025）資助

郭瑞卿（1963），男，在讀博士研究生，自然科學研究員，主要從事航空發動機燃燒和流動控制研究工作；E-mail：guorq@avic.com。

引用格式：郭瑞卿，唐正府，尚守堂，等.替代燃料對航空發動機燃燒室性能影響的計算研究［J］.航空發動機，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.