李 锋，郭瑞卿，唐正府,2，尚守堂,2，吕付国

(1.北京航空航天大学能源动力学院，北京 100191;2.沈阳发动机设计所，辽宁 沈阳 110015)

地面燃机燃用不同燃料的燃烧室性能分析*

李 锋1，郭瑞卿1，唐正府1,2，尚守堂1,2，吕付国1

(1.北京航空航天大学能源动力学院，北京 100191;2.沈阳发动机设计所，辽宁 沈阳 110015)

从发动机燃烧性能的角度出发，研究了航空发动机改地面燃机后燃用其他燃料对燃烧室性能的影响.利用流体计算软件Fluent，针对地面燃机燃烧室燃用航空煤油、轻柴油、工业酒精、天然气4种不同燃料，进行模拟计算，给出燃用不同燃料时的燃烧性能.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差别不大，可直接替代航空煤油或与航空煤油混合使用,燃用天然气的NOx排放及CO排放都很低，天然气是一种理想的低污染燃料.工业酒精由于物性及热值与航空煤油差距很大，地面燃机改烧工业酒精还需作相当深入的研究.该研究对发展下一代航空替代燃料有一定的参考价值.

替代燃料；航空燃料；燃烧室性能；地面燃机；燃烧室设计

近年来，国际油价不断上涨，各国都在积极探索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[1-3].德国科学家早在20世纪20年代就已经试验成功了费-托工艺，一种进行人工合成燃料的试验.Denial等直接采用正十二烷代替美国JP27航空煤油进行裂解和热传导研究，法国科学院Ragout针对法国TRO航空煤油的三组份替代模型和美国JP28航空煤油的六组份替代模型开展研究.NASA开展了航空煤油替代燃料的深入研究，其目的是能够根据需要按配方生产低排放型燃料或高喷射型燃料[4-10].2008年2月，一架以液化气为燃料的A380-841型客机成功首飞，此外，新西兰的一架波音747-400喷气客机进行了可持续生物燃料的飞行测试[11].国内中科院力学所范学军等[12]以大庆RP23航空煤油为例,对航空煤油进行热物理特性研究,此外，四川大学、北京航空航天大学等单位[13-15]也开展了替代燃料的深入研究.笔者从发动机燃烧性能的角度出发，研究了航空发动机改地面燃机后燃用其他燃料对燃烧室性能的影响.研究中，利用流体计算软件Fluent，针对地面燃机燃烧室在不同工况下燃用航空煤油、轻柴油、工业酒精、天然气4种不同燃料，进行模拟计算，给出地面燃机燃用不同燃料时的燃烧性能.

1 数理模的建立

1.1物理模型

采用Fluent软件中的Realizablek-ε湍流模型、DDM喷雾模型、PDF燃烧模型及DO辐射模型、热力模型、NOx排放模型进行计算[16].文献[16]将该模型的单环腔燃烧室数值模拟结果与实验结果进行对比，验证了其计算结果的可信度.笔者采用与其相同的数理模型对不同燃料的燃烧室性能进行对比，研究在相同的数理模型下采用不同燃料的燃烧性能.

图1 模型燃烧室的形状

1.2网格划分和边界条件

1.2.1 计算域和网格划分 在GAMBIT中，为了有效控制网格的疏密，对计算域进行分区处理，整个计算域内共分成67个区域.针对每个区域的不同特点，采用不同的网格形式，实现在保证计算分辨率的前提下，获得高质量的3维贴体坐标网格.为了尽可能取得高的精度，采用六面体结构化网格和三角形网格相结合来划分计算域网格.在近壁区、结构突变区及有孔的区域，网格划分较细密，并在主要燃烧区域网格划分较细.最终整个区域划分为1 660 768个网格,如图2所示.

图2 漩流器及燃烧室网格

1.2.2 边界条件 在进行边界条件设置时，采用流量进、出口边界条件，其边界条件的设置如表1所示.

表1 地面燃机设计点状态参数

2 不同燃料的燃烧室性能对比

2.1总压恢复系数

设计点4种燃料燃烧室的总压恢复系数计算结果如表2所示.从表2可以发现，在内、外二股通道出口，燃用工业酒精的总压恢复系数略低于航空煤油、轻柴油和天然气；但在火焰筒出口，燃用工业酒精的总压恢复系数略高于航空煤油、轻柴油、轻柴油和天然气.说明燃用工业酒精的热阻损失要低于航空煤油、轻柴油和天然气，这可从它的温度分布中火焰较短中得到初步解释.

表2 设计点不同燃料总压恢复系数的比较

2.2燃烧效率

设计点4种燃料燃烧室的火焰筒内燃烧效率计算结果如表3所示.从表3可以发现，燃用航空煤油的燃烧效率最高，燃用工业酒精的燃烧效率要大幅低于航空煤油、柴油和天然气,这可能是由于工业酒精热值较低，燃烧组织较为困难，当然其深层原因还需深入研究.

表3 设计点不同燃料燃烧效率的比较

2.3沿流程截面温度分布

设计点4种燃料燃烧室沿流程截面温度分布如图3所示.从图3可以发现，燃用航空煤油和轻柴油的温度分布图十分接近，燃用航空煤油的最早出现高温区，而燃用工业酒精火焰较短，高温区主要出现在掺混孔前，燃用天然气最晚出现高温区，表明航空煤油最容易着火，而工业酒精的燃烧时间最短，天然气在高速气流的吹动下，火焰往下游漂移.

图3 燃烧室纵切面温度分布图(设计点1)

2.4燃烧室出口温度分布

表4 设计点不同燃料出口温度分布系数

设计点4种燃料燃烧室沿出口温度分布如表4及图4所示.从表4及图4可以发现，燃用天然气的出口温度系数要大幅低于工业酒精、航空煤油和轻柴油,其中燃用工业酒精的出口温度分布最差，这可能是由于工业酒精热值较低，燃烧不充分有关，当然其深层原因还需深入研究.

图4 燃烧室出口温度系数分布度分布图(设计点1)

2.5污染排放

设计点4种燃料污染排放如表5、图5及图6所示.从表5、图5及图6可以发现，燃用航空煤油的NOx排放较高而CO排放较低，表明航空煤油燃烧最为充分，这可从表3中航空煤油的燃烧效率最高中得到解释.燃用轻柴油的NOx及CO排放与燃用航空煤油差距不大，燃用工业酒精的NOx和Soot排放较低，但CO的排放最高，燃用天然气的NOx排放及CO排放最低，表明天然气是一种理想的低污染燃料.

表5 设计点不同燃料出口污染物参数

图5 设计点不同燃料的NOx污染排放

图6 设计点不同燃料的CO污染排放

3 结语

对比航空煤油、轻柴油、工业酒精、天然气4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，轻柴油其次，工业酒精的燃烧效果最差，天然气的NOx排放及CO排放都最低，是一种理想的低污染燃料.从燃烧的角度来看，轻柴油的燃烧性能与航空煤油差别不大，可直接替代航空煤油或与航空煤油混合使用.工业酒精由于与航空煤油的热值、分子量及物性等差距很大，航空发动机改地面燃机烧工业酒精还需作相当深入的研究.

[1] MONGIA H K.Recent Advances in the Development of Combustor Design Tools[R].American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA 2003-4495,2003:1-15.

[2] CLINE M C,DEUR J M,MICKLOW G J,et al.Computation of the Flow Field in an Annular Gas Turbine Combustor[R].American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA1993-2074,1993:1-25.

[3] DANIAU E,BOUCHEZ M,BOUNACEUR R，et al.Contribution to Scramjet Active Cooling Analysis Usingn-Dodecane Decompostion Model as a Generic Endothermic Fuel[R].International Society of Airbreathing Engines,ISABE-2001-1089,2001:1-16.

[4] SIVARMAKRISHNA G.Combustor Geometry Optimization Studies Using CFD Techniques[R].International Society of Airbreathing Engines,ISABE-1998-114,1998:319-335.

[5] JAMES E,BROAD WELL.A Turbulent Jet Chemical Reaction Model:NOxProduction in Jet Flames Combustion and Flame[R].American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA 2004-4198,2004:1-15.

[6] DAGGETT,DAVID L,FUCKE,et al.Water Injection on Commercial Aircraft to Reduce Airport NO(x)[R].American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA2002-3769,2002:1-20.

[7] TURNER M G,RYDER R,NORRIS A,et al.High Fidelity 3D Turbofan Engine Simulation with Emphasis on Turbomanchinery Combustor Coupling[R].American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA1998-3528,1998:1-25.

[8] ZELINA J,CARDENA M,TOMONDI C,et al.Low-Emissions Gas Turbine Combustor Development Using Sector and Full Annular Rigs[R].American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA1994-2768,1994:1-20.

[9] FULLER E J,SMITH C E.CFD Analysis of a Research Gas Turbine Combustor Primary Zone[R].American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA 99-2217,1999:1-20.

[10] SURROGATE.Mixtures to Represent Complex Aviation and Rocket Fuel[R].American Institute of Aeronautics and Astronautics,A IAA 2003-6920,2003:1-18.

[11] 罗景锋，刘小锋，高亚奎.飞机替代燃料研究综述[J].国际航空，2007(12)：48-49.

[12] 范学军，俞 刚.大庆RP-3航空煤油热物性分析[J].推进技术，2006,27(2):187-191.

[13] 李 锋,孙佰刚,彭浪青，等.发动机双环腔燃烧室设计及性能分析[J].航空科学技术,2008(2):17-21.

[14] 殷建平.中国燃料乙醇发展潜力分析[J].中国石油大学学报，2007,23(6):6-9.

[15] 刘发发，谷艳华.乙醇均质压燃燃烧的化学反应动力学模型[J].吉林大学学报,2009,39(1):21-26.

[16] 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.

(责任编辑 向阳洁)

CombustorPerformanceofFloorCombustionGasTurbineUsingAlternativeFuel

LI Feng1,GUO Ruiqing1，TANG Zhengfu1,2，SHAN Shoutang1,2，LÜ Fuguo1

(1.School of Jet Propulsion,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China;2.Shenyan Aero-Engine Design Institute,Shenyan 110015,China)

From the angle of engine combustion performance,the influence of the alternative fuel on combustion performance after the aeroengine changed into floor combustion gas turbine was researched.FLUENT,fluid computing software,was used to compute different alternative fuels on the combustion properties.For the floor combustion gas turbine combustor in the burning of aviation kerosene,light diesel oil,industrial fuel alcohol and natural gas,simulation was carried out,and the engine combustion performance of different fuels was given.The result showed that,from the angle of engine combustion performance,there was no difference between aviation kerosene and light diesel oil,which can be used directly or combined with aviation kerosene by engine combustor.The emission of NOxand CO from natural gas combustion was 1 000;natural gas is an ided low-emission fuel.There was a wide gulf between the aviation kerosene and the industrial fuel alcohol,which needs an in-depth study for the technology on changing fuel from aviation kerosene to industrial fuel alcohol after the aeroengine changed into floor combustion gas turbine.The research has a valuable reference for the development of the next generation of aviation alternative fuel.

alternative fuel;aviation fuel;combustor performance;floor combustion gas turbine;combustor design

1007-2985(2014)02-0035-06

2013-06-06

国家自然科学基金资助项目(90716025，50476005)；航天支撑基金(13131001)

李 锋(1966-)，男，湖南资兴人，北京航空航天大学能源动力学院教授，博士生导师，主要从事燃烧、流动控制及隐身研究.

V231.1

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.02.009