燃气轮机双流路燃油喷嘴结构设计及性能研究

燃气轮机双流路燃油喷嘴结构设计及性能研究

陈斌

中国航发燃气轮机有限公司 辽宁省沈阳市 110179

摘要：此次研究根据燃气轮机关键部件燃烧室燃油喷嘴雾化质量和雾化范围所存在的一些问题，对影响雾化质量和雾化范围的因素进行了分析，并对主副旋流器、主副旋流槽、主副流路堵头等进行了设计，并对雾化效果进行了阐述，对此次设计的内容得到了较好的验证。希望通过此次研究，能够为以后的喷嘴结构设计工作提供一些参考和建议。

关键词：燃油喷嘴；结构设计；性能

燃气轮机燃烧室燃油喷嘴主要起到提供燃油的作用，它所体现出来的特点能够直接对燃烧室的特点产生影响，燃油的雾化主要依靠的是喷嘴，燃油的雾化质量对整个工作质量来说是非常重要和关键的。如果雾化质量没有达到相应的标准，雾化锥角也是不合理的，喷雾在分布时出现了不均匀的现象，这些问题对于燃烧室零部件来说是非常不利的，也会让污染排放的情况更为严重。新燃烧室在设计时，加入了新的功能，包括注水、水蒸气等等，对喷头部分进行了不断的改进和完善，从而达到相应的要求。通过此次的研究和验证，说明了通过对喷嘴进行改进和完善，能够较好的达到设计要求。

1. 双流路燃油喷嘴工作原理

双流路燃油喷嘴具有它自身的优势，在机械可靠性方面是比较好的，在条件不好的情况下也能够对燃烧的能力进行有效维持，当喷射压力处于比较低的状态时，也能形成较好的雾化效果，所以，离心式双油路燃油喷嘴在燃气轮机燃烧室中的应用是比较广泛的。

在整个设计过程当中，需要对喷口的位置进行合理的设计，对主喷口和副喷口都要有合理的安排，副喷口所处的位置为中心，主喷口在外圈。主流路和副流路的雾锥角度也是不同的，相比较来看，主流路的雾锥角度更大一些。当压力处于比较低下的状态时，只需要将副流路打开做供油工作，能够将供油压力进行有效提升，从而对雾化质量进行优化。当工作量比较大时，需要将供油压力进行提升，将主流路打开，让主流路和副流路同时展开工作，这样的形式能让流通面积变多，在小流量的情况下，雾化质量也可以得到相应的保障，对流量变化的要求得到了满足。

2. 燃烧室喷嘴的结构设计

燃烧室喷嘴主要依靠的是燃料压力的作用，通过压力让燃料的旋转功能达到相应的要求。为了能够让燃料得到较好的旋转，需要对旋流槽进行充分的考虑和研究，使其设计具有合理性。

2.1副流路结构设计

在燃油的压力低于3MPa的时候，这时只有副流路在工作，本工作的压力和流量都是比较低的，需减少旋流槽的数量和减少旋流槽的截面面积来取得副流路在单独运转的时候所到达的优良结果。但是其在燃烧高温高压的情况下载面面积很小，所以很容易造成积碳堵塞。所以第一次运用在副旋流器上需设计三个旋流槽，让旋流槽最小的截面面积尺寸为0.42mm×1.35mm。这样才能对燃料的雾化效果起到很好的作用。

2.2主流路结构设计

当把燃气轮机的功率提高的时候，那其所需要的燃料也随之增加，当压力比3MPa要多时，需要将主流路打开。因为工作量相对来说是比较多的，再加上供油有着较大压力，所以这时就需要对旋流槽进行设计，数量为六个，数值为最小0.2mm×1mm，随着流动方向的长度为5mm，螺旋升角为30度。

2.3主流路弹簧的设计

工作压力如果达到了3MPa或者比3MPa大时，才能够将主流路打开，主要通过主旋流器左右表面的压力差值，对弹簧进行压缩，从而打开主流路，所以在对弹簧选择时，需要经过严谨的计算做出准确选择。通过计算得出，选择的是圆柱螺旋弹簧，材料为碳素弹簧钢丝C级，弹簧的强度和性能是成正比的，当强度越高时，那么也就说明弹簧的性能越好，用于中等应力弹簧。

2.4流路堵头设计

主流路堵头的作用主要有定位和通油。在外侧选用细螺纹进行连接，这对定位来说有着一定的帮助，通过对主流路堵头上进行开槽处理，使得燃料具有通路的功能。副流路堵头设计也需要保证定位和流道的顺畅。选择其定位面作为主旋流器的后端面，也可以通过细螺纹的形式做衔接工作，操作起来是比较方便的，装配起来也不会特别繁琐。内部对流道开通时，也选择开槽的形式来进行，本槽的面积需要超过总共区域的百分之五十，以保证流路的流通性能更好。

2.5燃烧室喷嘴总体结构

在对喷嘴进行设计时，为了让安装工作进行的更加顺利，需要在对结构进行设计时，采取不同形式来做配合工作，能保证位置的合理性的同时，也方便做装配工作，对将零件加工这一问题考虑到了设计工作中。

3. 燃烧室喷嘴的雾化性能分析

3.1油液模型的网格划分

首先需要将三维模型建立起来，在进行这一工作内容时，需要对油液有充分的考虑。对油液模型进行网格划分，并做好质量检查工作，当网格划分的质量达到相应要求之后，就可以展开分析和计算工作。

3.2流体分析条件设定

在对流体进行研究之前，首先需要对网格的质量进行检测，并对环境参数进行设置。需要对网格单位进行确定，单位为mm，将type选择为Pressure-Based压力入口。在Fluent 中，对边界条件的设定也要引起足够重视，两个体的接触面的连接也要有严格的把控，必须选择interior来做连接工作，否则流体会出现堵塞的情况。

3.3主副喷口同时工作的雾化情况分析

由于压力的越来越高，燃料的雾化起到很好的效果，雾化就越来越充足。当压力升高到3Mpa的时候，主喷口打开，主、副流路开始同时运行，所以在这时，喷雾角度会呈现比较大的情况，燃料在分布时也会更完整，燃烧也处于均匀的状态。根据相关计算研究显示，雾化的范围越广，雾化的效果越好。

总结

本篇论文通过研究影响燃油喷嘴雾化效果的因素，在设计中，将这些因素考虑进去，设计出其主副旋流器，主副旋流槽，主副流路堵头，主流路启毕弹簧及其总体结构。如果压力不超过3MPa，那么这时不需要同时进行工作，只需要副流路单独展开工作内容，如果压力超过3MPa时，才需要同时展开工作。

此次研究主要使用的是CFD技术，通过这一技术对结构进行分析，将数据计算出来，通过结果表明，当处于低压的状态时，副流路可以直接展开工作，不需要同时进行，雾化条件也不会出现异常的现象。而且随着压力越来越高，雾化效果也越来越好。在高压环境下，副流路同时工作，这时燃料的喷雾角度和贯穿距都比较大，燃烧室内燃料分布雾化更加充分，燃烧也更加均匀。希望通过此次研究，能够为以后的喷嘴结构设计工作提供一些参考和建议。

参考文献：

[1]郑吉锋. 重型燃气轮机三燃料喷嘴结构设计的研究[J]. 华北电力大学.2019.

[2]刘会娜. 燃气轮机燃烧室喷嘴的结构设计及参数优化[J]. 华北电力大学. 2017.

[3]李雅军，师蓓蓓，张晨曦. 双燃料燃气轮机喷嘴结构及性能研究[J]. 舰船科学技术.2015.