燃气轮机燃烧室点火特性

杨洪磊，李雅军，杨 仁，郑洪涛

(1．哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨150001;2．中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨150078)

0 引 言

燃烧室点火特性研究主要有实验法和数值预测法2 种。实验测量法需要花费大量的时间及精密的实验设备，另外受模型尺寸、流场扰动、测量精度等因素限制，有时很难通过实验的方法得到真实的流场［1－2］。燃烧理论与数值计算相结合的计算流体动力学分析(CFD)方法，不受实验条件限制，可深入分析燃烧室内部的燃烧场及气动结构，从而为实验研究和工程应用提供理论指导，该方法已经逐渐成为指导燃烧室设计的有力工具。

在燃烧室设计中，点火器性能直接影响发动机的可靠性。点火的主要困难是启动点火时，流场处于低温低压环境下，燃油雾化效果差。点火系统的设计主要应当考虑点火位置、点火能量、点火持续时间、火核半径以及局部空气动力学等参数。成功的点火取决于很多因素，如点火器特性、燃油雾化特性、湍流水平、入口空气流速等。

以Lefebvre［3］为代表，国内外很多学者研究了流体速度、湍流度、燃料种类、燃油雾化特性、蒸发率等参数对最低点火能量的影响，并在实验数据的基础上总结了一套关联式来描述各参数之间的关系。Ahmed［4］研究了电火花能量、点火持续时间、电极直径等参数对甲烷射流点火成功率的影响。其研究表明:当点火能量较高、点火持续时间较长、电极直径较小时，点火成功率较高，且火核增长速率较大。Marchione［5］和Mastorakos［6］研究发现较长的点火持续时间能提高点火效率。Eyssartier［7－8］提出了一个燃烧室点火成功性的判断准则，该准则要求:点火能量必须足够形成一个初始火核;蒸发时间和热扩散时间必须满足火核的生长。Eyssartier 用该准则预测了某型航空发动机燃烧室的点火特性，并与实验做对比，结果吻合良好。William［9］采用LES 方法模拟了某航空发动机燃烧室的点火过程。其研究结果表明:电火花的尺寸对点火成功有很重要的影响，当火核半径为5 mm 时点火失败，为7.5 mm 时才能点火成功。在起始阶段，大的电火花会累积更高的温度，导致更多燃油蒸发，从而加速火焰的传播;当火核体积较小时，进入回流区的高温燃烧产物较少，从而导致点火失败。

点火能量、点火持续时间和火核半径等参数对点火成功率及燃烧室设计有重要的影响，它们之间的耦合作用对点火特性的影响目前未见报道，因此本文主要研究点火器特征参数对点火性能的影响，为改善燃烧室的点火条件提供指导。

1 几何模型

本文所采用的是某环管型燃烧室，为减少计算量，采用周期性边界条件，取单个火焰筒作为研究对象。在对计算域生成网格时，对点火位置进行网格加密，全局采用结构化网格，网格总数为30 万。燃烧室几何模型及计算域网格如图1 所示。

根据工作条件，假定工质为理想气体，混合物物性按照道尔顿定律近似计算，忽略重力、浮力、热泳力、辐射换热，采用EDC 燃烧模型，计算非稳态点火过程，时间步长取为0.1 ms。设计工况点火条件为:空气流量0.198 75 kg/s，燃油流量0.005 54 kg/s，入口空气温度366 K，工作压力218 000 Pa，主燃区过量空气系数为0.91。

图1 燃烧室计算域及网格图Fig.1 Combustor calculation zone and gird

2 实验验证

首先对南京航空航天大学的双旋流环形燃烧室［10］进行计算，从而验证数学模型的准确性。双旋流环形燃烧室试验件和几何模型如图2 所示［10］。燃料为航空煤油，采用C12H23作为替代燃料，本文分别计算2 种不同油气比时的稳定燃烧场，计算工况和实验条件如表1 所示。

图2 双旋流环形燃烧室［10］Fig.2 Dual-swirl annular combustor［10］

表1 实验工况Tab.1 Experiment condition

图3 和图4 给出了在2 种不同油气比时，数值计算结果与实验值的比较。从图中可以看到，2 种不同的油气比时，出口温度和CO2质量分数沿径向分布的计算结果与实验值都吻合良好，误差较小，说明数值模拟的结果及精度可信。

因为回流区的特征严重影响燃烧室的点火特性，所以对回流区的准确捕捉非常重要。图5 给出了该燃烧室冷态流场中截面流线图，通过对比可知，回流区的核心位置、形状和大小与实验值吻合良好，表明了数值计算的准确性。

图3 燃烧室出口温度径向分布Fig.3 Profiles of outlet temperature on radial

图4 燃烧室出口CO2 质量分数径向分布Fig.4 Profiles of outlet mass fraction of CO2 on radial

图5 燃烧室中截面流线图Fig.5 Streamlines on middle section combustor

3 计算结果及分析

表2 统计了不同火核半径、点火能量和点火持续时间时的点火事件。

表2 点火能量统计数据Tab.2 Ignition energy statistics

点火器必须能提供足够的能量给可燃油气混合物，从而形成一个能稳定传播的火核，该火核的生成热必须大于热损失，那么点火才能成功。所以在液态燃料点火系统中，必然存在一个最小的火核半径、最短的点火持续时间和最低的点火能量以保证有足够的燃油蒸发。

点火时，电火花首先生成一个很小的火核，该火核的温度必须足够高，以能够使火核附近的油滴迅速蒸发，在火核附近形成的油蒸气才会立刻燃烧。如果燃烧所释放的热释放速率超过了热传导所形成的热损失，那么火核会逐渐增大以充满整个燃烧空间;如果热释放速率比热损失速率大，那么火核的温度会不断下降一直到燃油蒸发停止。

点火能量的大小直接关系到点火的成功概率，如果点火能量太大，则点火器的寿命可能下降;如果点火能量太小，则有可能导致点火失败，因此有必要对点火器的最小点火能量进行预测，从而为点火器的设计留有工作余量。

由表2 可知，本燃烧室成功点火的最小火核半径为r=3 mm，最小点火能量为E=6 J，最短点火持续时间为t =10 ms，瞬间点火功率约为600 W。表2 表明有3 种情况都会导致点火失败:点火功率不足、点火持续时间不足以及火核半径太小，但这3 个因素可以互相补充以保证点火成功。具体分析如下:

1)点火功率不足:当火核半径为r6 时，最低点火能量为10 J、最小点火功率为200 W、最短持续时间为50 ms。当保证点火总能量不变时，继续减小点火功率(如表中Case B 点火功率降为100 W)，点火失败。分析原因，就是当点火功率较低时，电火花提供给混合物的能量迅速被冷空气带走，不足以使冷空气加热升温到其自燃温度，就是说火核温度太低。虽然输入系统的总能量足够点火，但过低的点火功率无法点燃火焰。

2)持续时间太短:当火核半径为r6 时，将点火持续时间缩短为25 ms，为保证总的点火能量不变(为10 J)，将点火功率提升为P =400 W (Case C)。Case C 与Case A 相比，持续时间是Case A 的一半，最终点火失败。分析其原因，即使Case C 点火功率足够大，那么其点火持续时间太短，点火能量还未来得及被油气混合物吸收，火核就被冷空气吹走，而点火器却又停止工作，所以最终未能成功点火。

为探索最短点火持续时间是否为50 ms，将火核半径减小为r4 (Case D)，同时保证其他参数不变E=10 J，Δt =50 ms，P =200 W，结果发现点火失败。可见，当火核半径减小时，最初的点火条件又不成立了。原因可能是由于火核半径减小，相应的在同样时间里火核传递给混合气的能量减少所导致。为解决这个问题，进一步延长点火持续时间(Case E)，发现点火果然成功。由此可以得到结论，当火核半径减小时，要想保证点火成功，必须延长点火时间。

保证其他参数不变，延长点火持续时间，会使总的点火能量升高。为探索最低的点火能量，本文采取降低点火功率的方法(Case F)，保证足够的点火持续时间(100 ms)，将点火功率降低为100 W，则总的点火能量保持为10 J，计算发现点火成功。继续降低点火功率为50 W (Case G)，点火成功;降低为20 W (Case H)，点火失败，此时点火持续时间已经为500 ms，已经不可能再继续延长点火时间，因为一方面实际上不现实;另一方面，20 W 的点火功率作用在r4 的火核半径上，已经不能使火核温度有明显的升高，所以再继续延长点火时间以此来达到能量累积的目的已经不可能。

表中的Case L 表明，可以通过提高点火功率来弥补点火持续时间的不足，从而保证点火成功。如果继续缩短点火持续时间，同时提高点火功率，如Case N，结果无论点火功率提高到多少，都不能成功点火。所以本文可以得到这样一条结论:当点火持续时间较小时，可以通过提高点火功率做补偿，以保证点火成功，但是当点火持续时间低于最低值时，无论如何提高点火功率，点火都失败。

3)火核半径太小:保证E =6 J，Δt =100 ms，P=60 W，进一步减小火核半径。Case P 火核半径为r3，Case R 火核半径为r2。在同一时刻，火核Case R 的温度一定比Case P 要高，然而Case P 能够成功点火，Case R 却点火失败。这主要是因为Case R 的火核半径太小，不足以与油气混合物进行充分接触，来不及把热量完全传递给混合物，火核就基本上被吹灭。所以无论点火能量和点火持续时间是否充足，只要火核半径太小，点火一定失败。

4 结 语

本燃烧室成功点火的的最小火核半径为r =3 mm，最小点火能量为E=6 J，最短点火持续时间为t =10 ms，瞬间点火功率约为600 W。

1)导致点火失败的原因为点火功率不足、点火持续时间不足及火核半径太小;

2)当点火功率较小时，可以通过延长点火持续时间使点火成功，但是当点火功率低于最低值时，无论如何延长点火时间，点火都将失败;

3)当点火持续时间较小时，可通过提高点火功率做补偿，以保证点火成功，但是当点火持续时间低于最低值时，无论如何提高点火功率，点火都将失败;

4)当火核半径较小时，要想保证点火成功，必须延长点火时间，但是当火核半径低于最低值时，无论如何延长点火时间或提高点火功率，点火都将失败。

［1］MONGIA H C． Perspective of combustion modeling for gas turbine combustors［M］．AIAA Paper 2004 －0156．

［2］MONGIA H C．Recent progress in comprehensive modeling of gas turbine combustion［M］．AIAA Paper 2008 －1445．

［3］LEFEBVRE A H，BALLAL LEFEBVRE D R． Gas turbine combustion:alternative fuels and emissions［M］．New York:CRC Press，2010．

［4］AHMED S F，MASTORAKOS E． Spark ignition of lifted turbulent jet flames［J］．Combustion and Flame．2006，146，(1 －2):215 －231．

［5］MARCHIONE T，AHMED S F，MASTORAKOS E． Ignition of turbulent swirling n-heptane spray flames using single and multiple sparks［J］． Combustion and Flame，2009，156(1):166 －180．

［6］MASTORAKOS E．Spark ignition of turbulent nonpremixed flames:experiments and simulations［C］．Proceedings of the International Workshop，2009，1190(1):63 －67．

［7］EYSSARTIER A，HANNEBIQUE G，BARRE D，et al．Cuenot． Ignition predictions from non-reacting LES:application and assessment on complex configuration［J］．C．R．Mecanique，2011，333:1 －12．

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［9］JONES W P，TYLISZCZAK A． Largeeddy simulation of spark ignition in a gas turbine combustor［J］．ISSUE，2010，85(3 －4):711 －734．

［10］党新宪．双旋流环形燃烧室试验研究与数值模拟［D］．南京:南京航空航天大学，2009．DANG Xin-xian． Experiment and numerical research on annular combustor with dual-stage axis swirler［D］．Nanjing:Nanjing University of Aeronuatics and Astronautics，2009．