一种燃油喷嘴改型的试验验证方法和系统与流程

1.本发明属于燃气轮机试验技术领域，涉及一种燃油喷嘴改型的试验验证方法和系统。


背景技术：

2.喷嘴是燃气轮机燃烧室的重要组成部分，用于燃料的供给与雾化，是燃烧室设计中的重要项目，其性能的好坏对燃烧过程影响很大。燃料通过喷嘴射入燃烧室，与进入的空气掺混成可燃混合气，并保证其燃料在燃烧室内稳定燃烧。由于气体燃料具有清洁、与空气混合易于燃烧、能更好地组织燃烧等特点，使工业燃气轮机燃料由燃油改为天然气，燃料由液体改为气体，对喷嘴进行设计改型，将燃油喷嘴改造为天然气喷嘴。同时需要试验验证来调整天然气喷嘴的喷口设计尺寸，达到以燃油为燃料的燃气轮机同样的燃烧效率和功率。因此天然气喷嘴模拟试验验证是燃气轮机燃料油改气、燃油喷嘴改造为天然气喷嘴的关键。现有技术中并没有关于燃油喷嘴改型的试验验证方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术中，没有关于燃油喷嘴改型的试验验证方法的缺点，提供一种燃油喷嘴改型的试验验证方法。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一种燃油喷嘴改型的试验验证方法，包括如下步骤：
6.获取燃油喷嘴的压力流量特性，获得燃油喷嘴燃烧室的燃烧性能；
7.分别获取不同尺寸天然气喷嘴压力流量特性；
8.基于不同尺寸的天然气喷嘴压力流量特性，模拟工业燃气轮机燃烧室进行燃烧试验，基于试验状态参数和测量参数，获取模拟试验结果；
9.将模拟试验结果与燃油喷嘴燃烧室的燃烧性能进行比较，得到最接近燃油喷嘴燃烧室燃烧性能的天然气喷嘴尺寸。
10.优选地，燃油喷嘴的压力流量特性的计算过程如下：
11.在燃气轮机的不同工况下，依次对副油路和主油路以不同的油压差供油，供油稳定后，测量相应流量，基于喷嘴雾化效果，绘制喷嘴流量特性曲线，得到燃油喷嘴的流量公式。
12.优选地，天然气喷嘴的压力流量特性获取过程中，
13.在不同供气压力和供气压差下，选取至少三组喷口尺寸不同的喷嘴进行流量试验。
14.优选地，天然气喷嘴的压力流量特性获取过程中，选用清洁空气作为试验流体介质。
15.进一步优选地，以清洁空气作为试验流体介质进行天然气喷嘴压力流量特性获取时，试验完成后还要进行试验结果的修正；
16.修正公式为式(1)：
[0017][0018]
式(1)中，w
g
为天然气体积流量(m3/s)，w
a
为空气体积流量(m3/s)，r
g
为天然气的气体常数(j/kg
·
k)，r
a
为空气的气体常数(j/kg
·
k)；
[0019]
修正系数为
[0020]
天然气的流量系数为
[0021]
优选地，燃烧试验具体是在不同工况下测量燃烧室出口温度场温度、燃烧效率及火焰筒壁温。
[0022]
优选地，模拟工业燃气轮机燃烧室进行燃烧试验的过程中，一个火焰筒上分别安装至少3个天然气喷嘴作为试验对象。
[0023]
优选地，燃烧试验中，
[0024]
试验状态参数包括：工况、燃烧室进口截面温度、燃烧室进口截面压力、燃烧室进口截面质量流量、燃油质量流量和天然气质量流量；
[0025]
测量参数包括：燃烧室进口截面温度、燃烧室进口截面周向任意一点的压力、燃烧室进口截面质量流量、燃油质量流量、天然气质量流量、燃烧室出口截面周向任意一点的截面温度、火焰筒壁面周向任意一点的温度；
[0026]
模拟试验结果包括：燃烧室出口温度场的不均匀度、燃烧室出口径向不均匀度、燃烧室出口的温度分布云图、燃烧效率、火焰筒壁温分布。
[0027]
模拟试验结果具体是指不同喷嘴尺寸的改型天然气喷嘴燃烧室的燃烧性能；
[0028]
一种燃油喷嘴改型的试验验证系统，包括
[0029]
燃油喷嘴压力流量获取模块，用于获取燃油喷嘴的压力流量特性；
[0030]
天然气喷嘴压力流量获取模块，用于获取不同尺寸天然气喷嘴的压力流量特性；
[0031]
燃烧试验模块，用于基于不同尺寸天然气喷嘴的压力流量特性，模拟工业燃气轮机燃烧室，进行燃烧试验，基于试验状态参数和测量参数，获取模拟试验结果；
[0032]
判断模块，用于将模拟试验结果与燃油喷嘴燃烧室的燃烧性能进行比较，得到最接近燃油喷嘴燃烧室燃烧性能的天然气喷嘴尺寸。
[0033]
优选地，燃烧试验模块包括温度检测单元、压力检测单元、流量监测单元和数据处理单元；
[0034]
温度检测单元用于获取燃烧室进口截面温度、燃烧室出口截面周向任意一点的截面温度、火焰筒壁面周向任意一点的温度；
[0035]
压力检测单元用于获取燃烧室进口截面压力、燃烧室进口截面周向任意一点的压力；
[0036]
流量监测单元用于获取燃烧室进口截面质量流量、燃油质量流量和天然气质量流量；
[0037]
数据处理单元分别与温度检测单元、压力检测单元、流量监测单元相交互，基于温度检测单元、压力检测单元、流量监测单元获取的数据，进行数据处理后，得到燃烧室出口温度场的不均匀度、燃烧室出口径向不均匀度、燃烧室出口的温度分布云图、燃烧效率和壁
温分布。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0039]
本发明公开了一种燃油喷嘴改型的试验验证方法，通过使用该燃油喷嘴的单管燃烧室燃烧液体燃料的基准性能为基准，与不同尺寸天然气燃料喷嘴单管燃烧室燃烧天然气的燃烧性能比对，优选出一种天然气喷嘴。通过运用试验结果来修正喷嘴改型设计、制造中的偏差，从而证明燃气轮机从以燃油为燃料的燃油喷嘴改为以燃气为燃料的天然气喷嘴的可行性。即本发明通过试验数据对喷嘴改型设计进行修正，保证了天然气喷嘴能够达到燃气轮机的总体要求。本发明方法也可以广泛用于其他类型的喷嘴改型试验验证，应用范围广，适用性强，具有很强的工程应用价值。
[0040]
本发明还公开了一种燃油喷嘴改型的试验验证系统，是基于上述方法建立的，基于不同尺寸天然气喷嘴的压力流量特性，模拟工业燃气轮机燃烧室，进行燃烧试验，基于试验状态参数和测量参数，获取模拟试验结果，并将模拟试验结果与燃油喷嘴燃烧室的燃烧性能进行比较，最终得到最接近燃油喷嘴燃烧室燃烧性能的天然气喷嘴尺寸，系统设计严谨，实用性较强。
附图说明
[0041]
图1为壁温电偶测点位置立体结构图；
[0042]
图2为壁温电偶测点位置平面示意图；
[0043]
图3为天然气喷嘴a的压力流量特性图；
[0044]
图4为天然气喷嘴b的压力流量特性图；
[0045]
图5为天然气喷嘴c的压力流量特性图。
[0046]
其中：1
‑
主燃孔；2
‑
掺混孔；3
‑
点火电嘴位置。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0048]
实施例1
[0049]
一种燃油喷嘴改型的试验验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0050]
获取燃油喷嘴的压力流量特性；
[0051]
选用清洁空气作为试验流体介质，获取不同尺寸天然气喷嘴对应的压力流量特性；
[0052]
基于不同尺寸的天然气喷嘴模拟工业燃气轮机燃烧室，进行燃烧试验，基于试验状态参数和测量参数，获取模拟试验结果；
[0053]
将模拟试验结果与燃油喷嘴燃烧室的燃烧性能进行比较，得到最接近燃油喷嘴燃烧室燃烧性能的天然气喷嘴尺寸。
[0054]
实施例2
[0055]
燃气轮机燃油喷嘴改造为天然气喷嘴后，天然气喷嘴试验验证在喷嘴流量特性试验和燃烧室燃烧性能试验两方面进行。包括如下步骤：
[0056]
步骤1)柴油喷嘴流量特性试验。目的是获取柴油喷嘴压力流量特性，流体介质选用
‑
10#军用柴油，在燃气轮机不同工况下依次对第ⅰ油路(副油路)和第ⅱ油路(主油路)，以
不同的油压差供油，稳定后测量相应流量，观察喷嘴雾化效果并绘制喷嘴流量特性曲线，得到流量公式。
[0057]
步骤2)天然气喷嘴流量特性试验。目的是获取天然气喷嘴压力流量特性，因天然气为介质试验存在较大安全隐患，试验流体介质选用清洁空气。在不同供气压力和供气压差下，选取三组喷口尺寸不同的喷嘴进行流量试验。试验完成后修正为以天然气为流体介质的试验结果，修正公式为：w
g
为天然气体积流量(m3/s)，w
a
为空气体积流量(m3/s)，r
g
为天然气的气体常数(j/kg
·
k)，r
a
为空气的气体常数(j/kg
·
k)，修正系数当空气为介质的流量系数μa，则天然气的流量系数
[0058]
步骤3)燃油喷嘴燃烧室燃烧性能试验。目的是获得燃油喷嘴燃烧室的基准性能。在三种工况下测量燃烧室出口温度场和火焰筒壁面温度。调节t3＝400k，p3＝180kpa，w3＝0.68kg/s点火喷嘴，点火后调节燃烧室试验状态参数，安装电偶测量燃烧室出口温度场，记录火焰筒壁温。
[0059]
步骤4)天然气喷嘴燃烧室燃烧性能试验。目的是获得三组天然气喷嘴燃烧室的燃烧性能。天然气喷嘴试验模拟工业燃气轮机环管型燃烧室，用燃烧室扇形试验件进行试验，在1个火焰筒上分别安装a、b、c三组天然气喷嘴为试验对象。
[0060]
试验状态参数选择为：工况n、燃烧室进口截面温度t3、燃烧室进口截面压力p3、燃烧室进口截面质量流量w3、燃油质量流量w
f
、天然气质量流量w
g
。
[0061]
测量参数：燃烧室进口截面温度t3、燃烧室进口截面周向第i点压力p
3i
、燃烧室进口截面质量流量w3、燃油质量流量w
f
、天然气质量流量w
g
、燃烧室出口周向第i点截面温度t
4i
、周向第i点火焰筒壁面温度t
wi
。
[0062]
最终提供测量结果：出口温度场的不均匀度otdf、出口径向不均匀度rtdf、采集出口温度分布云图、燃烧效率η、示温漆测量的壁温分布。
[0063]
步骤5)试验结果与柴油喷嘴燃烧室燃烧性能进行比较，优选出最接近燃油喷嘴燃烧室燃烧效率的天然气喷嘴尺寸，并对天然气喷嘴喷口直径设计尺寸进行纠正。
[0064]
实施例3
[0065]
一种燃油喷嘴改型的试验验证方法，包括如下步骤：
[0066]
第一步：试验选取3组天然气喷嘴头，每组喷嘴头单个喷口直径不同，分别为a、b、c。以环管型燃烧室为例，用燃烧室扇形试验件试验，
‑
10#军用柴油为燃料进行燃油喷嘴燃烧室的性能试验，流量特性参数参见表1。
[0067]
表1 燃油喷嘴压力流量特性试验参数
[0068][0069]
根据柴油喷嘴燃烧室12点处火焰筒壁面热电偶测量结果，在壁面高温区再埋设4点，共计16点壁温电偶，更换气体燃料喷嘴进行以天然气为燃料的燃烧室性能试验。如图1和图2所示。
[0070]
第二步：根据不同工况下天然气喷嘴压力流量特性试验结果，参见表2，得到天然气喷嘴的压力流量特性图，结果如图3、图4和图5所示。同一支天然气喷嘴的流量不仅与喷嘴前后压差有关，也与喷嘴前压力有关。在喷嘴前压力相同时，与流量成线性关系。对比天然气喷嘴在相同喷嘴压力和喷嘴前后压差条件下的实际流量与设计流量的结果，选出实际流量与设计流量偏差较小的天然气喷嘴。
[0071]
表2 天然气喷嘴试验数据
[0072][0073][0074]
第三步：燃烧室性能试验首先进行以
‑
10#军用柴油为燃料的第一次燃烧室性能试验，然后分别换装三组天然气喷嘴进行以天然气为燃料的第二次燃烧室性能试验。分别对
‑
10#柴油喷嘴和天然气喷嘴的壁温、出口温度场、燃烧效率等数据进行分析和对比，进而优选出最佳喷嘴设计。最后，将燃烧室出口的总温测量耙更换成燃气取样耙，进行第三次燃烧性能试验，用燃气分析的方法测取优选出一种尺寸的天然气喷嘴燃烧室的燃烧效率。
[0075]
第四步：在对比天然气喷嘴与柴油喷嘴的燃烧室性能时，出口平均温度、出口温度分布系数、出口径向不均匀度的计算以中间六个周向位置的测量数据作为基础。
[0076]
分析三组天然气喷嘴出口温度分布系数、出口径向不均匀度与燃气喷嘴相差较小
的一组为最优选项。
[0077]
出口温度分布云图，分别采集工况在0.2、0.58、1时，试验状态时采用柴油喷嘴和三组天然气喷嘴的燃烧室出口温度场云图。结果发现：a)采用天然气喷嘴的出口温度分布不如采用柴油喷嘴时均匀；b)n＝0.58时，采用天然气喷嘴b的燃烧室出口存在局部高温区；c)采用天然气喷嘴c的燃烧室出口温度场形状较为稳定；d)出口云图上边缘中间位置均存在温度较低的蓝色区域，这是由于出口腔道并不是规则的扇形，位移机构上的温度测量耙摆动至出口腔道中部位置时，近外壁测点离腔道上边缘较近的缘故。
[0078]
火焰筒壁温，在火焰筒喷涂示温漆之前需要对火焰筒进行吹砂，以此保证示温漆喷涂有很好的附着性。
[0079]
燃烧效率，针对第三次试验优选出来的天然气喷嘴，计算燃烧效率。
[0080]
通过三组天然气喷嘴、
‑
10#柴油喷嘴的流量特性试验，及单管燃烧室燃烧性能试验，综合分析不同工况下火焰筒壁温、出口温度场、燃烧效率等数据的分析和对比，结果如表3所示，进而优选最佳天然气喷嘴设计。
[0081]
表3 燃烧性能试验结果
[0082][0083]
表3中，t
3av
为燃烧室进口截面的平均温度；w3为燃烧室进口截面质量流量；p
3av
为燃烧室进口截面平均压力；w
f1
为喷嘴主油路燃油质量流量；w
f2
为喷嘴副油路燃油质量流量；w
f
为燃油质量流量；t
wmax
为火焰筒壁面温度最大值；t
4max
为燃烧室出口截面最大温度；t
4av
为燃烧室出口截面平均温度；α为燃烧室余气系数；otdf为燃烧室出口温度分布系数；rtdf为燃烧室出口径向温度分布系数；η为燃烧效率。
[0084]
实施例4
[0085]
一种燃油喷嘴改型的试验验证系统，包括
[0086]
燃油喷嘴压力流量获取模块，用于获取燃油喷嘴的压力流量特性；
[0087]
天然气喷嘴压力流量获取模块，用于获取不同尺寸天然气喷嘴的压力流量特性；
[0088]
燃烧试验模块，用于基于不同尺寸天然气喷嘴的压力流量特性，模拟工业燃气轮机燃烧室，进行燃烧试验，基于试验状态参数和测量参数，获取模拟试验结果；
[0089]
判断模块，用于将模拟试验结果与燃油喷嘴燃烧室的燃烧性能进行比较，得到最接近燃油喷嘴燃烧室燃烧性能的天然气喷嘴尺寸。
[0090]
燃烧试验模块包括温度检测单元、压力检测单元、流量监测单元和数据处理单元；温度检测单元用于获取燃烧室进口截面温度、燃烧室出口截面周向任意一点的截面温度、火焰筒壁面周向任意一点的温度；压力检测单元用于获取燃烧室进口截面压力、燃烧室进口截面周向任意一点的压力；流量监测单元用于获取燃烧室进口截面质量流量、燃油质量流量和天然气质量流量；数据处理单元分别与温度检测单元、压力检测单元、流量监测单元相交互，基于温度检测单元、压力检测单元、流量监测单元获取的数据，进行数据处理后，得到燃烧室出口温度场的不均匀度、燃烧室出口径向不均匀度、燃烧室出口的温度分布云图、燃烧效率和壁温分布。
[0091]
实施例5
[0092]
在示例性实施例中，还提供计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0093]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。