航空发动机原理第七讲-发动机部件工作原理---燃烧室

黄玥助理教授物理机电航空大楼[e-mail]物理与机电工程学院厦门大学发动机部件工作原理AeroEnginePrinciple–Lecture#5/Enginesparts-CombustorNov.3,2014发动机部件工作原理•第一节气动热力基础•第二节进气道•第三节尾喷管•第四节压气机•第五节涡轮•第六节燃烧室第六节燃烧室2014年11月20日3一、功能、环境特点及基本要求功能燃料与空气掺混燃烧，将燃料化学能转换为热能加给气体。环境特点进口气流速度高（120-180m/s）；工作温度高（核心温度2500K）；出口气流温度受涡轮叶片的耐热限制，不能过高；2014年11月20日4一、功能、环境特点及基本要求基本要求：稳定燃烧；可靠工作；为涡轮提供合理的温度条件；2014年11月20日5一、功能、环境特点及基本要求（1）如何保证稳定燃烧？有一句成语：“风助火势，火借风威”是否“风”越大，火势越旺呢？生活经验表明，并非如此。2014年11月20日6一、功能、环境特点及基本要求（1）如何保证稳定燃烧？基本条件：气流速度=火焰传播速度进口气流速度高（120-180m/s）；火焰传播速度（不大于50m/s）2014年11月20日7一、功能、环境特点及基本要求（2）如何保证自身可靠工作？将火焰燃烧区域置于火焰筒内部；燃烧室的所有金属部分不跟核心燃烧区直接接触；分区燃烧、掺混冷却；2014年11月20日8一、功能、环境特点及基本要求（3）如何保证涡轮的安全工作温度？周向如何分布？径向如何分布？2014年11月20日9一、功能、环境特点及基本要求（3）如何保证涡轮的安全工作温度？周向尽可能分布均匀径向燃气温度最高值一般要求在涡轮叶片上1/3处，并非越均匀越好•叶尖较薄，容易烧坏•叶根应力大，温度不能过高2014年11月20日10二、燃烧室结构形式基本类型单管燃烧室联管燃烧室环形燃烧室2014年11月20日11二、燃烧室结构形式单管式燃烧室由多个单独燃烧室组成，之间用联焰管相联，传焰和均压作用每个燃烧室有独立的火焰筒和外套2014年11月20日12二、燃烧室结构形式单管式燃烧室优点:实验调试用气少便于拆换缺点:迎风面大出口温度场不均匀重量大（不能抵抗扭矩）2014年11月20日13二、燃烧室结构形式联管式燃烧室有多个单独火焰筒，共用内、外环形机匣联焰管传播火焰2014年11月20日14二、燃烧室结构形式联管式燃烧室优点：减轻重量和减小迎风面单独火焰筒便于调试拆换方便缺点：出口温度场周向不均匀2014年11月20日15二、燃烧室结构形式环形燃烧室由4个同心的圆筒组成，火焰筒为环形2014年11月20日16二、燃烧室结构形式优点：与压气机、涡轮的环形通道气动配合好，减少流动损失出口温度场均匀重量轻、迎风面小缺点：喷油与进气不易配合调试需大型气源装拆维护较困难2014年11月20日17三、工作过程及主要零组件燃烧室工作过程简介1、气流扩压减速2、喷油雾化3、点火4、形成燃烧回流区5、燃烧6、掺混冷却2014年11月20日18三、工作过程及主要零组件1、气流扩压减速压气机出口气流速度120~180m/s30~45m/s2014年11月20日19三、工作过程及主要零组件1、气流扩压减速2014年11月20日20F100突扩式扩压器三、工作过程及主要零组件2、喷油雾化为使燃油在非常短的时间内与气流充分掺混，达到完全燃烧，靠燃油喷嘴喷入雾状燃油，扩大燃料与周围气体的接触面，加快蒸发、汽化，形成混气，以利于完全燃烧。2014年11月20日21三、工作过程及主要零组件3.点火一般利用外电源，使高压火花塞打火。一般有两个点火器。2014年11月20日22三、工作过程及主要零组件4、形成燃烧回流区气流经火焰筒头部的扰流器，形成一股旋转气流，在火焰筒的中心造成低压区，下游一部分气流逆流补充，形成回流。形成稳定的点火源使燃油破膜、雾化、掺混2014年11月20日23三、工作过程及主要零组件5、燃烧：分区燃烧室：主燃区、补燃区（中间区）、掺混冷却区2014年11月20日24三、工作过程及主要零组件5、燃烧：分不同部位、不同量进气2014年11月20日25三、工作过程及主要零组件6、掺混冷却约40%气流由火焰筒上的微细小孔或缝隙进入，在火焰筒壁形成气膜，保护火焰筒。约20%气流从后部进入，掺混降温、到达出口温度场分布要求。2014年11月20日26三、工作过程及主要零组件火焰筒壁的冷却2014年11月20日27三、工作过程及主要零组件火焰筒壁的冷却2014年11月20日28四、性能参数及特性燃烧效率：大型民用发动机：最高可达0.999军用发动机：约0.95~0.99影响因素：•余气系数•进气压力↑→燃烧效率↑•进气温度↑→燃烧效率↑•进气速度↑→燃烧效率↓2014年11月20日29umfamagmgbHqhqhq*2*3完全燃烧放热量实际放热量maTqep30075.122四、性能参数及特性总压恢复系数：约0.9~0.96影响因素•主要因素：进气速度↑→总压恢复系数↓•次要因素：燃烧室温升↑→总压恢复系数↓2014年11月20日30燃烧室进口总压燃烧室出口总压b四、性能参数及特性油气比2014年11月20日31mfmaqfq燃油质量流量空气质量流量四、性能参数及特性余气系数l0—1公斤航空煤油完全燃烧所需理论空气量，l0=14.7kg/s最恰当油气比：f0=1/l0=0.068=1:最恰当油气比1:富油状态（燃油过剩）1:贫油状态（空气过剩）2014年11月20日32001mamfqqlfl实际空气量使燃油完全燃烧所需空气量四、性能参数及特性熄火特性燃烧室进口速度过大时火焰稳定范围减小，容易熄火或空中起动时不易点燃当燃烧室进口气流速度超过一定限度，无论余气系数是多少，都无法稳定燃烧2014年11月20日33余气系数001fllqqmfma小结亚音速流：扩张通道：亚音速进气道、超音速进气道的扩压段、压气机转子、静子叶栅通道、燃烧室扩压器；收缩通道：涡轮导向器叶栅通道、涡轮转子叶栅通道、收缩型尾喷口，收敛-扩张尾喷管的收缩段2014年11月20日34小结超音速流：扩张通道：收敛-扩张尾喷管的扩张段、涡轮导向器出口；收缩通道：超音速进气道的超音段；核心要点：压气机通用特性2014年11月20日35加力燃烧室原理•加力燃烧室特点及对发动机性能的影响•加力燃烧室主要部件和工作原理•振荡燃烧加力的几种方法喷液(水、或水醇类混合液)加力：即经压气机入口处喷高压液体，以便在压缩过程中蒸发吸热，降低气流温度，提高压气机效率和增加质量流量，从而提高推力，但这种方法需要增加一套供液系统，且推力增加有限，已不再为人们所用。复燃加力(reheating):即通过在已燃气中喷燃油，提高排气温度来增加推力。在地面台架状态，加力推力较最大状态推力可增加25~50%，在高速或超音速飞行是增加更多，可达100%以上。对于涡扇发动机加力推力增加比例更大，地面台架状态可达70%以上，超音速时可达150%以上。加力燃烧室特点及对发动机性能的影响一、加力燃烧室工作特点及对它的要求：(1)加力燃烧室进口总压低，气流速度大，进口总温高。-----点火和火焰稳定都相当困难，燃烧效率显著下降。(2)二次燃烧，工质含氧量下降，惰性成分增加，燃烧效率下降。-----对组织燃烧不利。(3)加力燃烧室后只有可调喷口，已没有其它转动部件(如涡轮叶片)，温度无须过多限制，可达2000K;相对富油；不需要火焰筒。(4)加力燃烧室一般不在巡航和慢车状态下工作，仅在发动机最大状态或额定状态下为补充推力不足时开动。(5)余气系数小，含氧量小，燃烧不容易稳定，产生振荡燃烧。（一）加力燃烧室工作特点：参数或性能主燃烧室加力燃烧室进口气流总压(104Pa)80~25020~30进口气流总温(K)500~800700~1000气流速度(m/s)扩压段进口120~170350~450(速度系数)(0.2~0.3)(0.5~0.7)燃烧室进口约40120~180燃烧室出口120~200250~400气流含氧量21%14%~17%油气比范围0.002~0.0030.002~0.07(余气系数范围)33~2.233~1出口气流总温(K)1000~1500达1800~2000出口温度分布周向分布尽可能均匀分布径向分布有特殊要求周向径向尽可能均匀燃烧效率0.95~0.990.85~0.92冷态阻力系数(按最大截面)约204~6总压恢复系数0.90~0.960.85~0.90（二）、加力燃烧室的战术技术指标如下：（1）加力点火应迅速、可靠、平稳接通加力1~2s；慢车至全加力时间≤4~5s;加力接通可靠性：不低于105次；接通加力时不允许爆燃。（2）加力推力要尽可能大第3代：T/M=7~8；第四代：T/M=9~10（3）加力稳定工作范围宽涡喷：加力比1.1~1.5；涡扇：加力比1.05~1.70；在全部工作范围内没有推力脉动或不稳定燃烧现象。(4)在任务剖面内开加力无使用限制一次加力的工作时间10min;在总寿命内，加力时间10~15%。(5)加力耗油率要尽可能低在低压中复燃，故热效率低，所以加力耗油率比主燃烧室的高出一倍左右。(6)机匣筒体壁温要低，工作可靠性好涡喷：Tw750ºC；涡扇：Tw350ºC(1)减小流体阻力由于加力燃烧室流速大，且供油、点火及稳定器部件在不开加力时不工作，是产生无效阻力累赘，因此设法改进设计，减少阻力是加力燃烧室改进的课题。(2)提高燃烧效率，降低发动机的单位耗油率(3)出口温度场尽可能均匀，以减少推力损失(4)防止振荡燃烧(5)点火和燃烧稳定性好（三）、性能要求二、加力燃烧室工作时对发动机性能的影响性能参数：加力比：RRR加力后推力加力前推力加力耗油率比：CCC加温比：*5**5TT大，、相应也大。目前涡喷发动机约为2左右，涡扇发动机较高，可达2.5，由于涡扇发动机外涵流动的是新鲜空气，进口温度低，可加入的燃料也较多。*RC**1、加力比.6gwRmg1*065*52[1()]1ggkkgcggkPwgRTkP.6gwRmg1*065*52[1()]1ggkkgcggkPwgRTkP近似认为：..ggmm则：*65**56wTRTw2、耗油率比*CMaC3、加力时发动机尾喷口面积的变化**4*455TTFF为了保持发动机的主要工作参数不变，在开动加力时，必须同时扩大尾喷口面积，根据流量公式，可推出加力与未加力时的面积比：加力面积比亦与加温比的平方根成正比，加力面积比是由自动调节系统随机控制，一般尾喷口形式如下：典型的加力喷管设备典型的带加力燃烧室的涡轮风扇发动机加力式主要部件：扩压器、供油装置、点火器、火焰稳定器、防震（隔热）屏和加力室筒体等。•加力燃烧室主要部件和工作原理WP13加力燃烧室外形WP9加力燃烧室立体图一、扩压器(混合器)加力燃烧室的扩压器是由中心鼓筒和外壳构成，按面积的扩压比一般在2左右，其目的是将高速气流减速，并使压力有所提高，这将有利于组织燃烧和减少阻力。中心鼓筒由若干个整流支板支承，支板有一定的偏斜度，以扭正涡轮排气的旋转气流动(整流)，有利于使稳定器截面处的流场均匀。加力燃烧室扩压器一般是做成大扩张比和小扩张角，这有利于减小压力损失，但这要受直径和长度的限制，为了减小可能产生的气流分离，扩张角一般不宜太大，为了工艺简单，中心鼓筒或外壳常做成直线截锥形，也有做成特型曲面的。二、供油装置加力喷嘴多置于扩压段通道里，这里紊流度大，有利于蒸发和掺混。大