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1、现代航空发动机燃烧技术与发展 梁红侠 动力与能源学院 Tel: 8849 3680 E-mail: hx_liang 1 参考书籍： 2/37 【1】侯晓春 季鹤鸣 刘庆国 严传俊等. 高性能航空燃 气轮机燃烧技术国防工业出版社，2002.01 【2】金如山.航空燃气轮机燃烧室宇航出版社， 1988.02 【3】张斌全.现代航空发动机燃烧室北京航空学院 出版社，1986.10 【4】杜声同 严传俊. 航空燃气轮机燃烧与燃烧室 西北工业大学. 主要内容 第一章 航空发动机燃烧室概述（ 3学时） 第二章 航空发动机中的燃烧（3学时） 第三章 燃烧原理基础（3学时） 第四章 着火与熄火（3学时） 第
2、五章 火焰传播与火焰稳定（3学时） 3 4/37 主要内容 第六章 喷嘴及燃油雾化（3学时） 第七章 燃烧室中的空气流动（3学时） 第八章 加力燃烧室（3学时） 第九章 燃烧室排气污染（3学时） 第十章 现代军用高温升燃烧室和民用低污 染燃烧室技术发展（3学时） 第一章 航空发动机燃烧室概述 1. 燃烧室的功用 2. 燃烧室基本性能要求 3. 燃烧室部件 4. 燃烧室基本类型 5. 燃烧室特性 6/37 飞机发动机服役时间特点 1 G F-86, Mig-15 Turbojet Ends of 40sSubsonic Transonic M2 H20km 3G F15/16, Mig-29,
3、Su-27T/W=8(turbofan) 70s80sMulti fun 4G F22/35, L44T/W=10(turbofan) 21st CenSupercruise 1. 燃烧室的功用 燃烧室的作用： 把压气机增压后的空气，经过喷油燃烧释放热量，提高温 度，然后流向涡轮膨胀做功。（主燃烧室烧完总进气量的 大约1/3-1/4） 加力燃烧室作用： 经涡轮膨胀后燃烧室燃烧所剩余的氧气再补充喷油燃烧， 提高气流温度，增加做功能力，使喷气发动机增加推力， 加力燃烧室一般仅在需要时开动，工作时间较短。 燃烧室和加力燃烧室的功用： 把燃油的化学能释放出来转变为热能。使气体的总焓增大 ，以便提高燃气
4、在涡轮和尾喷管中膨胀作功的能力。（燃 油释放能力做功） 9/34 燃烧室是动力机械的能量发源地，是发动机中的核心部件之一。 10/34 燃烧室工作特点 （1）、进口气流速度很大 （2）、燃烧室容积很小（热强度很大） （3）、工作温度高（2500K） （4）、出口气流温度受到涡轮叶片的热强度的限制，不能过高 （5）、进口参数变化大 因此一个好的燃烧室必须在这些参数变化 范围宽广的状况下保持正常工作，至少不 能熄火，以便保证发动机能发出推力，飞 机能安全飞行。而且，这一任务必须以最 小的压力损失、在有限的可用空间里释放 出最大的热量、高效低污染地实现，亦即 高效、高强度、低污染地实现。 11/34
5、 1、点火可靠 1）能在进口50范围内实现良好的地面起动 2）高空熄火后能够再点火，保证安全 3）能在8-12km的高度实现可靠点火 发动机的点火高度是评定飞机或发动机的一个性能指标，目前 达到的高度为8-9km，采取补氧等措施后可达12-13km。提高点 火高度，也是目前研究的重要课题。 2、燃烧稳定 要求燃烧室在点燃以后，必须： 1）在规定的全部飞行高度、速度范围内都能稳定燃烧，不被吹熄 2）在a=2-50的范围内能稳定燃烧 3）避免不稳定燃烧（振荡燃烧） 2. 燃烧室的基本性能要求 13/34 3、燃烧完全 14/34 4、出口温度场符合要求 燃烧室出口的燃气流向 涡轮叶片，考虑到高速
6、旋转的涡轮叶片承受力 已很大，再加上高温气 流的冲击，工作条件十 分恶劣，于是要求燃烧 室出口气流温度场符合 涡轮叶片高温强度的要 求，不要有局部过热点 ，以保证涡轮的正常工 作和寿命。 燃烧室出口温度分布的衡量指标： 1）燃烧室出口温度分布系数OTDF 2）燃烧室出口径向温度分布系数RTDF 15/34 16/34 出口温度场分布要求： （1）火焰除点火过程的短暂时间外，不 得伸出燃烧室； （2）沿涡轮进口环形通道的圆周方向， 温度尽可能均匀，要求OTDF0.2， RTDF=0.08-0.12。在整个出口环腔内最 高温度Tt4max与平均温度Tt4之差不得超过 100-120 。 （3）沿叶
7、高（径向）温度分布应符合中 间高两端低的要求-等强度原则。 17/34 18/34 6. 尺寸小重量轻（燃烧室容热强度、火焰筒容热强度） 由燃烧室或任何别的热量发生装置放出的热量取决于燃 烧区的容积。因此，为了获得要求的高功率，一个相当 小而紧凑的燃气涡轮燃烧室必须以极高的放热率放热。 例如，在起飞状态，一台R-R公司的RB211-524发动机 每小时消耗9368kg燃油。这种燃油具有大约43120kJ/kg 的热。因此，该燃烧室每秒释放将近112208kJ的热量。 定义：单位压力下，每单位燃烧室容积内 ，每小时燃烧燃料所释放出的热量。 19/34 7. 排气污染少（起因，组成，如何减少或消除
8、） 航空发动机的污染表现为： （1）由于燃烧组织的不完善，特别是在富油时，排放 大量的CO直接造成对人类健康的危害。 （2）局部富油时因缺氧，形成大量的微细碳粒，形成 可见黑烟雾，造成污染。 （3）由于燃烧时温度较高，特别是在地面起飞状况时 ，容易形成Nox类物质，对人类及其他生物危害也很 大。 （4）燃烧室工作时，特别是加力燃烧室在不稳定工作 时产生低频高分贝的强噪声污染。 20/34 8.寿命长 燃烧室内火焰温度很高，火焰筒壁面经常受着高温 燃气的侵蚀。由于气流和火焰的紊流脉动，使火焰 筒承受这交变的高温燃气引起的热应力。火焰筒经 常产生裂纹、烧蚀、掉块、变形等故障。现代航空 发动机的燃烧
9、室内，火焰筒都是用高性能的耐热钢 板制成的。为了防止过热、烧蚀和延长寿命，火焰 筒壁面都采用了有效的冷却措施，以保证在较长的 寿命期内安全可靠地工作。 军机一般400-1000h，民机6000-8000h。 22/37 3. 燃烧室部件 燃烧室的基本构成 扩压器 减速扩压 F出/F进=3.05.0，120180m/s3050m/s 喷油嘴 雾化和预蒸发 火焰筒 旋流器 点火器 联焰管 23/37 4. 4. 燃烧室基本类型燃烧室基本类型 （1）单管燃烧室 单管燃烧室由多个(一般是816个)单个燃烧室组成。它们之间有联焰管相联 ，起传播火焰和均压的作用。在早期的涡轮喷气发动机用得较多，与离心式
10、压气机配合使用，在结构上比较简单。可以单独的拆换，维护比较方便。缺 点主要是它的空间利用率低；在重量上不仅本身比较重，而且因为它不能传 递涡轮和压气机壳体上的扭矩，还要增加其他结构部件(轴承机匣)的重量。 （2）环管燃烧室 与单管燃烧室相同的是：联管燃烧室也是有单独的火焰筒。但是这些 火焰筒被包容在一个共同的环形腔道里。联管燃烧室的优点是结构比 较紧凑，外壳可传递扭矩，因而有利于减轻发动机的结构重量。此外 ，它的火焰筒与单管燃烧室相似，因而对设计调试仍较方便。 （3）环形燃烧室 它是由四个同心的圆筒组成。在火焰筒的头部装有一圈燃油喷嘴和火焰 稳定装置。与压气机出口和涡轮进口的环形气流通道可以有
11、很好的气动 配合，可以减少流动损失，缩短燃烧室头部的扩压段。可以得到较均匀 的出口周向温度场。空间利用率最高，壳体结构有利于扭矩和力的传递 。更有利于减轻重量。 缺点首先是沿圆周均匀分布的各个离心喷嘴喷油所形成的燃油分布和环 形通道的进气不易配合好。设计调试比较困难，需要有大型的气源设备 。使用中装拆维护也比较复杂。 31/37 5. 燃烧室特性 燃烧效率； 燃烧室压力损失； 燃烧稳定性(熄火特性)； 气体在燃烧室内的流动和燃烧过程十分复杂，受许多 物理化学因素的影响，无法用计算的方法来取得燃烧室 的特性 燃烧室特性主要通过实验获得 32/34 燃烧的几个重要参数 33/34 34/34 THE END！ 35
