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1、l l思考题思考题n n简述气流通过涡轮基元级膨胀作功原理。简述气流通过涡轮基元级膨胀作功原理。n n增大基元级涡轮功的途径有哪些？增大基元级涡轮功的途径有哪些？n n什么是对转涡轮？对转涡轮有什么优点？什么是对转涡轮？对转涡轮有什么优点？n n对进气道最基本的性能要求是什么？对进气道最基本的性能要求是什么？n n简述超声速进气道气动设计原理。简述超声速进气道气动设计原理。n n超声速进气道有哪些类型，各有什么特点？超声速进气道有哪些类型，各有什么特点？第第4 4章章 燃烧室、加力燃烧室和尾喷管燃烧室、加力燃烧室和尾喷管 Burner and NozzleBurner and Nozzle*4
2、.1 4.1 燃烧的基本知识燃烧的基本知识要在空气流中连续不断的喷入燃油，形成火焰，稳要在空气流中连续不断的喷入燃油，形成火焰，稳 定燃烧，必须满足以下两个条件：定燃烧，必须满足以下两个条件： 一、油气比在一定的范围内一、油气比在一定的范围内 实际喷入燃油量与理论所需燃油量之比称为实际喷入燃油量与理论所需燃油量之比称为燃料系数燃料系数 用用 表示表示 ；实际空气量与理论所需空气量之比称为；实际空气量与理论所需空气量之比称为空气系空气系 数或称为余气系数数或称为余气系数，以，以 表示。表示。 11表示喷入空气的燃油较少，燃烧后不足以将表示喷入空气的燃油较少，燃烧后不足以将 空气中的氧气燃烧完，这
3、种情况称为空气中的氧气燃烧完，这种情况称为贫油贫油； 11或或11则表示喷入空气的燃油太多，将空气中的氧则表示喷入空气的燃油太多，将空气中的氧 气烧完后还有剩余的燃油，这种情况称为气烧完后还有剩余的燃油，这种情况称为富油富油。 在一定的贫油或富油的范围内在一定的贫油或富油的范围内( (油气比范围内油气比范围内) )才能进才能进 行燃烧行燃烧，过于贫油或富油是无法进行燃烧化学反应的。可，过于贫油或富油是无法进行燃烧化学反应的。可 以进行燃烧的油气比范围与油气混合后的混气压力和温度以进行燃烧的油气比范围与油气混合后的混气压力和温度 有极大的关系。有极大的关系。 4.1 4.1 燃烧的基本知识燃烧的
4、基本知识二、火焰周围气流速度必须低于火焰传播速度二、火焰周围气流速度必须低于火焰传播速度=1=1的均匀混气在常温常压下火焰的传播速的均匀混气在常温常压下火焰的传播速 度远低于度远低于1m/s1m/s，在紊流的气流中，火焰传播速度，在紊流的气流中，火焰传播速度 有所提高，能达到每秒数米或十多米，这与气流有所提高，能达到每秒数米或十多米，这与气流 的紊流度有很大的关系。的紊流度有很大的关系。要使火焰能稳定燃烧，它周围的气流速度必要使火焰能稳定燃烧，它周围的气流速度必 须低于火焰传播速度。须低于火焰传播速度。4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）PP一、功能、工作环境一、功能
5、、工作环境功能功能燃料与空气掺混燃烧，将燃料化学能转换为热能。工作环境工作环境进口气流速度大体积小出口温度受涡轮耐热强度限制工作条件变化范围宽4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）二、主燃烧室为组织火焰、稳定燃烧所采取的结构措施二、主燃烧室为组织火焰、稳定燃烧所采取的结构措施两个难题：压气机出口的气流速度一般在150m/s左右；受涡轮材料耐热性的限制，燃烧室出口的燃气温度一 般在12001700K范围内，相当于燃料系数大约在 0.250.4范围内。1、在燃烧室内设置火焰筒 设置火焰筒，使空气从火焰筒壁上的圆孔或气膜缝隙 进入火焰筒内，在喷入燃油的火焰筒头部，根据需要设计
6、 一定数量的圆孔和缝隙，以保证火焰筒头部的燃料系数达 到 =1左右。喷入燃烧室的燃油在火焰筒头部进行燃烧后温度可达 到2000K以上，燃烧后的高温燃气在火焰筒后部与进入的 二股冷却空气相渗混，使燃气温度达到所需要的数值。4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）二、主燃烧室为组织火焰、稳定燃烧所采取的结构措施二、主燃烧室为组织火焰、稳定燃烧所采取的结构措施2、在火焰筒头部喷油嘴周围设置空气扰流器 在火焰筒头部喷油嘴周围设置空气扰流器，使空气在 火焰筒头部内形成旋涡，旋涡中心为低压区，使一部分已 经燃烧的高温燃气倒流回来形成回流区，不断点燃由燃油 雾滴蒸发形成的新鲜混气。4.
7、2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）喷油嘴喷油嘴一般主燃烧室都采用离心式喷油嘴离心式喷油嘴，在高压作用下燃 油经喷油嘴高速旋转喷出，与喷嘴外空气相撞击形成极细 小的雾化油滴，并很快蒸发与空气混合，形成新鲜混气。4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）喷油嘴喷油嘴燃油喷嘴的另一种形式叫蒸发管蒸发管。燃油由喷油管喷出，与 来自压气机的一部分空气在蒸发管内掺混，并经T型热管壁加 热蒸发。使用蒸发管的燃烧室燃烧效率较高、不冒烟，出口温 度场也比较均匀，不随喷油量的变动而变化。蒸发管式供油装置与环形燃烧室配合，得到了广泛使用。4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室
8、（BurnerBurner）喷油嘴喷油嘴气动雾化喷嘴，简称气动喷嘴气动喷嘴。图为RB211发动机所用 的气动喷嘴结构示意图。气动喷嘴可大大降低发烟度和热辐射量，且气动喷嘴可大大降低发烟度和热辐射量，且 不必要高压油泵，出口温度场也均匀稳定。不必要高压油泵，出口温度场也均匀稳定。 4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）点火装置利用外电源，使高压火花塞打火，将起动喷油嘴喷出 的燃料和空气或氧气的混合气体加热到着火温度，使它首先燃烧， 然后再依靠这个起动喷嘴火焰点燃整个燃烧室。燃烧室点燃以后， 点火装置即停止工作。三、主燃烧室的点火装置三、主燃烧室的点火装置4.2 4.2 主
9、燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）主燃烧室有三种基本结构形式：单管燃烧室、联管燃烧室和环 形燃烧室。四、主燃烧室的结构形式四、主燃烧室的结构形式4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）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。每个单 管燃烧室各有自己单独的火焰筒和外套。四、主燃烧室的结构形式四、主燃烧室的结构形式优点: 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WP5WP5 发发 动动 机机4.2 4.2 主燃烧室主燃烧室2、联管燃烧室：联管燃烧室也是有单独的火焰筒。但是
10、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。四、主燃烧室的结构形式四、主燃烧室的结构形式优点: 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4.2 4.2 主燃烧室主燃烧室3、环形燃烧室：典型的环形燃烧室由四个同心的圆筒组成。在燃 烧室的外机匣和内壳所形成的腔道中，安装着环形的火焰筒。在火 焰筒的头部装有一圈燃油喷嘴和火焰稳定装置。四、主燃烧室的结构形式四、主燃烧室的结构形式优点: 与压气机、涡轮的环形通道气动配合好，减少
11、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4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）1、燃烧稳定、点火可靠：要求燃烧室在飞机飞行包线的 所有范围内，以及飞机作各种机动动作时，发动机的工作 状态急剧变化的情况下都能稳定燃烧，不熄火。当发动机在地面条件下起动和发动机在空中熄火停车 后重新起动时，燃烧室应点火可靠，以保证发动机能及时 起动、安全飞行。五、主燃烧室基本性能要求五、主燃烧室基本性能要求4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）2、燃烧效率高燃烧效率：燃油实际用于加热工质的热量与燃油完全 燃烧
12、时的放热量之比，亦称焓增燃烧效率。五、主燃烧室基本性能要求五、主燃烧室基本性能要求有的文献常用温升燃烧效率来反映燃烧完全程度。 温升燃烧效率温升燃烧效率是燃烧室中由燃料燃烧引起的实际温升与理 论计算的理论温升之比。4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）3、压力损失小：燃烧室中气体的流动阻力和燃气加热时 的热阻使气体流经燃烧室时压力稍有下降。气体的总压损 失会导致航空燃气轮机单位推力(或单位输出功率)减小， 耗油率上升，因此应当尽可能地减小总压损失。常用总压恢复系数总压恢复系数来表示主燃烧室的总压损失。主燃 烧室的总压恢复系数在0.920.96范围内。五、主燃烧室基本性能
13、要求五、主燃烧室基本性能要求4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）4、燃烧室出口温度场应按所要求的规律分布：要求燃气 沿半径的周向平均温度如下图所示的规律分布五、主燃烧室基本性能要求五、主燃烧室基本性能要求涡轮叶片产生的离心力都 通过叶片根部传到轮盘上 ，叶片根部受力大。所以 要求燃气温度低些。 叶尖很薄，强度刚度较差 ，也要求燃气温度低些。 在离叶尖约为叶片高度的 1/3处，燃气温度可以达 最高值。 4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）5、尺寸小，发热量大：缩短燃烧室长度不仅可以减轻燃 烧室的重量，而且还可以缩短压气机和涡轮之间的距离， 从而
14、减轻机匣和转子的重量。燃烧室尺寸的大小，是用燃烧室容热强度容热强度衡量，容热 强度的定义是每立方米的燃烧室容积里在单位压力下每小 时实际放出多少热量。五、主燃烧室基本性能要求五、主燃烧室基本性能要求4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）6、减少排气污染：不仅要求燃烧完全，限制一氧化碳的 产生，还要限制火焰燃烧区的温度不要太高避免氮氧化物 的产生。五、主燃烧室基本性能要求五、主燃烧室基本性能要求上述六点要求相互之间存在矛盾，特别是为上述六点要求相互之间存在矛盾，特别是为 减轻重量而缩短燃烧室长度，这将影响燃烧减轻重量而缩短燃烧室长度，这将影响燃烧 完全的程度、温度场的分布
15、以及在燃烧室头完全的程度、温度场的分布以及在燃烧室头 部的扩压损失。所以，必须全面考虑，综合部的扩压损失。所以，必须全面考虑，综合 权衡。权衡。 4.2 4.2 主燃烧室（主燃烧室（BurnerBurner）六、主燃烧室特性六、主燃烧室特性主燃烧室的特性，通常是指 燃烧效率；燃烧室压力损失；燃烧稳定性(熄火特性)；随着燃烧室进口气流参数和油气比(或余气系数)的变化规律。一个已经制成的燃烧室，燃烧效率主要受以下四个参数的影 响：燃烧室进口压力p*3；燃烧室进口温度T*3；燃烧室进口空气流速c3或通过燃烧室的空气容积流量qva；燃烧室的油气比f或余气系数。1.1.主燃烧室效率特性主燃烧室效率特性
16、2.2.主燃烧室压力损失特性主燃烧室压力损失特性 燃烧室的总压损失与气流的动压有直接的关系。 由于燃烧室内各处气流速度差别极大，可以用由燃烧 室进口的空气密度、空气流量和燃烧室最大截面积算 出的假想速度来代表：燃烧室的总压损失可以通过流阻系数来计算，流 阻系数作为燃烧室的总压损失与气流的动压之间的比 例系数；数值主要由主燃烧室的结构设计决定。3.3.主燃烧室熄火特性主燃烧室熄火特性 主燃烧室的燃烧稳定工作范围，随着燃烧室进 口空气流速c3的增加而缩小，下图为主燃烧室熄火 特性图。 n在短时间内增加发动机的 推力，称为发动机加力。 加力可以有不同的方法， 在涡轮出口设置加力燃烧 室是增加推力的有效方法 之一。n空气通过主燃烧室后尚有 2/3 3/4的氧气没有燃烧 ，在加力燃烧室中进一步 喷油燃烧可以提高燃气温 度，增大尾喷管出口燃气 的喷射速度，以增大发动 机的推力。 4.3 4.3 加力燃烧室（加力燃烧室（AfterburnerA
