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1、燃气轮机原理 第四章燃气轮机燃烧室 4-1 燃烧室的功用、结构和工作特点 1. 燃烧室的功用 ?燃烧室是将燃料中的化学能经燃烧后释 放出热能，加热工质。 ?能量的一部分用于推动涡轮带动压气机 对进口气流进行压缩，另一部分使气流 以高速从尾喷口喷出，以气体动能形式 反作用于发动机上推动飞机前进。 1. 燃烧室的功用 ?地面燃气轮机，用多级涡轮充分吸收能 量，然后以轴功率形式输出，带动其它 机件（如发电机）作功。 ?还有一部分能量随燃气以热能的形式排 放到大气。 燃烧室是一个能量转换器 燃料的化学能 热能 燃 烧 机械功（经压气机增压空气） 动能（产生推力） 热能随燃气排放至大气 涡轮 尾喷管 燃
2、烧室是动力机械的能量发源地。 航空燃气轮机 2. 燃烧室的结构 1-外壳 2-火焰管 3-冷却鱼鳞孔 4-点火器 5-过渡锥顶 6-配气盖板 7-燃料喷嘴 8-燃烧区 9-混合区 10-旋流器 11-一次射流孔 12-混合射流孔 13-环腔 14-燃气导管 一次空气：参与燃烧，占总空气量25-35%； 二次空气：参与混合冷却。 3. 燃烧室的工作特点 燃 烧 室 进 口 气 流 速 度 很 大 ， 一 般 在 120180m/s之间，相当于4倍12级台风的 速度。在如此高的气流速度下，组织燃烧 十分困难。高速气体在燃烧室内流动，还 会造成很大的总压损失。必须采取措施降 速，即使降速后的速度也还
3、相当高，不采 取其它措施，仍不能保证火焰稳定。 燃烧室容积很小，但要在短时间内发出大 量的热能，要燃烧相当多的燃料，而且要 求燃烧完全。 涡喷-6发动机：10个火焰筒，总容积不到 0.07m3，但每小时要烧掉2.5吨燃油。 燃烧室的发展趋势：长度缩短，体积减 小，燃料燃尽程度接近100%。 燃烧室出口气流温度受到涡轮叶片的 热强度的限制，不能过高，否则会使叶 片失稳变形，以至熔化或断裂，造成事 故。目前一般允许在1200K，叶片采取 冷却措施的发动机可达1600K。 由于涡轮叶片耐温的限制，燃烧室内供 油受到制约。燃烧室内供油只能烧掉空 气中氧的1/4。在贫油的均匀混气情况 下，火焰不能传播，
4、燃烧不能进行。 T * 3 一个矛盾 ?若达到烧着的程度，涡轮叶片承受不了； 若考虑涡轮叶片耐温程度而减少供油，又 烧不着。 解决办法： 先在火焰筒头部按接近恰当的油-空气比例（油和空气中 的氧基本上都用光）进行充分的燃烧，这时头部气流温 度接近2500K，然后用剩余的空气将高温气流掺混，把 温度降下来，以达到涡轮叶片接受的温度。 先燃烧后降温 一次空气和二次空气 发动机的工况随飞机飞行状况的变化而 变化，给燃烧室带来变化宽广的工作范 围，是按某一状态设计的燃烧室，在其 它状态下工作困难。 涡喷7发动机： 高度的变化：030km 速度的变化：M=03 转速也在一定范围内变化。 4-2 对燃烧室
5、的性能要求 1.点火可靠 点火可靠是燃烧室正常工作的最起码保证。 ?地面时：点火容易（气体压力、温度较高，进气 速度不大） ?高空时：高空熄火后，点火困难（气体压力、温 度低，气流速度较高） 点火高度是评定发动机（飞机）的性能指标 点火高度：89km；1213km（采取补氧措施） 2.燃烧稳定性要好 燃烧室的稳定工作对发动机来说是至关重 要的。 燃烧稳定的两个含义： ?在发动机工作过程中，通常情况下不熄 火； ?不出现对发动机具有破坏性的燃烧，通常 为振荡燃烧。 稳定燃烧特性包线 HCyx 413. 38%14 3 8 %86=+ O C O C 22 =+ 燃料的成分主要为碳氢化合物 O H
6、OH222 22=+ 1千克碳完全燃烧需要8/3千克氧气 1千克氢气完全燃烧需要8千克氧气 航空煤油（C8H16）：含碳86%，含氢14%，1公斤煤油完全 燃烧需要消耗的氧气量（公斤）为 稳定燃烧特性包线 L f L q q mf ma 00 1 = 7 .14 232 . 0 413 . 3 0 = L 大气中含氧气量为23.2%， 1公斤煤油完全燃烧需空气量（公斤）为 过量空气系数（余气系数）：实际供给的 空气量与理论上完全燃烧所需空气量之比。 油气比 f =1/401/330 =2.730 稳定燃烧特性包线 T * 3 const P = * 2 1 - 富油熄火极限 2 - 贫油熄火极
7、限 const T = * 2 p C2 min CC p22 minmax max C2 时，燃烧不稳定 相同时， 越大越好 受涡轮材料的限制， 燃烧室不容易发生富油 熄火，易贫油熄火，一 般。 25 max 3.燃烧要完全 将所供燃料全部烧完，将化学能释放出来。 燃烧效率：燃料燃烧时实际用于加热 工质的热量（增加气体总焓）与这些燃料 完全燃烧时的理论放热量之比。 H q hqhqhqq u mf f mf a ma g mfma b )()( * 2 * 3 + = b 主燃烧室：9698%，甚至可达100% 加力燃烧室：90% 4.出口温度场符合要求 燃烧室出口气流温度场符合涡轮叶片高温
8、强度 的要求，不要有局部过热点。要求： ?火焰除点火过程的短暂时间外，不得伸出燃烧 室； ?沿涡轮进口环形通道的圆周方向，温度尽可能 均匀，在整个出口环腔内最高温度与平均 温度之差不得超过100120C； ?沿叶高（径向）温度分布应符合等强度原则。 T * 3max T m * 3 燃烧室出口温度径向分布 h h 3 2 T m * 3T * 3max T * 3min TT TT m m * 2 * 3 * 3 * 3max = 温度系数： 通常不超过20% 由于离心力的作用，叶片及 涡轮盘榫头连接部位应力大 叶尖部分叶片很薄，散热条件差 m m 5.压力损失小 出于组织燃烧的需要，燃烧室采
9、用了复杂 的结构。 阻力系数：燃烧室总压损失与某参考 截面(最大截面或进口截面）气流动压头 之比。 C PP m m b 2 * 3 * 2 2 1 = b 主燃烧室：2030 加力燃烧室：34 6.尺寸小和重量轻 为了提高发动机的推重比和减小迎风面 积，力争在容积小的燃烧室中单位时间内 烧掉较多的燃料。 容热强度：每立方米的燃烧容积里在 单位压力下每小时实际放出多少热量。 )/( * 2 3 3600 hbarmKJ B b u ma vp PV H fq q= qvp VB：燃烧室空间容积 )/( 3 hbarmKJ 10 )5 . 32 . 1 ( 8 =qvp 火焰筒的容热强度为蜂窝煤
10、炉的40倍，从产生热量 的功能上来看，一个火焰筒相当于1300个蜂窝煤炉。 10 )52 . 1 ( 7 =qvp 10 )08. 95 . 7( 7 =qvp ?航空燃气轮机 ?地面重型燃气轮机 ?主燃烧室 10 )73.2034.12( 7 =qvp 10 3 . 4 6 =qvp ?火焰筒 ?蜂窝煤炉 7.使用寿命长 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，使火焰筒承受着 交变高温燃气引起的热应力，经常产 生裂纹、烧蚀和变形等故障。 7.使用寿命长 影响燃烧室寿命的主要因素是火焰筒壁温， 延长寿命主要从以下方面入手： ?火焰筒材料； ?采取冷
11、却措施； ?防止严重积炭。 高性能耐热钢板 分段气膜冷却，鱼鳞片气膜冷却 火焰筒壁面温度不超过800度 8.排气污染少 根据我国对烟尘、SOx、NOx和CO 四种污染物来源统计分析，燃料燃烧 产生的空气污染物占全部污染物的 70%，工业生产产生的占20%，机动 车产生的占10%。可见，燃料燃烧是 空气污染物的主要来源。 航空发动机的污染表现 由于燃烧组织的不完全，特别是富油时，排放大 量的CO直接造成对人类健康的危害； 局部富油时因缺氧，生成大量的炭粒子，形成可 见黑烟雾，造成污染； 由于燃烧时温度较高，特别是在地面起飞状态 时，容易形成NOx类物质，对人类及其他生物危 害很大； 燃烧室工作时
12、，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。 燃烧室性能之间的矛盾： 火焰稳定性压力损失大 高容热强度使用寿命长 解决办法： 根据用途，做折衷考虑（trade-off） 4-3 燃烧室中燃烧过程的组织 燃烧室中发生的整个工作过程包括： ?燃烧区中气流流动过程的组织； ?燃烧区中燃料浓度场的组织； ?燃烧区中可燃混合物的形成、着火与燃烧； ?混合区中二次掺冷空气与高温燃气掺混过程 的组织； ?火焰管壁冷却过程的组织。 在燃气轮机燃烧室中发生的燃烧过程总是 在余气系数较大，且的变化范围又很 宽的高速气流中进行的，因此燃烧室工作 有两点困难： ?若把燃料直接喷到由压气机送来的全部
13、空 气中去燃烧，那么燃烧区的温度必然很 低，燃料不能完全燃烧，燃烧效率非常 低； ?由于气流的流动速度很高，因而燃烧火焰 很容易被吹熄。同时，还会产生非常大的 压降损失。 解决办法 1. 采用扩压器，使进入燃烧区的气流速度由 压 气 机 出 口 的 120180m/s 降 低 到 2030m/s左右，借以减小气流的压降损 失； 2. 采取气流“分流”的办法，以提高燃烧区的 温度； 3. 采用“火焰稳定器”，使在燃烧区内能够形 成一个特殊形态的气流结构，为稳定火焰 创造条件。 空气 燃烧室应采取的形状 燃烧室中空气流的组织 1.采用气流分流的办法以提高燃烧区的温度 利用火焰管这种结构，把由压气机
14、送来的 空气分流成为两大部分。其中一部分空气 将直接进入火焰管前部的燃烧区，参与燃 料的燃烧过程，这部分空气称为“一次空气”。 所余的另一部分空气，称为“二次空气”，则 由冷却流道和混合机构逐渐流入火焰管， 以便冷却火焰管壁，或是掺冷高温燃气。 这种“分流”方法，相对于把燃料直接喷到 “全部空气”中去的燃烧方法，可以保证燃烧 区具有相当高的燃烧温度，有利于提高燃 烧反应的速度。 在分流方法中，控制“一次空气”的数量是改 善燃烧工况的关键。试验表明：在燃烧柴 油和天然气时，在满负荷工况下的一次空 气量控制在=1.11.3（相当于燃烧区温 度为1800左右），在空载工况下， =2.02.5（相当燃
15、烧区温度为1000左右） 是合适的。否则，燃烧效率将严重恶化。 一次空气供应方式 ?将一次空气全部通过装在火焰管头部旋流器供入 燃烧区 ?将一次空气分别由旋流器和开在火焰筒前段的几 排一次空气射流孔供入燃烧区 2旋流器 5一次空气射流孔 ?试验表明，第?种供气方式，即将一 次空气分别由旋流器和开在火焰筒前 段的几排一次空气射流孔供入燃烧 区，可以保证燃烧室具有比第?种供 气方式，即将一次空气全部通过装在 火焰管头部旋流器供入燃烧区，更为 宽广的负荷变化范围。这是由于在第 ?种供气方式中，燃烧室具有“一次空 气量自调特性”。 一次空气量自调特性 ?定义：随着火焰长度的伸缩能自动调整直 接参与燃烧
16、反应的一次空气量的特性。 ? 机组负荷降低，燃烧火焰的长度缩短，通过开在 火焰长度之后的一次空气射流孔供入的空气量不 会直接射到火焰中去掺冷火焰，低负荷时，燃烧 温度仍很高； 2旋流器 5一次空气射流孔 一次空气量自调特性 ?定义：随着火焰长度的伸缩能自动调整直 接参与燃烧反应的一次空气量的特性。 ? 机组负荷增加，燃烧火焰的伸长，后排射流孔供 入的空气向火焰补充所需的氧，防止缺氧引起的 燃烧不完全和火焰过长。 2旋流器 5一次空气射流孔 ?试验表明，具有一次空气量自调特性的供 气方式对于扩大燃烧室负荷变化范围的效 果是明显的。 例如，对某燃烧室 采用第?种供气方式 采用第?种供气方式 4 .1494. 4= %70%95= b 4 .14 %92 b 燃烧室中空气流的组织 2.采用火焰稳定器以稳定高速气流中的火焰 利用火焰稳定器在火焰管的前部造成一个 特殊形态
