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1、Gas Turbine Aero-engine,第3章 燃 烧 室,,Company Logo,第三章 燃烧室COMBUSTION SYSTEM,3.4 燃烧室基本构件的结构,3.3 燃烧室的结构,3.2 燃烧室的基本结构形式,3.1 概述及对燃烧室的基本要求,3.1 概述及要求,燃烧室功用： 保证在各种工作状态下，将燃料的化学能转化为热能 对燃烧室基本要求: 点火可靠,燃烧稳定、完全 出口温度场均匀 足够的强度和刚度,冷却良好、热补偿可靠 尺寸小、重量轻 结构简单、维护性好,,Company Logo,3.1 概述及要求,3.2燃烧室构造,燃烧室基本类型： 分管燃烧室Multiple com
2、bustion chambers 联（环）管燃烧室Tubo-Annular Chamber 环形燃烧室Annular Chamber,分管燃烧室：每一个管式火焰筒外围都包有一个单独的外壳，构成一个分管，分管间利用传焰管相连，现已基本不用,3.2燃烧室构造-分管,3.2燃烧室构造-分管,3.2燃烧室构造-分管,优点:试验、修正容易 检查、维护更换方便 与离心式压气机配合比较协调 缺点：环形面积利用率低、气流速度大； 总压损失大 启动性能差 冷却空气量大 出口温度场分布不均匀 重量大,3.2燃烧室构造-分管,联管燃烧室：多个火焰筒装在同一个壳体间，各个火焰筒燃烧区间用联焰管连接,3.2燃烧室构造-
3、联管,3.2燃烧室构造-联管,冷却空气由小孔进入 形成气膜冷却火焰筒头部内壁面，降低壁面温度，以免积炭。,3.2燃烧室构造-联管,联焰管根部由于易形成涡流，因此最易烧毁，所以在其下部设计一个引冷却空气进入根部的风斗。,3.2燃烧室构造-联管,3.2燃烧室构造-联管,由9个火焰筒组成，每个火焰筒带有一个双路燃油喷嘴，在位于4点和8点钟（图中4和7号）位置的火焰筒上安装有点火装置,3.2燃烧室构造-联管,优点：保持了分管燃烧室的一些优点，试验、修 正容易，检查、拆装比较方便； 环形面积利用率提高，能够与轴流式压气 机平滑衔接 缺点：重量仍然较大，结构比较复杂,3.2燃烧室构造-联管,环形燃烧室：在
4、燃烧室的内外壳体之间安装了一个由共同的火焰筒内外壁组成环形燃烧区和掺混区,3.2燃烧室构造-环形,民航所使用的涡轮风扇发动机大多采用环形燃烧室 环形燃烧室分类： 直流环形燃烧室THROUGH-FLOW ANNULAR COMBUSTOR 折流环形燃烧室REFLECTION-FLOW ANNULAR COMBUST 回流环形燃烧室REVERSE-FLOW COMBUSTOR,3.2燃烧室构造-环形,3.3燃烧室的构造,3.3.1直流环形燃烧室 一、带单独头部的环形燃烧室 在环形燃烧室头部作成多个类似联管燃烧室火焰筒的头部结构,在单独的头部后面在转接成环形的掺混区,带20个单独头部的环形燃烧室，在
5、头部涡流器中央装喷嘴，头部与外壁焊成一体,1.直流环形燃烧室,1.直流环形燃烧室,涡桨5发动机带单独头部的环形燃烧室，由扩压器壳体，燃烧室外套，火焰筒，工作喷嘴，起动点火器组成,2.全环形燃烧室,由两个机械加工的环筒组成，采用先进的气膜冷却技 术，无材料搭接，无焊接接头，避免应力集中和热点， 能够减少裂缝，延长燃烧室寿命,Single Annular Combustor CFM56,2.全环形燃烧室-,普惠F119发动机,2.全环形燃烧室,2.全环形燃烧室,Double Annular Combustor,2.全环形燃烧室,Staged Combustor-分级燃烧室,2.全环形燃烧室-,3.
6、3.2 折流环形燃烧室,由燃烧室外套、火焰筒内壳、封气套筒、供油管以及甩油盘等组成，充分利用了空间尺寸，缩短转子支点间的距离,Reflection-flow annular combustor used in F100 engine,3.3.3 回流环形燃烧室,3.3.3 回流环形燃烧室,高压气体经过两次折转再注 入涡轮，回流燃烧室使得压 气机和涡轮的轴向长度大大 缩短，短轴连接，缩短发动 机长度，减轻重量；提高临界转速；通路长，油气混合均匀，减少排气污染，降低发烟度。,3.4燃烧室基本构件的结构,3.4燃烧室基本构件的结构,3.4燃烧室基本构件的结构,火焰筒是整体式环形燃烧室，火焰筒头部装有
7、20个旋流喷嘴以混合空气和燃油。燃烧室机匣形成了压气机前静子和低压涡轮静子之间的结构连接。高压涡轮衬环（shroud）和第一级低压涡轮喷嘴环位于燃烧室机匣后端里面，并形成核心机和低压涡轮组件之间的界面。,3.4燃烧室基本构件的结构-扩压器,功用:降低从压气机流出的气流速度,以利于组织燃烧 设计要求:减小损失；可靠承力,3.4燃烧室基本构件的结构,扩压器,(1)一级扩压的扩压器: 压力均匀增加,总压损失小,流场均匀,3.4燃烧室基本构件的结构-扩压器,3.4燃烧室基本构件的结构-扩压器,3.4燃烧室基本构件的结构-扩压器,(2)二级扩压的扩压器: 扩压气进出口面积相差大时,可缩短扩压器长度,3.
8、4燃烧室基本构件的结构-扩压器,(3)突然扩张式扩压器 长度最短,燃烧室出口较少受压气机出口流场变化干扰,总压损失最大,3.4燃烧室基本构件的结构-扩压器,Dump diffusion of F100 engine,3.4.2 火焰筒FLAME TUBE(LINER) Combustin chamber,3.4.2 火焰筒FLAME TUBE(LINER) Combustin chamber,3.4.2 火焰筒FLAME TUBE(LINER) Combustin chamber,3.4.2 火焰筒FLAME TUBE(LINER) Combustin chamber,3.4.2 火焰筒-火焰
9、筒冷却方法,火焰筒上进气孔的大小，形状，数量和分布取决于组织燃烧的需要的涡轮前燃气温度的要求,3.4.2 火焰筒FLAME TUBE(LINER) Combustin chamber,旋流器、火焰筒头部、火焰筒的连接方式,3.4.2 火焰筒-火焰筒冷却方法,3.4.2 火焰筒-火焰筒冷却,3.4.2 火焰筒-火焰筒冷却孔,3.4.2 火焰筒-火焰筒气膜冷却,RB211发动机火焰筒的机械加工冷却环,3.4.3 旋流器,功用:装在火焰筒前端,使高温燃气在火焰筒头部产生低速回流区,以稳定火焰,并使空气与燃油很好掺混,点燃后续气体,提高燃烧效率 旋流器分类:叶片式、非叶片式,叶片式旋流器,折流环能减少
10、发动机的污染,叶片式旋流器,非叶片旋流器,利用气流经过非流线体之后产生低速回流区,3.4.4 喷油嘴,功用：将燃油雾化，加速混合气的形成、保证稳定燃烧和提高燃烧效率 分类：离心式喷油嘴 气动式喷油嘴 蒸发管式喷嘴 甩油盘式喷嘴,（1）离心式喷嘴The Simplex spray nozzle Duple fuel spray nozzle,单路离心式,The Simplex spray nozzle,单路离心式,单路离心式,Duple fuel spray nozzle,双路离心式,Duple fuel spray nozzle,双路离心式,Duple fuel spray nozzle,双路
11、离心式,Duple fuel spray nozzle,双路离心式,优点:能够形成非均匀混合气,保证燃烧 室在宽广的混合比范围内工作; 缺点:供油压力要求高; 存在高温富油区,易造成发烟污染; 出口温度场不均匀; 与环形燃烧室通道不协调,离心式,（2）气动式喷油嘴AIRSPRAY NOZZLE,（2）气动式喷油嘴AIRSPRAY NOZZLE,（2）气动式喷油嘴AIRSPRAY NOZZLE,优点:雾化均匀,无高温富油区 火焰筒壁温低 供油压力要求不高 出口温度场均匀 仅用单管供油，简化了供油管道 缺点:稳定工作范围窄; 启动时,燃油雾化不良;,（2）气动式喷油嘴AIRSPRAY NOZZLE
12、,（3）蒸发管喷嘴Vaporizing spray nozzle,（3）蒸发管喷嘴Vaporizing spray nozzle,（3）蒸发管喷嘴Vaporizing spray nozzle,优点:雾化均匀,无高温富油区; 供油压力要求不高; 出口温度场均匀 缺点:稳定工作范围窄; 需要辅助启动供油系统; 蒸发管本身需要冷却 混合气易自燃,（3）蒸发管喷嘴Vaporizing spray nozzle,（4）甩油喷嘴,在高转速，小流量的折流环形燃烧室中采用，如J69发动机 燃油雾化是转速的作用，不受燃油流量的影响,3.4.5点火装置,功用:在启动或者高空熄火后形成点火源 分类: 直接点火装置
13、 间接点火装置,1、直接点火装置,直接点火是用电嘴直接点燃火焰筒头部的混合气。随着高能电嘴的发展，使电嘴能在低电压下，放电能量大大增加。因此，除不可能直接点火的蒸发式燃烧室外，直接点火已经得到广泛的应用 。 如：斯贝发动机、JT9D，CFM56发动机都采用了直接点火装置。 复合点火装置（两个电嘴） 斯贝发动机：一个3J；一个12J JT9D，CFM56：两个4J,1、直接点火装置,如图是斯贝发动机点火装置。电嘴与外涵外套、火焰筒间采用浮动环密封,1、直接点火装置,先点燃起动喷嘴的燃油,形成小股火焰在去点燃工作喷嘴的燃油,2、间接点火,3.4.5 点火装置,3.4.5 点火装置,3.4.6联焰管
14、 Interconnector,3.4.7放油活门Drain valve,功用:将发动机意外熄火或者启动不成功时沉积的燃油排出燃烧室,3.4.8燃烧室机匣Combustor casing,3.4.8燃烧室机匣Combustor casing,功用:承力和构成气流通道,现代发动机的燃烧室机匣（包括燃烧室内、外套和扩压器内、外壁）通常都是发动机重要承力构件。燃烧室机匣承受有轴向力、径向力、扭矩、弯矩、振动负荷等，受力非常复杂。特别是燃烧室内机匣（燃烧室内套和扩压器内壁），空气压力使这个薄壳筒形零件承受径向压缩应力，容易压扁变成椭圆，失去稳定，尤其是高增压比的发动机更甚，因此，许多发动机的燃烧室内机
15、匣都采用加强结构。,3.4.8燃烧室机匣Combustor casing,加强筋常用钣材焊在燃烧室内机匣的内表面，为减轻重量，加强筋沿圆周加工有许多减轻孔，孔口还可翻边加强。,3.4.8燃烧室机匣Combustor casing,如果燃烧室内机匣的母线不与发动机轴线平行，而要求径向和轴向都能加强时，最好采用封闭形加强筋，如上图所示。封闭腔应开有通气小孔，使筋的内腔与外界相通。,3.4.8燃烧室机匣Combustor casing,(a) (b) (c) (d) 燃烧室内、外机匣都有安装边，这些安装边本身也起加强作用。上图所示为燃烧室外机匣安装边的几种型式。其中以（a）型搭接滚焊用得最普遍，（b）型为对接熔焊，（c）型为搭接熔焊，一般熔焊的气密性比滚焊好，（d）型结构最为合理（例如J75燃烧室外套），因为焊缝远离安装边，既减少因焊接而引起的安装边挠曲变形，又防止焊接时在从材料很薄转变到材料很厚的安装边的转接处产生裂纹。,3.4.8燃烧室机匣Combustor casing,
