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1、第九章 航空燃气轮机主燃烧室工作特性主燃烧室工作特性的好坏，取决于燃油雾化、与燃油雾化相匹配的空气流动、以及在此基础上的燃烧特性。本章所涉及的基本内容包括燃油雾化、燃烧室空气动力学、燃油散布、燃烧效率、点火及熄火、燃烧室火焰筒壁冷却等特性分析。9.1 燃油雾化在航空燃气涡轮发动机中，燃油喷嘴的功能和要求如下：1) 在宽广的流量范围内提供良好的雾化；2) 快速响应燃油流量变化；3) 与流动的不稳定性无关；4) 耗能小；5) 可以缩放设计，提供设计的灵活性；6) 低成本，轻重量，维护容易，拆装容易；7) 对制造和安装过程中的轻微损伤不敏感；8) 燃油受到污染和喷嘴表面积碳时不易堵塞；9) 受热时不
2、易结焦；10) 均匀的径向和周向燃油浓度分布。航空燃气轮机主燃烧室中，主要的喷嘴有离心喷嘴、空气雾化喷嘴、甩油盘喷嘴和蒸发管喷嘴。如图9-1-1所示。（a）离心喷嘴（b）空气雾化喷嘴（c）甩油盘喷嘴（d）蒸发管喷嘴图9-1-1 航空燃气轮机燃烧室中各种喷嘴9.1.1 离心喷嘴(压力雾化喷嘴)离心喷嘴属于压力雾化喷嘴的一种.主要有两种结构,一种是单油路离心喷嘴,一种是双油路离心喷嘴,双油路离心喷嘴相比于单油路离心喷嘴扩大了工作范围.如图9-1-2所示.单油路离心喷嘴双油路离心喷嘴 图9-1-2 离心喷嘴的结构进入离心喷嘴的燃油做切向运动，由于离心运动建立了空心涡，在喷嘴出口，旋转的燃油同时有轴向
3、速度和切向速度，形成空心油膜，油膜失稳形成液雾，如图9-1-3所示。 图9-1-3 离心喷嘴的油膜运动由于压力不同，将形成不同的形态，如图9-1-4所示随着燃油压力的增加，喷嘴喷雾的形态变化。通常，喷嘴压力降大于0.1MPa，即可得到一个充分发展的油雾。 图9-1-4 燃油喷雾的各种形态燃油流量和喷嘴压力降之间的关系设通过离心喷嘴出口的截面积为的液体流量为，如图9-1-5所示。则通过喷嘴的燃油流量如下式计算：上式中，是考虑了通过离心喷嘴流动时的各种损失的流量系数，是通过喷嘴在一定压力降的情况下能够达到的理论喷射速度，该喷射速度由下式计算：可以建立燃油流量与喷嘴压力降之间的关系如下： 图9-1-
4、5 喷嘴几何结构示意可以稍加变形得到流量数的定义： 流量数是一个表达喷嘴特性广泛使用的参数，仅与喷嘴的几何结构和通过的流体有关，与喷嘴的工况无关，因此它给定了某种用途下的喷嘴“尺寸”。其单位是。喷嘴设计的核心是确定在离心喷嘴一定的几何结构情况下的流量系数。离心喷嘴的流量系数燃油通过整个喷嘴旋流室的流动过程中，是一个复合运动，有切向速度，轴向速度和径向速度。在离心喷嘴出口，有一小段平直段，燃油在此处的运动可以视为一个切向运动加轴向运动的复合运动。如图9-1-6所示。图9-1-6 离心喷嘴燃油运动和出口喷雾张角，式中，是燃油静压与离心喷嘴的背压之差。上式说明如果，则，从物理上是不可能的。由于旋转速
5、度增加，根据伯努利方程，意味着燃油的静压下降，对于燃油，压力下降后，沸腾温度随之下降，则中心的燃油开始蒸发，蒸发后形成一个空心涡，该空心涡的直径为，其中充满了燃油蒸汽与空气的混合物。并且，该空心涡的表面静压与离心喷嘴的背压相等，才能维持平衡。根据上述分析，可以建立离心喷嘴流量系数与喷嘴几何结构之间的关系。在空心涡的表面上，燃油静压与离心喷嘴的背压相等，伯努利方程可以简化为：假设通过离心喷嘴喷口处的轴向速度分布是均匀的，则离心喷嘴喷口处的轴向速度由连续方程写出：由于燃油运动的无粘假设，并且在整个离心喷嘴中的燃油运动不受任何外力，因此，动量矩守恒，则有：因此可以建立压力降与流量之间的关系：离心喷嘴
6、流量系数与结构之间的关系：假设，流量系数的表达式就可以简化为：引入著名的假设最大流量原理：在离心喷嘴一定压力降的条件下，喷嘴通过的燃油流量最大。根据高等数学中求极值的原理，令，可以得到：最终可以得到流量系数的表达关系：因为面积比X是喷嘴设计特性参数K的函数，上述关系式的实质就是表达了无粘理想流动条件下离心喷嘴流量系数与一定几何结构的关系。图9-1-7给出了离心喷嘴的理论分析流量系数与实验结果的对比(K为喷嘴几何参数)。图9-1-7 离心喷嘴流量系数理论值与实验值离心喷嘴的喷雾张角离心喷嘴的喷雾张角是燃烧室设计的另外一个关系的重要问题。正是由于在喷嘴出口处的切向速度分量存在，使得喷雾有了一定的张
7、角。喷雾张角与运动速度的关系参见图9-1-6。忽略燃油离开离心喷嘴喷口的转折，则喷雾张角可以表达成一个几何关系：从离心喷嘴的下游往上看，图9-1-6的右边，是一个展开的视图，当喷雾轨道从P1点运动时，在喷嘴中心剖面的交点是P2，可以建立几何关系如下：引入变量y和，则有：，由于离心喷嘴非常小，上式可以简化为，从图-1-6右边视图可见，简单地讲，离心喷嘴的喷雾张角近似为离心喷嘴出口处的切向速度与轴向速度比。为了建立喷雾张角与几何结构的关系，需要把速度项转换一下，由于在离心喷嘴出口处的切向速度是一个变化的值，采用质量平均的方法来定义喷雾张角，可以写出如下表达式：由于动量矩守恒，对于上式的积分就变得容
8、易，其结果如下所示：最后，离心喷嘴的喷口喷雾张角的关系式如下：再此利用X和K的表达式，则上式可以简化为：在常压下离心喷嘴的喷雾张角接近一个常数，但是当环境压力增加时，离心喷嘴的喷雾张角随着环境压力的增加会迅速减小，如图9-1-9所示。当发动机工作在大状态时，喷雾张角减小会导致两个不利的结果，一是冒烟大量增加，二是出口温度分布系数恶化。影响雾化的主要因素，一是燃油物性，如表面张力和粘性系数，二是燃油的工况，如燃油流量和燃油压力。表面张力大，粘性系数大，雾化变差，SMD增加，同样燃油压力降下，喷嘴流量越大，SMD增加。见图9-1-10，9-1-11和9-1-12所示。 图9-1-8 离心喷嘴喷雾张
9、角图9-1-9 离心喷嘴喷雾张角随环境压力变化规律图9-1-10 离心喷嘴SMD与表面张力的关系图9-1-11 离心喷嘴SMD与燃油粘性的关系图9-1-12 离心喷嘴SMD与工况和喷嘴流量数的关系9.1.2 空气雾化喷嘴由于离心喷嘴在大工况下的喷雾张角会发生很大的变化，新研发的燃烧室大部分都采用了空气雾化喷嘴。空气雾化喷嘴与离心喷嘴最大的不同之处是燃油的雾化不是依靠压力产生油膜失稳，而是依靠通过喷嘴的空气速度剪切雾化油膜。空气雾化喷嘴有两种典型的结构，一种是GE公司使用的旋流杯空气雾化喷嘴，一种是P&W公司预膜空气雾化喷嘴。见图9-1-13。在旋流杯这种喷嘴中，燃油是从中心的离心喷嘴中喷出，燃
10、油冲击在文氏管上，形成一个薄的油膜，在文氏管出口边缘上，油膜破碎成条，然后迅速地进入了内外旋向相反的两股旋流的剪切层中雾化。剪切层中，破碎成条的油膜被进一步雾化，形成油雾。在内部预膜空气雾化喷嘴中，燃油进入一个通道通过一定的旋流产生装置展成油膜，在通道出口处，油膜在内外两层旋流的剪切作用下破碎成油膜，形成油雾。两种空气雾化喷嘴的不同之处在于油膜的形成方式，而共同之处就是都是通过相对较高流速的空气来雾化燃油,雾化的物理本质是相同的。（a）旋流杯空气雾化喷嘴及其雾化（b）内预膜空气雾化喷嘴及其雾化过程图9-1-13 空气雾化喷嘴的典型结构及雾化过程9.1.3 甩油盘喷嘴旋转喷嘴中最著名的喷嘴是法国
11、Turbomeca公司的甩油盘系统。用于折流环形燃烧室，燃油通过供入一个空心的中心轴中，然后从甩油盘上打的孔依靠离心力甩出。由于甩油盘高速旋转，从轴里供入的燃油运动到甩油盘的喷油孔中，在喷油孔中观察到的现象是燃油空心往甩油盘边缘运动。燃油离开甩油盘的切向速度比甩油盘的线速度略高一些。燃油射流的速度增加与甩油盘速度增加成正比。燃油射流离开甩油盘后，射流失稳，形成油雾。图9-1-14 甩油盘喷嘴结构和雾化过程9.1.4 蒸发管喷嘴蒸发管喷嘴由英国RR公司发展的。早期的蒸发管结构为“拐杖型”，为了改善蒸发管的蒸发性能和减小长度，于1980年代发展了“T型”蒸发管，如图9-1-15所示。蒸发管喷嘴中，
12、燃油从一个喷嘴中喷出，部分燃油喷射到蒸发管的内壁面上，部分燃油与进入蒸发管的空气混合随空气流动。在“T型”蒸发管中，燃油的蒸发加热量来源于管壁和进入蒸发管的空气。在设计点状态，80的燃油是依靠进入蒸发管的空气来蒸发。研究结果表明，蒸发管出口的雾化颗粒度小于20mm。图9-1-15蒸发管喷嘴结构和雾化蒸发过程蒸发管喷嘴雾化性能的主要影响因素是进入蒸发管的空气压力、温度及燃油空气质量比。在发动机小功率状态，主要的燃油准备靠蒸发，在高功率状态，多少与空气雾化喷嘴的性质相象。9.2 燃烧室空气动力学 在燃烧室机匣内，头部端壁（含旋流器）和火焰筒壁面将燃烧室的流动分为两个部分，头部端壁、火焰筒以及机匣中
13、的流动称为外部流动，而头部和火焰筒内部的流动称为内部流动。见图9-2-1所示。外部流动的主要特征是扩压降速，并保证流动均匀，不发生分离，为内部流动提供良好的进气条件。内部流动分主燃区流动、掺混区和冷却壁面附近的流动。主燃区的流动是形成回流区，实现燃烧室的高性能燃烧，掺混区的流动主要是保证燃烧室出口温度分布符合发动机总体的性能要求。当然，出口温度分布与主燃区的流动也有很密切的关系。火焰筒壁面的流动主要是气膜流动，保证火焰筒壁面的高效冷却。图9-2-1 燃烧室的内部流动和外部流动9.2.1 扩压器流动为了减小燃烧过程的压力损失以及缩短燃烧室的长度，从压气机出口的高速气流首先进入扩压器。通过扩压器将
14、压气机出口高速空气流动的动压头尽可能大的恢复成静压，然后进入燃烧室火焰筒。目前高性能航空燃气轮机为了追求高的压缩性能，压气机的负荷很大，而且压气机出口空气的流速很高。目前典型的数据是压气机出口的动压头占来流总压的10。扩压器的功能就是尽量的恢复该部分能量。否则，将导致燃烧过程中压力损失大，最终使得发动机的耗油率上升。扩压器的性能要求如下：a) 压力损失低；一般而言，扩压器的损失要小于压气机出口总压的2；b) 长度短；扩压器的长度应尽量短，减小发动机的长度和重量；c) 前置扩压器中没有分离，除了在突扩区域中；d) 出口气流在周向和径向都均匀；e) 在所有工况下运行稳定；f) 对压气机出口流场变化
15、不敏感。1960年代后普遍采用全环形燃烧室设计，基本上配套采用突扩扩压器的设计。环形突扩扩压器协调了上述各种需求。见图9-2-2。环形突扩扩压器具有结构简单，气动效率高，能够承受进口流动畸变及对加工误差不敏感的特点。环形突扩扩压器由两部分组成，前置扩压器和突扩区域。从压气机出口到进入机匣之前的区域称为为前置扩压器，进入机匣后，与帽罩和机匣之间的通道形成突扩区域。图9-2-2 现代燃烧室的环形突扩扩压器前置扩压器前置扩压器是一个简单的逐渐扩张的通道，在这个通道中，从压气机出来的空气流速逐渐减小，以尽可能大的将动压头转变成静压。在这个过程中，扩压器的效率是很重要的，任何的总压损失都将使发动机的总效率受到损失。在减速扩压过程中，前置扩压器内的损失来源于两部分，一部分是摩擦损失，一部分是边界层分离导致的损失。前置扩压器中的流动如图9-2-3所示.从实验中观察到，随着扩张角和面积比的变化，将出现各种流动图
