航空发动机燃烧室技术简介

燃烧室是航空发动机三大部件之一,位于压气机和涡轮之间,其主要功能是将燃油中的化学能转变为热能,将压气机增压后的高压空气加热,驱动涡轮最后进入排气装置内膨胀做功。
燃烧室是航空发动机三大部件之一,位于压气机和涡轮之间,其主要功能是将燃油中的化学能转变为热能,将压气机增压后的高压空气加热,驱动涡轮最后进入排气装置内膨胀做功。

燃烧室是航空发动机三大部件之一,位于压气机和涡轮之间,其主要功能是将燃油中的化学能转变为热能,将压气机增压后的高压空气加热,驱动涡轮最后进入排气装置内膨胀做功。航空发动机燃烧室的主要组成部分有:扩压器(Diffuser),机匣(Case),帽罩(Cowl),燃油喷嘴(FuelNozzle),旋流器(Swirler),火焰筒(Liner)。火焰筒上开有各种孔,主燃孔,掺混孔,气膜冷却孔。各部分的主要功能:(1)扩压器:降低压气机出口流速,利于燃烧室组织燃烧;(2)机匣:用于安装火焰筒,连接发动机压气机部分和涡轮、加力燃烧室部分,是承力件;(3)喷嘴:用于燃油雾化;(4)旋流器:使气流旋转,产生回流区,稳定燃烧过程;目前发展趋势为,将(3)和(4)结合设计空气雾化喷嘴。(5)帽罩:使空气按照环腔、头部所需量分股时,流动不发生分离,减小流动损失。

现代航空发动机燃烧室结构图(本图片来自于网络)

航空发动机燃烧室的发展经历了其类型由单管燃烧室到环管燃烧室,再到短环形燃烧室的变化过程;燃烧室进口压力及进气温度不断提高的过程;出口平均温度由最初的1150K逐渐增加到1900K以上,燃烧室长度不断减小的过程,这些发展和变化多是由于航空发动机各个发展阶段对燃烧室的要求不同所致。早期,燃烧效率是最突出的问题,随着压气机压比及巡航速度提高,进气压力和温度也大幅的提高,冷却及燃烧室出口温度分布质量问题又显得尤为突出;随后航空发动机要求高推重比,燃烧室长度变得更短;现阶段重点强调增加燃烧室温升、延长寿命和减少对环境污染排放的问题。总的来说高效、高强度、低污染是现今航空发动机燃烧室发展的核心要求。

现代航空发动机燃烧室采用了新的技术和结构来满足上述不断增长的要求,包括空气和燃料分级燃烧技术、贫油预混预蒸发(LPP)技术和富油-快速掺混-贫油(RQL)技术,随之产生的浮壁式火焰筒、分区供油结构、分区燃烧结构等。

浮壁结构:常规燃烧室由圆环轴向搭接起来,形成类似百叶窗的带缝型面,在开缝处射入冷空气以冷却火焰筒,由于圆环所受的应力太高造成火焰筒寿命过短。采用浮壁式火焰筒结构设计可以将圆环分段或分块,使应力减小、寿命增加,分块式结构又为使用其他材料创造了好的条件,如使用高熔点材料,同时可以采用先进的冷却技术,使冷却效果更好。经过不断的实践检验,浮壁式火焰筒已经得到了比较广泛的应用,如国际航空发动机公司(IAE)研制生产的V2500发动机等。

分区供油结构:在高温升燃烧室中,正常工作状态下主燃区的空气流量占大约50%,慢车功率状态时容易造成贫油熄火。采用分区供油来调节主燃区油气比,可实现在小功率状态下提供局部富油,确保发动机能正常工作。在起飞、高空点火和慢车状态工作条件下,用阀门控制部分燃油喷嘴接通供油,在高于慢车状态工作条件下,所有燃油喷嘴接通供油。

分区燃烧:GE公司的双环预混旋流燃烧室(TAPS),该燃烧室带有并列燃烧区,其外环是预燃区,内环是主燃区。采用贫油直接混合燃烧(LDM)技术,在起动、高空点火和慢车状态时,只有预燃区喷油工作,因为预燃区空气流速较低,适当富油以利于点火起动及慢车的燃烧效率。在大功率状态下,内外环腔都工作,使两个燃烧区在传统温升条件下提供贫油油气比,在高温升的条件下提供接近化学当量比的油气比。普惠公司的TALON-X燃烧室,带有串列燃烧区,其前端是预燃区,后端是主燃区,分别带有喷嘴,采用“富油-快速掺混-贫油”低污染燃烧技术,其工作方式与双环腔燃烧室类似。

作者:发动机审定中心

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