航空發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)第五章燃燒室設(shè)計(jì)新技術(shù)

1、ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit第五章 燃燒室設(shè)計(jì)新技術(shù) 目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求燃燒室在非常寬的工作條件下具有良好的性能，并且具有良好的燃燒效率和低的冒煙值。 燃燒室噴嘴在小流量的條件下霧化質(zhì)量直接影響高空飛行的工作穩(wěn)定性，燃燒室出口溫度的均勻直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性和使用壽命。 故提高燃油噴嘴霧化質(zhì)量，改善滿負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)燃燒室的出口溫度是新型燃燒室設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit常規(guī)燃燒室見5-1圖5-2：有兩個(gè)燃燒區(qū)，

2、分別為一貧油一富油區(qū)，目的為了提高燃燒效率。適當(dāng)增加空氣流量。圖5-3：在小載荷狀態(tài)啟用預(yù)燃級(jí)噴嘴噴油以提高燃油霧化質(zhì)量。增大發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性。圖5-4：更好的控制主燃燒室燃油的霧化質(zhì)量，改善燃燒室的工作穩(wěn)定性和出口場(chǎng)溫度。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit四圖的優(yōu)缺點(diǎn)見表5-1ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit5.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析（1）燃燒室出口溫度場(chǎng)對(duì)比分析5-5、5-6、5-7（a、b）哪種燃燒室溫度分布均勻？（2）燃燒室的冒煙特

3、性圖5-9給出了扇形試驗(yàn)件的冒險(xiǎn)特性試驗(yàn)結(jié)果，表明：新設(shè)計(jì)的多旋流器燃燒室比現(xiàn)役短燃燒室油氣比高很多。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit（3）燃燒效率圖5-10多旋流器燃燒室增大了當(dāng)量功率，增寬了油氣比的工作范圍，具有平穩(wěn)的燃燒效率圖5-11表明：采用多旋流燃燒室對(duì)于不同的狀態(tài)，開啟不同的燃燒室與功率的關(guān)系。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit 5.2新型的燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.2.1 陶瓷基復(fù)合發(fā)汗冷卻火焰筒試驗(yàn)證明，該火焰筒能在2000K的平

4、均溫度下進(jìn)行工作，并且具備一定的發(fā)展?jié)摿?.2.2 碳化硅復(fù)合材料火焰筒允許火焰筒工作溫度高達(dá)14805.2.3 富貧快速摻混燃燒室如圖所示，此種發(fā)動(dòng)機(jī)在很高的工作溫度水平上，劇本高的熱容強(qiáng)度和低的燃燒室環(huán)面溫度系數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)具備很好的耐熱性ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit5.2.4 瓦片式內(nèi)壁燃燒室可以是合金也可以是陶瓷，主要優(yōu)點(diǎn)是受熱件不承力，并與氣膜冷卻相結(jié)合使用，可大大提高燃燒室的工作壽命和可靠性ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit

5、5.3 復(fù)合材料和新型冷卻技術(shù)的應(yīng)用研究5.3.1柔性金屬 / 陶瓷壁火焰筒結(jié)構(gòu)如圖5-16所示，設(shè)計(jì)工作溫度可達(dá)1922K目前采用氣膜發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度在1650K，而此種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作溫度在1900K左右。圖5-17給出了采用此種CMC發(fā)動(dòng)機(jī)后空氣流量比一般的氣膜冷卻空氣流量可減少80%ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit5.3.2 多孔層板冷卻火焰筒如圖5-18所示當(dāng)冷卻空氣流過空層內(nèi)部時(shí)，帶走了火焰筒壁面熱量和內(nèi)部熱量，對(duì)火焰筒筒體冷卻效果提高ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與

6、原理 ProNextReturnExit 5.4 燃燒室相關(guān)其他技術(shù)1，多層燃油噴嘴圖5-19，采用多層噴嘴，多個(gè)噴射點(diǎn)，大大改善了燃燒的摻混程度。2，新型的三通道擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)（圖5-20）擴(kuò)壓器作用？采用鈦鋁合金整體三通道擴(kuò)壓器可以降低成本，改善燃燒室進(jìn)口氣流速度分布，并可以縮短燃燒室的長(zhǎng)度。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit3，旋渦式加力燃燒室采用獨(dú)特的火焰穩(wěn)定技術(shù)，可以縮短加力燃燒室的長(zhǎng)度，降低重量，提高工作穩(wěn)定性4，等離子點(diǎn)火器現(xiàn)役的點(diǎn)火器有哪些？作用：可以在較高的氣流速度下增加燃燒室的工作穩(wěn)定性ProNext

7、ReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit第六章 先進(jìn)高功率渦輪及轉(zhuǎn)子技術(shù)1，先進(jìn)高功率渦輪的技術(shù)特點(diǎn)要求：?jiǎn)渭?jí)渦輪比功率在目前使用的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)單級(jí)渦輪基礎(chǔ)上做功量提高14%，效率提高2.5%以上主要特點(diǎn)：1在較高的溫度環(huán)境下工作2提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，增大渦輪葉片進(jìn)出口氣流的速度，加大速度三角形的扭速。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit3仔細(xì)設(shè)計(jì)渦輪葉片的形狀4使用最好的材料加工渦輪葉片和渦輪盤5采用精密冷卻技術(shù)ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

8、航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit2，現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展技術(shù)，軟件和硬件的不斷提高，使得三維流體力學(xué)計(jì)算程序的開發(fā)在近幾年中已到達(dá)實(shí)用階段采用三維流體力學(xué)計(jì)算程序可以：提高單級(jí)渦輪做功能力減少二次流損失，提高渦輪效率了解渦輪表面的溫度場(chǎng)分布，指導(dǎo)渦輪冷卻空氣通道的設(shè)計(jì)ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit6計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用：深入研究葉尖氣流的復(fù)雜流動(dòng)和換熱過程動(dòng)態(tài)分析渦輪導(dǎo)向器與渦輪葉片的相互作用計(jì)算葉片表面的M數(shù)分布 研究葉片表面的M書分布隨時(shí)間的變化規(guī)律，有助于研究提高渦輪

9、葉片耐久性的相關(guān)措施ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit6.3高效渦輪冷卻技術(shù)1，提高單位流量空冷效率 前面講了，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作溫度1900K以上，僅靠材料本身的耐高溫性是難以滿足要求的，因此必須對(duì)渦輪進(jìn)行空冷。 而依靠空氣冷卻的效果十分有限，因此提高單位流量的空氣冷卻效果勢(shì)在必行，下面介紹三種方案： 強(qiáng)制冷卻渦輪冷卻空氣ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit綜合利用冷卻空氣的熱能，引出高壓壓氣機(jī)空氣冷卻后流入渦輪冷卻后做功進(jìn)一步改善葉片冷卻氣流

10、的流路，提高冷卻效果。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit2，提高渦輪葉片的冷卻效率第三代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪采用耐高溫合金第四代則必須采用單晶合金 此兩種渦輪葉片內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)難于加工，即內(nèi)部空氣流路因鑄造工藝技術(shù)過于復(fù)雜、精細(xì)，很難實(shí)現(xiàn)。使得三維仿真模擬渦輪內(nèi)部溫度場(chǎng)難以進(jìn)行。 因此美國(guó)提出了通過兩個(gè)半片渦輪黏貼成一個(gè)渦輪葉片 6-6ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit6-4 粘接技術(shù)和渦輪葉片連接 由第四章內(nèi)容知道：渦輪轉(zhuǎn)速的提高，渦輪盤承受的離心力

11、和自身的重量將增加，使得輪盤中心孔減小，無法設(shè)計(jì)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。 因此不減輕葉片重量，無法提高轉(zhuǎn)速，難以設(shè)計(jì)高功率的渦輪轉(zhuǎn)子。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit1，技術(shù)分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子重量占發(fā)動(dòng)機(jī)重量的25%左右，輪盤是主體，若能夠減輕葉片的重量，和葉片與輪盤連接部分的重量，就可以大大減輕渦輪輪盤的重量，從而減輕轉(zhuǎn)子部分重量。ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit2，采用葉片粘接新技術(shù)減輕渦輪轉(zhuǎn)子重量 放棄傳統(tǒng)的多齒連接方式，采用合金粘接技術(shù)，將葉

12、片和盤連接起來。 圖見6-7 效果見4-3 系數(shù)有所降低3，葉片的粘接技術(shù)簡(jiǎn)介（略）ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit6-5損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit6.6高性能渦輪部件的最新研究成果1，鈦合金基復(fù)合材料低壓渦輪軸此種軸與第三代合金渦輪軸比，可以減重30%，剛性提高40%，且壽命可靠性均有所提高2，低慣性，雙結(jié)構(gòu)渦輪盤 圖6-9ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNex

13、tReturnExit3，碳化硅-碳復(fù)合材料渦輪導(dǎo)向器特點(diǎn)：重量輕，成本低，耐高溫等性能4，整體式陶瓷材料渦輪葉片 特點(diǎn)：減輕了渦輪葉片的重量，而且可以承受較高的燃?xì)鉁囟?，碳基復(fù)合材料的渦輪部件 詳見P92ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit6，陶瓷基復(fù)合材料的渦輪過渡機(jī)匣特點(diǎn)：大幅度減輕機(jī)匣重量和冷卻空氣的流量7，鉬基和鈮基合金材料研究估計(jì)性能可以滿足第三階段目標(biāo)所需高溫葉片設(shè)計(jì)需求ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit第七章 矢量推進(jìn)技術(shù)矢

14、量：有方向有大小的量。標(biāo)量：只有大小，無方向的控制ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit膨脹比的概念：式中： 尾噴管進(jìn)口處總壓所在高度大氣壓力膨脹比：代表燃?xì)庠谶M(jìn)入尾噴管時(shí)壓力勢(shì)能的大小，或者說表示進(jìn)入尾噴管燃?xì)馀蛎浤芰Φ拇笮　?與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，飛機(jī)的飛行速度、高度有關(guān)系。p入*pp進(jìn)噴入*p進(jìn)ProNextReturnExit 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理 ProNextReturnExit落壓比：*pp進(jìn)落出式中： 燃?xì)饬鞒鑫矅娍诘撵o壓p出落壓比落壓比：燃?xì)馔ㄟ^尾噴管的實(shí)際膨脹程度，表示尾噴管工作性能好壞的參數(shù)顯然顯然： 完全膨脹 若不等，則不完全膨脹，即尾噴