燃燒室和噴管

燃燒室和噴管第1頁(yè)/共50頁(yè)第4章

燃燒室、加力燃燒室和尾噴管

BurnerandNozzle第2頁(yè)/共50頁(yè)4.1燃燒的基本知識(shí)要在空氣流中連續(xù)不斷的噴入燃油，形成火焰，穩(wěn)定燃燒，必須滿足以下兩個(gè)條件：一、油氣比在一定的范圍內(nèi)

實(shí)際噴入燃油量與理論所需燃油量之比稱(chēng)為燃料系數(shù)用β表示；實(shí)際空氣量與理論所需空氣量之比稱(chēng)為空氣系數(shù)或稱(chēng)為余氣系數(shù)，以α表示。β<1或α>1表示噴入空氣的燃油較少，燃燒后不足以將空氣中的氧氣燃燒完，這種情況稱(chēng)為貧油；β>1或α<1則表示噴入空氣的燃油太多，將空氣中的氧氣燒完后還有剩余的燃油，這種情況稱(chēng)為富油。

在一定的貧油或富油的范圍內(nèi)(油氣比范圍內(nèi))才能進(jìn)行燃燒，過(guò)于貧油或富油是無(wú)法進(jìn)行燃燒化學(xué)反應(yīng)的?？梢赃M(jìn)行燃燒的油氣比范圍與油氣混合后的混氣壓力和溫度有極大的關(guān)系。第3頁(yè)/共50頁(yè)4.1燃燒的基本知識(shí)二、火焰周?chē)鷼饬魉俣缺仨毜陀诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?/p>

β=1的均勻混氣在常溫常壓下火焰的傳播速度遠(yuǎn)低于1m/s，在紊流的氣流中，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兴岣撸苓_(dá)到每秒數(shù)米或十多米，這與氣流的紊流度有很大的關(guān)系。要使火焰能穩(wěn)定燃燒，它周?chē)臍饬魉俣缺仨毜陀诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣取５?頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）一、功能、工作環(huán)境功能燃料與空氣摻混燃燒，將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能。工作環(huán)境進(jìn)口氣流速度大體積小出口溫度受渦輪耐熱強(qiáng)度限制工作條件變化范圍寬第5頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）二、主燃燒室為組織火焰、穩(wěn)定燃燒所采取的結(jié)構(gòu)措施兩個(gè)難題：壓氣機(jī)出口的氣流速度一般在150m/s左右；受渦輪材料耐熱性的限制，燃燒室出口的燃?xì)鉁囟纫话阍?200～1700K范圍內(nèi)，相當(dāng)于燃料系數(shù)β大約在0.25～0.4范圍內(nèi)。1、在燃燒室內(nèi)設(shè)置火焰筒設(shè)置火焰筒，使空氣從火焰筒壁上的圓孔或氣膜縫隙進(jìn)入火焰筒內(nèi)，在噴入燃油的火焰筒頭部，根據(jù)需要設(shè)計(jì)一定數(shù)量的圓孔和縫隙，以保證火焰筒頭部的燃料系數(shù)達(dá)到β=1左右。噴入燃燒室的燃油在火焰筒頭部進(jìn)行燃燒后溫度可達(dá)到2000K以上，燃燒后的高溫燃?xì)庠诨鹧嫱埠蟛颗c進(jìn)入的二股冷卻空氣相滲混，使燃?xì)鉁囟冗_(dá)到所需要的數(shù)值。第6頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）二、主燃燒室為組織火焰、穩(wěn)定燃燒所采取的結(jié)構(gòu)措施2、在火焰筒頭部噴油嘴周?chē)O(shè)置空氣擾流器在火焰筒頭部噴油嘴周?chē)O(shè)置空氣擾流器，使空氣在火焰筒頭部?jī)?nèi)形成旋渦，旋渦中心為低壓區(qū)，使一部分已經(jīng)燃燒的高溫燃?xì)獾沽骰貋?lái)形成回流區(qū)，不斷點(diǎn)燃由燃油霧滴蒸發(fā)形成的新鮮混氣。第7頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）噴油嘴一般主燃燒室都采用離心式噴油嘴，在高壓作用下燃油經(jīng)噴油嘴高速旋轉(zhuǎn)噴出，與噴嘴外空氣相撞擊形成極細(xì)小的霧化油滴，并很快蒸發(fā)與空氣混合，形成新鮮混氣。第8頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）噴油嘴燃油噴嘴的另一種形式叫蒸發(fā)管。燃油由噴油管?chē)姵?，與來(lái)自壓氣機(jī)的一部分空氣在蒸發(fā)管內(nèi)摻混，并經(jīng)T型熱管壁加熱蒸發(fā)。使用蒸發(fā)管的燃燒室燃燒效率較高、不冒煙，出口溫度場(chǎng)也比較均勻，不隨噴油量的變動(dòng)而變化。蒸發(fā)管式供油裝置與環(huán)形燃燒室配合，得到了廣泛使用。第9頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）噴油嘴氣動(dòng)霧化噴嘴，簡(jiǎn)稱(chēng)氣動(dòng)噴嘴。圖為RB211發(fā)動(dòng)機(jī)所用的氣動(dòng)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。氣動(dòng)噴嘴可大大降低發(fā)煙度和熱輻射量，且不必要高壓油泵，出口溫度場(chǎng)也均勻穩(wěn)定。第10頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）點(diǎn)火裝置利用外電源，使高壓火花塞打火，將起動(dòng)噴油嘴噴出的燃料和空氣或氧氣的混合氣體加熱到著火溫度，使它首先燃燒，然后再依靠這個(gè)起動(dòng)噴嘴火焰點(diǎn)燃整個(gè)燃燒室。燃燒室點(diǎn)燃以后，點(diǎn)火裝置即停止工作。三、主燃燒室的點(diǎn)火裝置第11頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）主燃燒室有三種基本結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)喂苋紵?、?lián)管燃燒室和環(huán)形燃燒室。四、主燃燒室的結(jié)構(gòu)形式第12頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）1、單管燃燒室：?jiǎn)喂苋紵矣啥鄠€(gè)(一般是8～16個(gè))單個(gè)燃燒室組成。它們之間有聯(lián)焰管相聯(lián)，起傳播火焰和均壓的作用。每個(gè)單管燃燒室各有自己?jiǎn)为?dú)的火焰筒和外套。四、主燃燒室的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點(diǎn):實(shí)驗(yàn)調(diào)試用氣少便于拆換缺點(diǎn):迎風(fēng)面大出口溫度場(chǎng)不均勻重量大第13頁(yè)/共50頁(yè)WP5發(fā)動(dòng)機(jī)第14頁(yè)/共50頁(yè)第15頁(yè)/共50頁(yè)第16頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室2、聯(lián)管燃燒室：聯(lián)管燃燒室也是有單獨(dú)的火焰筒。但是這些火焰筒被包容在一個(gè)共同的環(huán)形腔道里。聯(lián)管燃燒室的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，外殼可傳遞扭矩，因而有利于減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。此外，它的火焰筒與單管燃燒室相似，因而對(duì)設(shè)計(jì)調(diào)試仍較方便。四、主燃燒室的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點(diǎn):減輕重量和減小迎風(fēng)面單獨(dú)火焰筒便于調(diào)試，拆換方便缺點(diǎn):出口溫度場(chǎng)周向不均勻第17頁(yè)/共50頁(yè)第18頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室3、環(huán)形燃燒室：典型的環(huán)形燃燒室由四個(gè)同心的圓筒組成。在燃燒室的外機(jī)匣和內(nèi)殼所形成的腔道中，安裝著環(huán)形的火焰筒。在火焰筒的頭部裝有一圈燃油噴嘴和火焰穩(wěn)定裝置。四、主燃燒室的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點(diǎn):與壓氣機(jī)、渦輪的環(huán)形通道氣動(dòng)配合好，減少流動(dòng)損失出口溫度場(chǎng)均勻，重量輕、迎風(fēng)面小缺點(diǎn):噴油與進(jìn)氣不易配合，調(diào)試需大型氣源，裝拆維護(hù)較困難第19頁(yè)/共50頁(yè)第20頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）1、燃燒穩(wěn)定、點(diǎn)火可靠：要求燃燒室在飛機(jī)飛行包線的所有范圍內(nèi)，以及飛機(jī)作各種機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)急劇變化的情況下都能穩(wěn)定燃燒，不熄火。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在地面條件下起動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)在空中熄火停車(chē)后重新起動(dòng)時(shí)，燃燒室應(yīng)點(diǎn)火可靠，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)能及時(shí)起動(dòng)、安全飛行。五、主燃燒室基本性能要求第21頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）2、燃燒效率高燃燒效率：燃油實(shí)際用于加熱工質(zhì)的熱量與燃油完全燃燒時(shí)的放熱量之比，亦稱(chēng)焓增燃燒效率。五、主燃燒室基本性能要求有的文獻(xiàn)常用溫升燃燒效率來(lái)反映燃燒完全程度。溫升燃燒效率是燃燒室中由燃料燃燒引起的實(shí)際溫升與理論計(jì)算的理論溫升之比。第22頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）3、壓力損失小：燃燒室中氣體的流動(dòng)阻力和燃?xì)饧訜釙r(shí)的熱阻使氣體流經(jīng)燃燒室時(shí)壓力稍有下降。氣體的總壓損失會(huì)導(dǎo)致航空燃?xì)廨啓C(jī)單位推力(或單位輸出功率)減小，耗油率上升，因此應(yīng)當(dāng)盡可能地減小總壓損失。常用總壓恢復(fù)系數(shù)來(lái)表示主燃燒室的總壓損失。主燃燒室的總壓恢復(fù)系數(shù)在0.92～0.96范圍內(nèi)。五、主燃燒室基本性能要求第23頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）4、燃燒室出口溫度場(chǎng)應(yīng)按所要求的規(guī)律分布：要求燃?xì)庋匕霃降闹芟蚱骄鶞囟热缦聢D所示的規(guī)律分布五、主燃燒室基本性能要求渦輪葉片產(chǎn)生的離心力都通過(guò)葉片根部傳到輪盤(pán)上，葉片根部受力大。所以要求燃?xì)鉁囟鹊托?。葉尖很薄，強(qiáng)度剛度較差，也要求燃?xì)鉁囟鹊托?。在離葉尖約為葉片高度的1/3處，燃?xì)鉁囟瓤梢赃_(dá)最高值。第24頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）5、尺寸小，發(fā)熱量大：縮短燃燒室長(zhǎng)度不僅可以減輕燃燒室的重量，而且還可以縮短壓氣機(jī)和渦輪之間的距離，從而減輕機(jī)匣和轉(zhuǎn)子的重量。燃燒室尺寸的大小，是用燃燒室容熱強(qiáng)度衡量，容熱強(qiáng)度的定義是每立方米的燃燒室容積里在單位壓力下每小時(shí)實(shí)際放出多少熱量。五、主燃燒室基本性能要求第25頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）6、減少排氣污染：不僅要求燃燒完全，限制一氧化碳的產(chǎn)生，還要限制火焰燃燒區(qū)的溫度不要太高避免氮氧化物的產(chǎn)生。五、主燃燒室基本性能要求上述六點(diǎn)要求相互之間存在矛盾，特別是為減輕重量而縮短燃燒室長(zhǎng)度，這將影響燃燒完全的程度、溫度場(chǎng)的分布以及在燃燒室頭部的擴(kuò)壓損失。所以，必須全面考慮，綜合權(quán)衡。第26頁(yè)/共50頁(yè)4.2主燃燒室（Burner）六、主燃燒室特性主燃燒室的特性，通常是指①燃燒效率；②燃燒室壓力損失；③燃燒穩(wěn)定性(熄火特性)；隨著燃燒室進(jìn)口氣流參數(shù)和油氣比(或余氣系數(shù))的變化規(guī)律。第27頁(yè)/共50頁(yè)一個(gè)已經(jīng)制成的燃燒室，燃燒效率主要受以下四個(gè)參數(shù)的影響：

①燃燒室進(jìn)口壓力p*3；

②燃燒室進(jìn)口溫度T*3；

③燃燒室進(jìn)口空氣流速c3或通過(guò)燃燒室的空氣容積流量qva；

④燃燒室的油氣比f(wàn)或余氣系數(shù)α。1.主燃燒室效率特性

第28頁(yè)/共50頁(yè)2.主燃燒室壓力損失特性

燃燒室的總壓損失與氣流的動(dòng)壓有直接的關(guān)系。由于燃燒室內(nèi)各處氣流速度差別極大，可以用由燃燒室進(jìn)口的空氣密度、空氣流量和燃燒室最大截面積算出的假想速度來(lái)代表：燃燒室的總壓損失可以通過(guò)流阻系數(shù)來(lái)計(jì)算，流阻系數(shù)作為燃燒室的總壓損失與氣流的動(dòng)壓之間的比例系數(shù)；數(shù)值主要由主燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定。第29頁(yè)/共50頁(yè)3.主燃燒室熄火特性

主燃燒室的燃燒穩(wěn)定工作范圍，隨著燃燒室進(jìn)口空氣流速c3的增加而縮小，下圖為主燃燒室熄火特性圖。第30頁(yè)/共50頁(yè)在短時(shí)間內(nèi)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)加力。加力可以有不同的方法，在渦輪出口設(shè)置加力燃燒室是增加推力的有效方法之一。空氣通過(guò)主燃燒室后尚有2/3～3/4的氧氣沒(méi)有燃燒，在加力燃燒室中進(jìn)一步噴油燃燒可以提高燃?xì)鉁囟?，增大尾噴管出口燃?xì)獾膰娚渌俣?，以增大發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。

4.3加力燃燒室（Afterburner

）第31頁(yè)/共50頁(yè)4.3加力燃燒室（Afterburner

）第32頁(yè)/共50頁(yè)4.3加力燃燒室（Afterburner

）加力燃燒室由擴(kuò)壓器、噴油系統(tǒng)、點(diǎn)火器和火焰穩(wěn)定器等組合件組成。第33頁(yè)/共50頁(yè)4.3加力燃燒室（Afterburner

）振蕩燃燒的現(xiàn)象：加力燃燒室內(nèi)的壓力產(chǎn)生脈動(dòng)，其脈動(dòng)頻率可以從數(shù)赫到數(shù)千赫，其壓力脈動(dòng)的幅度也可以有很大的差別。原因：加力燃燒室筒體內(nèi)是高速流動(dòng)的燃?xì)庵?，有其一定的共嗚頻率。激振的能源就是加力燃油和加力燃燒火焰。振源可以來(lái)自多方面，如旋轉(zhuǎn)渦輪排出氣體是不均勻的脈動(dòng)流場(chǎng)、加力燃燒室火焰穩(wěn)定器后面回流區(qū)的尾渦不規(guī)則的脫落，和加力燃燒火焰本身不穩(wěn)定地脈動(dòng)等。危害：若振蕩頻率為數(shù)百赫以下的中頻或低頻振蕩時(shí)，其壓力脈動(dòng)幅度一般較大，不僅造成強(qiáng)烈的轟鳴聲，而且會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)零件損壞，甚至造成加力燃燒室熄火和發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)。第34頁(yè)/共50頁(yè)4.3加力燃燒室（Afterburner

）避免振蕩燃燒的方法：①減弱造成振蕩燃燒的激振源，如改變加力燃燒室中火焰穩(wěn)定器形狀的設(shè)計(jì)，采用沙丘式火焰穩(wěn)定器就具有較好的抗振蕩燃燒性能。②設(shè)置阻尼裝置，常在加力燃燒室簡(jiǎn)體內(nèi)壁增加一層波紋多孔防振屏，它對(duì)振波產(chǎn)生漫散反射，削弱了反射波的能量。目前許多加力燃燒室都采用這種防振方法。第35頁(yè)/共50頁(yè)4.4尾噴管（Exhaustnozzle

）噴管的功能是將從渦輪(或加力燃燒室)流出的燃?xì)馀蛎浖铀伲瑢⑷細(xì)庵械囊徊糠譄犰兽D(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，從尾噴管高速?lài)姵?，產(chǎn)生反作用推力。

第36頁(yè)/共50頁(yè)反推裝置第37頁(yè)/共50頁(yè)反推裝置第38頁(yè)/共50頁(yè)垂直/短距起降噴管推力矢量噴管第39頁(yè)/共50頁(yè)EJ200矢量噴管第40頁(yè)/共50頁(yè)F100-PW-229矢量噴管第41頁(yè)/共50頁(yè)F119矢量噴管第42頁(yè)/共50頁(yè)第43頁(yè)/共50頁(yè)亞聲噴管與超聲噴管根據(jù)尾噴管出口氣流噴射速流的不同，可以分為亞聲速?lài)姽芎统曀賴(lài)姽軆深?lèi)。亞聲速?lài)姽転槭諗啃螄姽?，超聲速?lài)姽転槭諗繑U(kuò)張形噴管。尾噴管的壓力降(或稱(chēng)膨脹比)以進(jìn)口截面的總壓與出口截面以外的外界大氣壓力之比來(lái)表示能使尾噴管出口氣流速度達(dá)到聲速的膨脹比稱(chēng)為臨界膨脹比渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)在地面工作時(shí)尾噴管的膨脹比根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同可以在很大范圍內(nèi)變化，很多發(fā)動(dòng)機(jī)πe在1.5～2.5范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在超聲速條件下飛行時(shí)，由于進(jìn)氣道的沖壓增壓，尾噴管的膨脹比將大得多。第44頁(yè)/共50頁(yè)噴管流動(dòng)損失的計(jì)算

氣體的流動(dòng)損失可以用