燃气涡轮发动机-燃烧室（课件）
燃气涡轮发动机
林兆福
第5章 燃烧室
第5章 燃烧室
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燃烧室是燃气涡轮发动机的重要部件,位于 压气机和涡轮之间,其功用是把高压空气与 燃油混合燃烧,将化学能转变为热能,形成高 温高压的燃气
5.1 对燃烧室的基本要求
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点火可靠、
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燃烧稳定、
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燃烧完全、
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总压损失小、
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尺寸小、
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出口温度分布满足要求、
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排气污染小。
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寿命长。
5.1 对燃烧室的基本要求
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一、点火可靠.
地面和空中
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影响点火可靠性的主要因素是燃油与空气的比例,描写 燃油与空气比例的参数有油气比、余气系数和当量比 等
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1、油气比.
进入燃烧室的燃油的流量与进入燃烧室的空气流量的比值
5.1 对燃烧室的基本要求
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2、余气系数.
进入燃烧室的空气流量与进入燃烧室的燃油流量完全 燃烧所需要的理论空气量之比
进入燃烧室的空气流量;
进入燃烧室的燃油流量
理论空气量
理论空气量是一公斤燃油 完全燃烧所需要的最少空气 量。对于航空煤油,理论空气 量为: 14.7公斤空气／公斤燃 油
5.1 对燃烧室的基本要求
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余气系数的物理意义.
是表示贫油和富油的程度.
＜１时为富油;
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＞１时为贫油;
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航空发动机的余气系数一般为3.5－4.5 。
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由此可以看出,进入发动机的空气只有少部分用 于燃烧,而大部分空气是用于与高温燃气混合降 温,满足涡轮对温度的要求.
5.1 对燃烧室的基本要求
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二、燃烧要稳定.
要求燃烧室在点燃以后,必须在规定的全部飞行 高度和速度范围内都能保证稳定燃烧而不被吹 熄.
稳定燃烧的条件是:燃烧时的气流速度等于火焰的传 播速度,即
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燃烧稳定性是用在一定的进气条件下,能稳定燃烧的 贫油、富油极限之间的余气系数范围来表示,此范围 越宽,表示燃烧稳定性越好
5.1 对燃烧室的基本要求
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三、燃烧完全.
衡量燃烧完全的程度, 常用燃烧效率和燃烧完全系 数来表示。.
燃烧完全系数是一公斤燃油燃烧后实际放出的热量与一 公斤燃油燃烧理论上释放出的热量之比 。
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燃烧效率是一公斤燃油燃烧后气体实际吸收的热量与一 公斤燃油燃烧理论上释放出的热量之比 。
5.1 对燃烧室的基本要求
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四、总压损失小.
燃烧室的总压恢复系数是: 燃烧室出口处的总压与燃烧 室进口处的总压之比 ：
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总压恢复系数是小于1的数字。
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其物理意义是描写损失的大小：总压恢复系数大，则 损失小。.
扩压产生的流阻损失
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空气从小孔,缝隙流入燃烧室时的摩擦损失
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冷热气流掺混造成的损失
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加热(燃烧)造成的热阻损失
5.1 对燃烧室的基本要求
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五、燃烧室的尺寸要小.
为了提高发动机的推重比,缩短燃烧室的长度,这不但可以减轻燃烧 室的重量,也可以缩短压气机和涡轮之间的距离,从而可以减轻机匣 和转子的重量。减小燃烧室的直径，以减小发动机的迎风面积,提 高发动机的迎面推力
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容热强度.
在单位压力和单位燃烧室容积中,一个小时之内,进入 燃烧室的燃油燃烧实际所释放出的热量
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容热强度大，表示燃烧室的尺寸小；
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容热强度小，表示燃烧室的尺寸大。
5.1 对燃烧室的基本要求
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六、出口温度分布要满足要求.
首先, 火焰除点火过程的短暂时间外,不得伸出燃烧室
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其次, 在燃烧室出口环形通道上温度分布要尽可能均 匀, 即同一个环上各处的温度相差不能太大。在出口 环腔内最高温度与平均温度之差不得超过100－ 120℃
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第三, 在径向上: 靠近涡轮叶片叶尖和叶根处的温度 应低一些, 而在距叶尖大约三分之一处温度最高
5.1 对燃烧室的基本要求
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七、燃烧产物对大气的污染要小.
燃烧室排放的污染物, 除了因燃油中含硫而生 成的SO2外, 通常还有CO、HC、NO2、NO、 烟等
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污染物的含量随发动机的工作状态而变化,其规 律如下图所示
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燃气涡轮发动机除了有排气污染,还有噪音污染.
5.1 对燃烧室的基本要求
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八、寿命长.
在航空发动机中, 燃烧室在高温情况下工作, 条 件十分恶劣, 往往需要经常检修或更换零件,合 理地组织燃烧和冷却, 或采用高性能耐热材料 等,以提高燃烧室的寿命
5.2 燃烧室的分类
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涡轮喷气发动机的燃烧室有三种基本的结 构形式, 如下图所示,它们是管式燃烧室、环 式燃烧室和管环式燃烧室
5.2 燃烧室的分类 -管式燃烧室
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一、管式燃烧室.
单独的火焰筒
和外套
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旋流器, 喷油嘴
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联焰管
5.2 燃烧室的分类 -管式燃烧室
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扩压通道
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火焰筒
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连焰管 :传焰 ,均压
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喷油嘴 :雾化
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旋流器 :回流区
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点火装置
5.2 燃烧室的分类 - 管环式燃烧室
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二、管环式燃烧室.
火焰筒：燃油与空气进 行混合燃烧，第二股进 气和燃气掺混降低温 度。
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结构比较紧凑, 致使发 动机的直径较小, 外壳 体可以传递扭矩, 从而 改善发动机整体刚性, 有利于减轻发动机的结 构重量。
5.2 燃烧室的分类 -管环形燃烧室
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二、管环形燃烧室.
火焰筒：是一个在侧壁面上开有多排直径大小不同形状各 异的孔及缝的薄壁金属结构,燃烧在其内部进行,保证燃烧 充分,掺混均匀并使壁面得到冷却，第二股进气和燃气掺混 降低温度。
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连焰管：起着传播火焰, 点燃没有点火装置的火焰筒内的 燃油,并起着均衡压力的作用。
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喷油嘴：用来供油, 并使燃油雾化, 以提高火焰传播速度, 利于燃烧。
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旋流器：使进气在叶片的引导下旋转, 形成回流区, 保证火 焰稳定。
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点火装置：产生高能火花,点燃燃油。
5.2 燃烧室的分类 - 环形燃烧室
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三、环形燃烧室.
直流环型燃烧室
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回流环型燃烧室
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折流环型燃烧室
环形燃烧室的优点：环形面积利用率高，迎风面积小，重量较轻，点火 性能好，总压损失小，出口温度分布能满足要求，结构最紧凑。
回流环型燃烧室,发动机的涡轮安装在燃气往后回流的位置上,被燃烧室所 包围,因此压气机和涡轮的距离短,轴短,发动机的轴向尺寸短。减轻了 发动机的重量,对提高压气机和涡轮轴的临界转速也有好处,回流式环型 燃烧室由于气流通道较长,油气混合比较均匀,因此减少了排气污染,降 低了发烟度.
5.2 燃烧室的分类 -管环形燃烧室
5.2 燃烧室的分类 - 环形燃烧室
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由四个同心圆筒组成
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最内、最外的两个圆筒为 燃烧室的内、外壳体
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中间两个圆筒为火焰筒
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在火焰筒的头部装有一圈 旋流器和喷油嘴
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环型燃烧室多用于轴流式 压气机的发动机
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由于其结构最紧凑, 性能 比较好, 近来很多发动机 都采用环式燃烧室
5.3 燃烧室的稳定燃烧－稳定燃烧条件
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一、稳定燃烧的条件.
燃烧时的气流速度等于火焰的传播速度
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为了稳定燃烧：所以必须想法：.
降低空气的流速
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提高火焰的传播速度,
以保证能达到稳定燃烧的条件。
燃烧室的工作特点
燃烧在高速气流中进行,
燃烧后的温度将受到限制.
5.3 燃烧室的稳定燃烧 －降低空气流速
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二、降低空气的流速.
１．扩散器
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２．旋流器
5.3 燃烧室的分类 -管环形燃烧室
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旋流器：.
旋流器是由若干旋流片按一定角度沿周向排列成的。当空 气流过旋流器时,由轴向运动变成旋转运动, 气流被惯性 离心力甩向四周, 使燃烧室中心部分空气稀薄, 形成一个 低压区, 于是火焰筒四周的空气及后部一部分高温燃气便 向火焰筒中心的低压区倒流, 形成回流,在燃烧室中, 有 回流的地方叫做回流区。使火焰筒内同一个截面上的气流 速度不相等, 于是在主流区形成稳定的点火源，保证稳定 燃烧。
5.3 燃烧室的稳定燃烧 －降低空气流速
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3、分股进气.
第一股由燃烧室的头部经 过旋流器进入, 这股空气 占总进气量的25％左右,其 功用是与燃油混合, 组成 余气系数稍小于1的混合 气, 进行燃烧。
第二股由火焰筒侧壁上开的小孔及缝隙进入燃 烧室, 这股空气占总进气量的75％左右,其功 用是:降低空气的流速; 进行补充燃烧;与燃气 进行掺混,降低燃气的温度, 控制燃烧室出口 处的温度分布, 以满足涡轮对温度的要求;冷 却火焰筒的外壁,同时冷的空气在火焰筒的内 壁形成一个气膜, 将高温燃气与火焰筒的内壁 分开而不直接接触, 来冷却保护火焰筒。
5.3 燃烧室的稳定燃烧 －影响火焰传播速度的因素
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影响火焰传播速度的因素主 要有: 余气系数; 混合气的 初温、初压; 燃油的雾化程 度; 混合气的流态。
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余气系数α: 试验证明, 在混 合气的余气系数α稍小于１ 时, 火焰传播速度最大。
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混合气的初温、初压: 混合 气的初温、初压越高, 火焰 传播速度越大。
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燃油的雾化程度: 燃油的雾化程 度用雾化油滴直径的大小来描 述, 油滴直径越小,说明燃油雾化 的质量越高。
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混合气的流态: 流态分为层流流 动状态和紊流流动状态两种, 紊 流时火焰的传播速度大于层流 时火焰的传播速度。促使燃油 迅速汽化
5.3 燃烧室的分类 -提高火焰的传播速度
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混合气的流态:.
流态分为层流流动状态和紊流流动状态两种,
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紊流时火焰的传播速度大于层流时火焰的传播速度。
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当气体作紊流流动时, 气体微团的运动极为紊乱,使火焰前锋的表面极不规则, 犹如 锯齿状, 而且随着紊流强度的增大,某些正在燃烧的气团可能脱离火焰前锋而进入新 鲜混合气中, 某些新鲜混合气的气团也可能穿入火焰前锋, 使火焰前锋面碎裂,形成 犬牙交错的形状,这就大大地增大了燃气与新鲜混合气的接触面积、向混合气传递的 热量和活性中心的扩散作用, 使火焰的传播速度显著地增大。一般说来, 紊流状态时 的火焰传播速度比静止时要大二十多倍。
5.3 燃烧室的稳定燃烧 －提高火焰传播速度
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2、提高火焰传播速度 的方法.
促使燃油迅速汽化.
燃油雾化的质量
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燃油周围的温度
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燃油喷嘴.
离心式喷油嘴
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气动式喷油嘴
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蒸发管式喷油嘴
双路离心式
燃油喷嘴
5.3 燃烧室的稳定燃烧 －提高火焰传播速度
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组成余气系数合适的混合气
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增大紊流强度的方法.
旋流器 ：叶片式和非叶片式
5.3 燃烧室的稳定燃烧－燃烧室的分区
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燃烧室的分区.
燃烧室可分为：主燃区，补燃区和掺混区。.
主燃区：占总进气量的25％左右,其功用是与燃油混合, 组成余气系数稍小于1的混合气, 进行燃烧。
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补燃区：第二股气流与剩下的燃油进行补充燃烧。
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掺混区：第二股气流与燃气进行掺混,降低燃气的温度, 控制燃烧室出口处的温度分布, 以满足涡轮对温度的要 求;冷却火焰筒的外壁,同时冷的空气在火焰筒的内壁形 成一个气膜, 将高温燃气与火焰筒的内壁分开而不直接 接触, 来冷却保护火焰筒。
5.3 燃烧室的稳定燃烧－漏油活门
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燃烧室中安装漏油活门的主要作用是:.
发动机停车时放掉剩余的燃油, 防止复燃;
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防止形成胶质沉淀物;
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也防止在下次起动时这些剩余的燃油燃烧。
5.3 燃烧室的稳定燃烧－燃烧室常见故障
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五、燃烧室常见故障.
局部过热.
温差过大, 而引起火焰筒变形或裂纹。
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原因有燃油分布不均匀和空气流动遭到破坏。.
喷油嘴的孔径发生变化或喷油嘴安装偏斜。
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火焰筒变形, 火焰筒安装不正确或喷油量过大。
5.3 燃烧室的稳定燃烧－燃烧室常见故障
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熄火.
熄火分为贫油和富油熄火, 其根本原 因是余气系数超出稳定燃烧的范围。.
进气速度越大,稳定燃烧的范围越小;
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飞行高度越高,稳定燃烧的范围越小。
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防止熄火应按规定使用飞机和发动机, 操作应柔和。
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加强对防喘系统的检查, 使之处于良好的状态,防止因喘 导致熄火停车。
思考题
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1.用速度三角形来解释防喘机构的原理（压气机中间放气 防喘，静子叶片可调防喘，采用多转子防喘）
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2.燃烧室是如何保持火焰的稳定的？
第5章 燃烧室
END
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