第七章燃烧室的空气流动

第七章燃烧室的空气流动,7.1燃烧室流路设计7.2扩压器设计7.3旋流器设计7.4燃烧室冷却,燃烧室内不仅有非常复杂的气流流动，而且还供入燃料，在伴有强烈紊流交换（热交换和质量交换、动量交换）的情况下，进行着剧烈快速的释热化学反应（又与流动情况密切相关）。所有这些物理的和化学的过程都是在高速流动的气流中同时进行的，彼此之间既相互影响，又相互重叠，并且随着发动机工作状态的变化而变化。,7.1燃烧室流路设计,火焰筒各路进气的分配及功用,主燃烧室工作总体描述：空气分股，燃烧分区,在燃烧室内确定适当的气流分配是组织燃烧的基础。,空气流量的分配比例,图4空气流量分配结构图,4,1.旋流器进气：占5%10%空气量，这时=0.30.5作用：造成旋转气流，形成回流区，同时对油膜破碎雾化和掺混起作用。2.主燃孔进气：占20%空气量，这时=1左右作用：向头部主燃区恰当地供入新鲜空气，以补充旋流器空气与燃油配合的不足。头部的贫油设计与富油设计以此处的为准，在这个区，大部分燃料将烧完。旋流器进气加上主燃孔进气一般称第一股气流，即用于燃烧的，其余则用于掺混的谓之第二股气流。主燃孔的位置和大小至关重要，过前、过后、过大或过小都将会对主燃区的工作带来影响。,3.补燃孔进气：占10%空气量作用：补燃及掺混之间。由于在主燃孔截面前，燃油虽大部分燃完，但由于在回流区外气流速度较高且温度较低，油珠停留时间较短，尚来不及反应。另外，在燃烧区总有一些大油珠而未能烧完，而且当头部富油设计时，更需要补充空气使1。这段的补燃作用就十分明显，其目的是使燃油在此前尽可能烧完全。补燃段还把在主燃区中由于温度高于2000K发生的离解之燃烧产物重新化合成稳定的产物，将这部分热量重新释放出来。,4.掺混段进气：占25%30%作用：将上游已燃高温气流掺冷、掺匀至合理温度分布这部分空气虽亦有微弱的补燃作用，但它的主要作用是将上游已燃高温气流掺冷到合理的温度分布，达到涡轮可接受的程度。由于燃气温度在此段明显降低，反应几乎不再进行，同时也不会产生离解，燃气成分趋于稳定。在火焰筒中心部分由于旋流器对气流的旋转作用有可能引起中心涡束，它是个高温燃气热核心，也由于它处于中心位置，各类进气孔穿透深度不易达到，因此掺混段有少量引导孔（在空的火焰筒内边和引套）以便加强进气深度；将中心高温涡束吹散。,5.冷却火焰筒壁面用气：占35%作用：隔热、吸收冷却由于耐热材料的发展及涡轮冷却技术的改进，使逐渐减少，T4*不断提高，这就要求保护在高温下工作的火焰筒，因此大量采用壁面气膜冷却技术，有引导地并分段接力地将冷却空气沿火焰筒内壁面流动，一则用于隔热，二则用于吸热冷却，从当前大量实验和使用情况看，效果较好。随着航空发动机向高参数发展（所谓高温高压和高速），燃烧室进口和出口温度都有不断提高的趋势，可用于冷却的空气也越少，这将是未来火焰筒设计面临的又一困难问题。,在飞机燃气涡轮发动机的燃烧室进口扩压器部件中，从压气机来的高速空气流入扩压器，在进入燃烧室前相当一部分进口速度头转化为静压（PS）。现代大流量涡轮发动机的压气机以高负荷工作，通常其出口马赫数很高。由于压气机出口马赫数高，在压气机出口截面的速度头可以达到总压的10%。扩压器的作用就是将这个能量的大部分转化为静压，否则，结果形成高的总压损失，导致显著增高的单位燃油消耗率。,7.2设计扩压器,扩压器的性能必须对以下两点不敏感：进口速度分布和燃烧室相对于前置扩压器出口流路位置的几何变化。对于高进口马赫数的扩压器，增加扩压器长度可以有效地降低压力损失。但为了减少发动机的长度和重量，扩压器长度必须短。一个好的扩压器设计必须兼顾考虑压力损失和发动机长度之间的矛盾。,扩压器设计要求必需接受压气机出口高马赫数的燃烧室扩压器，其主要设计要求如下：压力损失小。通常，扩压器压力损失应该小于压气机出口总压的2%。长度短。可以使用一些特殊结构，例如环形分流片，以缩短长度。没有流动分离（短突扩区除外）。流动均匀，包括周向和径向。在所有的工作状态下，具有动态流动稳定性。对压气机出口流或出口流动状况的变化不敏感。,扩压器类型,（一）突扩扩压器,这种扩压器结构简单，气动上有效性高，而且具有较大的适应性，允许进口速度畸变和允许相对较大尺寸公差。,在这个设计中，来自压气机的空气进入一个短的等面积段，在这个等面积段中，从压气机出口导流叶片来的气流尾迹在进入前置扩压器之前被衰减。在扩压器壁面附近的气流尾迹会造成很高的损失和流动分离（Waitmanetal.,1960）。如果压气机出口马赫数很高，则前置扩压器需要较大的面积比。在从前置扩压器的出口（此处马赫数相对的较低，很大一部分速度头已经被转化）气流倾倒进入突扩区。在这一突扩区，气流分成三股：内、外气流分别进入燃烧室火焰筒的内、外通道，而中间的那股气流流入燃烧室头部区域。在当时的燃烧室中，这三股气流几乎是平均分配；而高温升燃烧室则要求中间一股气流量比例较大。,当气流倾倒进入火焰筒时，在突扩区会产生压力损失，如果在这一点处速度头相对较小，压力损失通常还是可以接受的。在燃烧室的整流罩前面，中间一股气流会产生自由流扩压现象。整流罩在燃烧室头部前的区域有很高的压力恢复和很小的压力损失。而这个燃烧室头部前的高压力恢复导致气流通过头部时有很高的压力损失，从而使通过头部旋流器的气流速度很大。为了使燃油和空气快速混合以获得高的燃烧效率和燃烧室内的温度均匀分布，必须使通过燃烧室头部开口的一股气流速度较高。,图6突扩扩压器示意图,15,压力损失用静压力恢复系数：,图7进口速度分布畸变对扩压器性能的影响,16,求扩压器的面积比：,图8二维扩压器扩压流动特性曲线,17,图9二维扩压器压力损失,18,图10压气机出口动压头与出口马赫数的关系,19,（二）空气动力学扩压器,这种空气动力学扩压器在压气机下游有一个短的前置扩压器和一个较长与前置扩压器出口截面连起来的燃烧室整流罩。前置扩压器典型的面积比一般为1.5-2.0，这样可以在燃烧室进气斗的进口截面降低速度头，并可以提供沿着进气斗的边缘平滑的流动转向，没有太大雍塞效应。进气斗的内外通道设计成给以后的扩压流路提供平滑过渡，以免出现流动分离。进入中间通道的气流在一个短直扩压器内扩压，然后倾倒入头部区域。空气动力学扩压器的内外通道的压力损失较小，但是中间气流压力损失通常高于环形突扩扩压器。空气动力学扩压器对机械公差也很敏感。燃烧室整流罩较小的径向位置改变可以导致通道面积分布显著的改变。,（三）分叉型扩压器,为一个长度短、压力损失小的先进扩压器概念。在这概念中，使用环形分流叶片以缩短为达到适当面积比和向燃烧室头部区域提供高能量所要求的扩压器长度。分流叶片将流道分成两个高面积比的平行通道，每个通道的几何形状设计成不产生流动分离。每个前置扩压器通道为相应的头部和燃烧室火焰筒流路提供气流。在前置扩压器出口，内、外通道气流倾倒入介于燃烧室进气斗和内外机匣结构之间的等面积的通道。这些等面积的流路足够长，以便在气流进入火焰筒冷却孔和掺混孔之前有较好的静压恢复。第二个突扩面积比较小，因此这种设计总的突扩损失就比较小。由于前置扩压器的面积比大，并且突扩损失小，这种结构的整体压力损失就非常低。,7.3旋流器设计,由于火焰传播速度很低，为了保持火焰稳定燃烧，在火焰筒头部喷油嘴周围设置空气扰流器，使空气在火焰筒头部内形成旋涡，旋涡中心为低压区，使一部分已经燃烧的高温燃气倒流回来形成回流区，不断的点燃由燃油雾滴蒸发形成的新鲜混气。,图35由强旋流器引起的迴流区,旋流器有叶片式和无叶片式两种。,图2常规发动机的头部旋流器布置,旋流器有不同的类型，包括：轴向的、径向的和离散孔射流设计。,对轴流式的旋流器，有直叶片和曲叶片两种，选用时出于以下考虑：加工方便。直叶片旋流器可以铸造抛光或者用数控铣，而曲叶片旋流器只能用铸造抛光。压力损失。直叶片引起的压力损失大（有气流分离）。直叶片旋流器当弦长间距比（）较小时易引起流动分离。,轴向旋流器,29,轴向直叶片旋流器设计参数,32,对旋流数的影响,图15叶片,33,旋流数,图14轴向旋流器中叶片角对旋流数的影响,旋流数Sn与回流区的关系：Sn0.6，那是强旋流，有回流区出现；Sn1.2，那是非常强的旋流。,旋流器设计与下游空气动力学旋流器的设计直接影响下游回流区，但是具体如何影响，这很复杂。概括地说，回流区随以下的一些因素而变大：叶片出口角增大，叶片数目增加，间距减小，旋流器叶片高度与弦长之比减少，由直叶片改为曲叶片，采用旋向相反的旋流器。回流区并不是越大、越强就越好。其大小、强弱必须置于整个燃烧区空气动力学来考虑。非常强的旋流容易引发PVC（漩涡中心进动），这与振荡燃烧密切相关。,7.4燃烧室冷却,燃烧室头部和火焰筒的基本功能是保持和引导燃烧着的燃油/空气混合物从燃油喷射位置到涡轮导向器的入口，以保证在燃烧室火焰筒内不同区域的空气流动，并且保护燃烧室结构部件，避免被燃烧的高温燃气烧毁。为实现此目地，头部和火焰筒必须具有足够的强度，以承受高速气流的气动载荷，而且必须在恶劣的环境中有很长的寿命。,一气膜冷却,在炽热的燃烧产物下保护燃烧室部件的确定方法是使用气膜冷却，温度为燃烧室进口温度的空气膜沿着火焰筒表面保护火焰筒。气膜冷却是从高温环境的表面上的一个或多个离散孔中引入二次气流（冷却工质或射流），以保护射入区域和下游区域的表面”,火焰筒各种气膜冷却方案,气膜冷却结构改进的原则和改善措施：冷却气流沿周向应均匀，以减小周向壁面温度梯度及由此造成的热应力。冷热气流的吹风比M1（一般0.5M1）时，可以推迟两股气流的掺混，以增加有效冷却长度。冷热气流间不要有涡流，防止燃气卷入冷却气膜中。,二多孔冷却结构,多孔冷却火焰筒由高温合金精密铸造，未采用常规的气膜冷却环，而是采用流过火焰筒上不同角度的大量斜孔的两股气流进行冷却。两股气流流入火焰筒时对其进行高效冷却（相当于发散冷却），冷却效率高达90%，可使冷却空气用量减少40%、燃烧室出口温度场比较均匀、燃烧室的长度较短。GE90和F414发动机均采用了由GTD222合金加工的这种火焰筒。在推力相当的发动机中，GE90发动机燃烧室的长度是最短的。,多斜孔壁的冷却效果利用微量气体传热传质类比方法，在接近实际燃烧室工况下，采用具有多斜孔火焰筒结构尺寸的试验件进行了冷却效率试验，得出的主要结论是：吹风比是考察燃烧室主流环境对气膜流动及换热能力影响的参数。试验获知，不同吹风比下的的分布是相似的，即呈锯齿形分布，锯峰为孔的出口位置，锯谷为两排孔之间偏下游的位置。孔的排布对冷却效果的影响，类似于对Cd的影响结论，即展向孔距流向孔距p/s=0.30.5为最佳值范围。斜孔的冷却效果优于直孔。Arriel、GE90、YF120等发动机火焰筒均采用斜孔多孔壁。斜孔的斜角方向及大小要与火焰筒的气流相互协调。,一种接近于发汗材料但更实用的结构是在壁面上打出大量小孔。理想的孔径大小应是不易被外来物堵塞而又有适当的流量系数。影响该结构冷却性能的参数有壁厚，孔径，间距和倾角。从理论上说，当孔径及间距孔径之比接近于零时，发散冷却即接近于发汗冷却。实验研究表明，发散冷却性能介于气膜对流冷却与多层多孔冷却之间。这种结构的优点在于简单，容易加工，有较好的经济性。,倾斜多孔发散结构,三浮动壁式冷却结构,为了克服机械加工冷却环式火焰筒常发生的低循环疲劳故障和提高冷却效率，产生了浮动壁（也称浮动瓦块）式火焰筒。浮动壁火焰筒由许多环形段和隔热环连接而成。环形段背向火焰的一面有对流散热的凸环，并有能形成冷却隔热气膜的缝隙。隔热环由浮动瓦片组成，并用螺栓连接在外环段上。“浮动瓦片”采用精密铸造，可以更换。在冷却隔热环的局部喷涂热障涂层，可以降低部件表面温度。浮动壁火焰筒具有改善火焰筒壁工作条件、延长火焰筒寿命、改善燃烧室温度分布等特点。20世纪90年代初，普惠公司将浮动壁火焰筒应用到V2500发动机上，后来又应用到了F119军用发动机和PW4084、PW6000等民用发动机上。,V2500发动机浮动瓦块式火焰筒,该火焰筒沿轴向布置五排瓦块，外壁上开有五组冷却进气孔分别对应着每排瓦块后部的储气槽位置。每排从冷却孔进入的气流首先冲击到每排瓦片后部的高温区背部，使其热区温度降低。接着冷却气流分为逆流向前和顺流向后两股，流过换热面积增大许多的扰流柱缝槽，吸收瓦块基体上的大量热量，然后又贴着瓦块的热侧边形成冷却气膜。其冷却形式属于上述的冲击逆顺向对流气膜复合冷却，冷却效率明显高于纯气膜冷却。,(1)纯气膜冷却满足不了未来高温升燃烧室的冷却要求，强制对流和气膜组成的复合冷却比纯气膜冷却有更高的冷却效率，是未来高温升燃烧室火焰筒冷却的主要研究方向；(2)浮动壁结构可明显改善火焰筒壁面的受力状况，大幅延长使用寿命，是未来燃烧室冷却的主要结构形式；(3)冲击发散复合冷却浮动壁结构具有最佳的冷却效果和紧凑结构形式，在未来燃烧室中具有良好的发展前景。,四席壁冷却结构,尽管发散式冷却结构非常有效，但由于多孔介质材料的机械性能和透气性能目前还难以保证，因此，一些研究者提出了近似发散冷却的结构席壁式冷却结构。,火焰筒壁面由一定条宽（35mm），厚度（0.90.6mm）的高温合金钢带编织而成的，并自然形成许多小的方形冷却小孔。冷却空气进入这些小孔冷却壁面（小孔开孔面积比约为2.33），并在内壁面形成均匀气毯，从而对内壁面实施更有效的保护。,席壁结构特点：具有发散壁冷却方式的特点：冷却效果好，壁温分布均匀，节约冷却气量等。结构上优于20世纪50年代提出的金属丝编织的发散壁，具有更好的结构刚性和透气率的均匀性，稳定性，更加使用可靠。加工工艺上比多孔壁，多层多孔壁冷却