中法bustor工程师学院

热能工程 授L‘EcoleCentraledeMechanicApplication–GasTurbine航空燃气涡轮Combustion&燃烧与燃Lecture3-AircraftEngineCombustorAssoc.Prof.LIUYuying(SchoolofEnergyandPower热能工程 授MechanicApplication–GasTurbine引 2学第1章航空燃气涡轮发的基本工作原 10学 的技术难点及2学 航空燃气涡轮 的基本工作原 4学 压气机部件的工作原 2学 涡轮部件的工作原 2学第2章的结构强度与振 10学 引 1学 叶片强 2学 强 2学 叶片振 2学 转子振动与临界转 2学 疲 1学第3章燃烧与燃烧 10学3.1燃烧与燃烧室概 1学3.2燃烧基础知 4学 主燃烧 4学 加力燃烧 1学热能工程 授Part3:Combustionand燃烧与燃烧室概述（1学时燃烧基础知识（4学时主燃烧室（4学时加力燃烧室（1学时热能工程 授3.3AircraftEngineFunctionandBasicDesignCombustorStructuresand（燃烧室结构和类型CombustorAerodynamics（燃烧室空气动力学CombustorPerfomances（燃烧室性能3.3.4Combustoraerodynamics(燃烧室空气动力学热能工程3.3.4Combustoraerodynamics(燃烧室空气动力学流dividedintwoparts:燃烧dividedintwoparts:燃烧室空气动力学分为两部分流热能工程 授燃烧室的和外部空气动力InternalandExternalAerodynamicsof热能工程 授AerodynamicsofDiffuser(扩压器流动Mainfunctionofdiffuseristorecoveralargeproportionofthedynamicpressureatthecompressorexitstation扩压器的主要热能工程 授压的2％；Lowpressurelosses.Ingeneral,thediffuserpressurelossshouldbelessthan40ofthecompressorexitvelocityhead.量；Shortlength.Diffuserlengthmustbeshorttominimizeenginelengthandweight.前置扩压器中没有分离，除了在突扩区域中；Noseparation,exceptindump出口气流在和径向都均匀；Uniformflow,bothcircumferentiallyandoperating对压气机出口流场变化不敏感。Insensitivitytochangescompressorexit tternsorexitflow

热能工程 授环形突扩扩压器（Annularstepdiffuser热能工程 授（Prediffuserofannularstepdiffuser前置扩压器的作用:Functionofprediffuser恢复大部分压气机出口速度头Recoveralargefractionofcompressorexitvelocityhead;置扩压器的末端减小突扩损失。Reducethelossesatofthe基本结热能工程 授前置扩压器的流动图谱FlowregimesofTheflowregimeofprediffusercandecategorizeas:无明显的分离appreciable明显分离transitorystalldevelopedtwo-滞后区域射流流动Jet热能工程 授热能工程 授前置扩压器流动热能工程 授热能工程 授热能工程 授前置扩压器流动》热能工程 授前置扩压器流动热能工程 授设计考虑Designfrictionloss.前置扩压器必须在无明显分离的条件下Prediffusermustbeoperatedinnoappreciable热能工程 授三个重要的性能参

ThreeperformancecriteriaPressurerecoveryOverallTotalpressure热能工程 授 adefinitionofdynamicpressurerecoveredtostaticpressureCCps31q12q30 12

热能工程 授前置扩压器的总效率Overalleffectivenessof实际静压恢复（下标r）与理论静压恢复（下标i) d dCCIdeal11/AR ps31i

qq

AR2

1u

1u

理想条件下的Bernoulli方程

2

u

u

1 31

1

230 2

30

30

AR2

热能工程 授P P

ps31 30

AR2

Actual 1uActual

1u2

2 2

31

实际条件下的Bernoulli 1u2 1u

热能工程 授扩压器突扩（Diffuserstepregion热能工程 授在扩压器突扩区域Pressurelossesindiffuserstep经典的突扩压力损失计算 q

31 Pt30 A32主要的在于选择一个适当的A32值,它是在未知点处通的有效横截面积，在该未知点处流动重新附在壁面上热能工程 授Overallpressurelossesofanannularstep环形突扩扩压器的总损失等于前置扩压器压力损失加上域压力损失

＋

q30

31 Pt30 A32热能工程 授旋流流动（SwirlflowTheprimaryzoneairflowpatternisofprimeimportancetoflamestability.基本的旋流器

热能工程 授轴向旋流器（Axialswirler径向旋流器（Radial

热能工程 授热能工程 授强旋流流场（Strongswirlingflowfield旋流流动有三个速度分量轴向切向和径向。Swirlingflowhasthreevelocitycomponents:axialtangentialandradial.recirculation所有的速度分量都沿下游的方向衰减。Allthecomponentsdecayinthedownstream热能工程 授旋流数（Swirlnumber角（切向）动量的轴向通量S GGx

G(wr)u2rdr0轴向通量动量(轴向力 Gxuu2rdrP2rdr 用无量S>0.6强旋流含有回流区。S>0.6,strongswirlrecirculationS<0.6弱旋流无回流S<0.6,weakswirlrecirculationSSGGx0RSGGSGGx角动量的轴向通量RG(wr)u2rdr0轴向通量动量(轴向力RGxuu2rdr0轴径向旋流器的旋流Exitvelocitiesofswirlerareusedtocalculatetheswirlnumberthestaticpressureisignored.用轴径向旋流器的旋流轴向旋流器的旋热能工程轴向旋流器的旋双旋流器的旋流热能工程双旋流器的旋流热能工程 授 横侧气流中的射流（Jetincrossflow 主燃主燃孔射掺混射缩短回流区Shortenthezone调整主燃区油气比Adjustthezonefuelair改善火焰稳定，减少污染Improveflamestabilization,

调整径向温度分布。theradialtemperature减少热Reducethehot横侧气流中单个热能工程横侧气流中单个横侧流中单个射热能工程横侧流中单个射速度轨 温度轨 动量yxyxv1.02J0.42

yty

xx

juJ juddd j d jddd

gu2 中心截横侧流中单个射流的混合Singlejetmixingin横侧流中单个射流的混合Singlejetmixingincrossflow：示中心截横侧流中单个射流的混合Singlejetmixingin横侧流中单个射流的混合Singlejetmixingincrossflow：示射流下游的横截面上的温度横侧流中单个射流的混合Singlejetmixing横侧流中单个射流的混合Singlejetmixingincrossflow：示热能工程 授多股射PenetrationofmultipleDilutionholeoveracombustorconsistsof“bands”ofTheaerodynamicsismultiplejetspenetration热能工程 授Influencedfactors动量比动量比Momentumflux通道高度孔径比DuctheightholebetweenholeCorrelationof的经验关系式 y y m

0.07 dd dd j

j

H/

S/d热能工程 授横侧气流中的多股射流混合多多股射流下游横截面上的温补充主调整主燃补充主调整主燃改善火

热能工程 授热能工程 授缩缩短回流区Shortentherecirculation强化燃烧过程Intensifythecombustion角角Dischargecoefficientandpenetration射流惯收 偏流量系 角射流孔(Dischargecoefficientofdilutionhole射流孔(Dischargecoefficientofdilutionhole2(Pant2(PantPgs&

CdAh有效面

Cd

热能工程 授Cdandα的影响孔的几何环腔孔的几何环腔压力

Pant热能工程 授热能工程 授单卷边孔thimblehole的Cdand热能工程 授全卷边孔fullythimble的Cdand空气流量分配（AirFlowdistribution流量分配是由燃烧室中条件决定Distributionofairflowthroughcombustordetermined1在不同工作状态下的总油气比;overallfuel/airratioatoperating稳定和有效的燃烧stableandefficient适当的冷却proper4适当的掺混气流调整出口温度分布propertemperature 热能工程 授旋流旋流器气量(雾化气量头部冷却主燃孔气掺混孔气火焰筒冷却气旋流器气头部冷却主燃旋流器气头部冷却主燃孔气部分冷却气量(在主燃区主燃区

热能工程 授（Primaryzoneairflowdistribution热能工程 授主燃区空气流量分配Primaryzoneairflow主主燃区空气流分配是由设计点油气比确定的;Airdistributioninprimaryzonedeterminedbyoverallfuelairratioatdesignpoint;例设计点,总油气比主燃区油气比Designpoint,overallfuelairratio=0.025Primaryzonefuelairratio=0.068Primaryzoneairflow热能工程 授富油主燃区Fuelrichprimary优点优点较低的回流速度可以得到较好的LBO在功率较小的条件下燃烧效缺点缺点较低的容积释热率亮度高火焰大量的冒烟壁面结焦严重火焰筒壁面温度随要求有很长的中间类型的变化而变化热能工程 授贫油主燃区Fuelleanprimary优优点干净蓝色火焰尾气中无冒烟无积碳冷却火焰筒壁要求无中间区较好的缺缺点较高的回热能工程 授优优点最大释热率火焰亮度较低尾气冒烟较少无积碳缺点缺点向火焰筒壁传热率高NOx排放热能工程 授主燃区油气比的选择根据燃烧性能选Primaryzonefuelairratiochoicedeterminedbycombustionperformancechoice大功燃烧效排放物(NOxsmoke)出口温

要求小功点火和高贫油熄小功率效折贫油主燃 富油主折

热能工程 授;冷却空气量根据每单位面积需要的空气流量来确定,成空气压力,由不同的冷却方案确掺混射流空热能工程 授推重比8的燃烧室的典型例设计点，总油气比旋流空气(雾化空气头部冷却空气:主燃孔射流空气:掺混孔射流空气:火焰筒冷却空气:Swirlerair(atomizationair):Domecoolingair:Primaryjetair:Dilutionjetair:Linercoolingair:热能工程 授扩压扩压器的作前置扩压突扩扩压旋流旋流器的作旋流数定义，强旋流，弱旋横侧气流中的射单个射流 与混多个射流 与混射流孔的流量系流量燃烧室流量分配的重要主燃区油气比选不同主燃区设计的性能热能工程 授§3.3.5燃烧(CombustorCombustionefficiency燃烧效率Startignitionandaltituderelight(起动点火和高空点火Pressureloss(总压损失Exitgastemperaturedistribution(出口温度分布Emissions(排气污染Durability(耐久性Dimensions(尺寸与结构Maintainability(性热能工程 授在燃烧室发展过程中有三个升燃烧效率（Temperaturerising燃烧效率（Enthalpyrisingefficiency③燃气分析法燃烧效率（Gasysis热能工程 授 1EICOHuCOEICH4Hu EI,排放物指数,gemission/kgHu,的低热值,热能工程 授燃烧效率的要求与影–燃烧效率低会导 的浪费–会产生严重的污染物排放问题，如UHC和CO–在正常工作中燃烧效率要高于–工作参数气压力度及气流量和燃烧室–燃油喷和主燃区的设ccf 111 rate混混雾化和蒸化化学反方法很多，如Lefebvre模型、燃烧速度模型等，参见相关Lefebvre热能工程 授（Startignitionandaltituderelight地面启动轮机能够可靠的点火地面点火时燃烧室进口压力和温度范围分别是0.06热能工程 授典型的高空再

高空再点是由发点飞的。为812km。热能工程 授两两个阶段,在第一个阶 到主燃区，火焰在主燃区稳住热能工程 授⑵燃烧室稳定工作的⑵燃烧室稳定工作的上限是由涡要求决定的，而的限制和稳定性包 定性工作状态决定了燃烧室稳定性的

热能工程 授保持进口条件保持进口条件,P3,T3以及空气流量均为常数减少供油热能工程 授贫油熄火（LeanBlowout发发 的的关键要求 贫油要求发能在几秒钟内从慢车加速到最大功率，然后又在相似速度下回到慢在油门杆从大功率到慢车转变的过程中，要求燃烧室避免熄火均相混合物LBO理论（请查相关热能工程 授返场雷雨熄火（Rainstormflameout①返场雷雨熄火试验是航空发的另外一个重要②③当飞机接近机场遇到非常恶劣的天气条件时,例如，夏燃油流量的5倍时保证不熄热能工程 授总压损失（Pressureloss燃烧室总压损失一般为进口总压的4-6%个百分SFC增加1%,推力减小1。热能工程 授（Exitgastemperaturedistribution典型的出口分布是由涡轮的、强度和冷却决定的 T4 T4T4 T3 热能工程 授定义Pr

T4rT4T4 T3室一般在0.15左右。热能工程 授气态排放未燃碳氢化一氧化碳氮氧化物

Gaseoushydrocarbons(HC)Oxidesofnitrogen热能工程 授烧区域GEGEJ47-poweredBoeingB47必须控制冒烟的两个原因出于飞机的安全性考虑和民用飞机的环境保护考虑热能工程 授未燃碳氢化合物一氧化CO有两种形成路径,第一种是大量的CO在富油区形氮氧化主要的NOx是空气中的氮N