飞机发动机原理与结构-燃烧室

典型发动机燃烧室维护介绍

典型发动机燃烧室的部件识别1典型发动机燃烧室的维护及注意事项2目录CONTENTS一、典型发动机燃烧室的部件识别发动机环形燃烧室发动机的燃烧室机匣一、典型发动机燃烧室的部件识别

典型发动机燃烧室的部件识别1典型发动机燃烧室的维护及注意事项2目录CONTENTS燃烧室是油气混合气燃烧的区域，长期承受高温烧蚀。在日常孔探检查中，如发现局部烧蚀严重，需考虑该区域燃油喷嘴雾化是否均匀，导致燃烧室衬板局部过热。在发动机湿冷转时，在燃烧室内积聚有较多的燃油，可能会从燃烧室机匣安装边流出，这是正常现象。在发动机正常启动前，要按手册要求执行干冷转吹出燃油，防止烧坏发动机。二、

典型发动机燃烧室的维护及注意事项燃烧室的孔探检查：只限于可见区域的检查，可通过孔探孔和点火嘴安装座，使用刚性的或柔性的内窥镜进行检查。燃烧室孔探检查区域包括：火焰筒头部区域、内火焰筒和外火焰筒区域。二、

典型发动机燃烧室的维护及注意事项燃烧室孔探检测图燃烧室的工作原理功用：将燃油喷嘴喷出的燃油和来自压气机的空气混合并进行燃烧，释放热量，气体温度升高，燃气膨胀和加速，在发动机的所有工作状态下，高温高压的燃气流过涡轮和喷管时，对涡轮做功并使燃气加速，从而使涡轮带动压气机高速转动，并使发动机产生推力。工作环境：高温、高负荷，热应力，热腐蚀燃烧室的基本要求1燃烧室的工作特点2目录CONTENTS燃烧室的稳定燃烧3轴流式压气机的工作原理4一、燃烧室的基本要求点火可靠燃烧稳定燃烧完全燃烧室出口温度场应符合要求总压损失小尺寸小，重量轻寿命长燃烧产物对大气的污染要小点火可靠油气比在一定的范围内。余气系数αα=燃烧时实际空气量/理论所需空气量燃料系数ββ=实际供油量/将空气中氧气完全燃烧完理论所需供油量α>1或β<1贫油燃烧α<1或β>1富油燃烧α=1或β=1完全燃烧油气比f要在一定的贫油或富油范围内才能燃烧，过于贫油或富油不可以；目前航空发动机燃烧室里的余气系数一般为2.5

3.5，但在中心燃烧区接近于1。一、燃烧室的基本要求2.燃烧稳定燃烧时，火焰周围气流速度必须低于火焰传播速度。β=1的均匀混气在常温常压下火焰的传播速度远低于1m/s，在紊流的气流中，速度能达10m多/s。一、燃烧室的基本要求3.燃烧完全燃油燃烧时，绝大部分的燃油通过燃烧将化学能转变为热能，但也有一部分来不及燃烧就随着燃气流出燃烧室。为了衡量燃烧完全的程度，常用燃烧效率来表示。燃烧效率是1kg燃油燃烧后工质实际吸收的热量与1kg燃油燃烧理论上释放出的热量之比。燃烧室中燃料燃烧得越完全，放出热量就越大，在保证发动机推力一定时，燃料消耗就越小，经济性也越好。一、燃烧室的基本要求4.燃烧室出口温度场应符合要求温度场要求：（1）火焰除点火过程的短暂时间外，不得伸出燃烧室；（2）在燃烧室出口环形通道上，温度分布尽可能均匀，在整个出口环腔内最高温度与平均温度之差不得超过100－120℃；（3）沿叶高（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。考虑到高速旋转的涡轮叶片承受应力很大，再加上高温气流的冲击，工作条件十分恶劣。要求燃烧室出口气流温度场符合涡轮叶片高温强度的要求，不要有局部过热点，以保证涡轮的正常工作和寿命.一、燃烧室的基本要求5.总压损失小气流流经燃烧室会产生压力损失。它主要包括：摩擦损失、扩压损失、穿过火烟筒的众多大小孔产生的进气损失、掺混损失以及燃烧加热引起的热阻等。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，对于燃气涡轮喷气发动机，燃烧室的总压恢复系数一般在0.92～0.96范围内。一、燃烧室的基本要求6.尺寸小，重量轻燃烧室的外径是发动机的最大直径，若减小燃烧室径向尺寸，可缩小发动机径向尺寸，减小飞机发动机的迎风面积。燃烧室短一些，将缩短发动机总长，而且也使涡轮至压气机的转动轴变短，从而可以减轻机匣和转子的重量。衡量燃烧室容积的利用程度，往往用容热强度这个参数，其定义为：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。容热强度大，表示燃烧室的尺寸小；容热强度小，表示燃烧室的尺寸大。一、燃烧室的基本要求7.寿命强经常检修或更换零件，合理地组织燃烧和冷却，改善它的工作条件；采用高性能的耐热材料；燃油喷嘴的定期维护。8.燃烧产物对大气的污染要小主要燃烧污染物：未燃烧的碳氢化合物(未燃烧的燃油)、烟(碳粒子)、一氧化碳和氮的氧化物NOx。一、燃烧室的基本要求燃烧室的基本要求1燃烧室的工作特点2目录CONTENTS燃烧室的稳定燃烧3轴流式压气机的工作原理4二、燃烧室的工作特点气流扩压减速1.燃烧室的工作过程和基本组件喷油雾化点火燃烧回流区的形成和作用燃烧掺混冷却构件：扩压器

构件：燃油喷嘴构件：点火器构件：涡流器构件：火焰筒构件：壳体二、燃烧室的工作特点压气机最后一级出口的气流速度约在150m/s左右，为了减少总压损失和可靠燃烧，在进入火焰筒之前，要求气流速度降低。构件：扩压器气流扩压减速1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点

在涡轮喷气发动机中燃烧室工作的全过程，应包括雾化，蒸发和混合（混气形成），以及燃烧化学反应和掺和冷却。雾化、蒸发是两项非常重要的环节。雾化的作用，就是使燃油分裂成细小的微粒，扩大燃油与周围热燃气的接触表面积，增加吸热量，加快燃油蒸发。构件：燃油喷嘴分类：离心喷嘴，气动喷嘴，蒸发喷嘴，甩油盘喷嘴1.燃烧室的工作过程和基本组件喷油雾化二、燃烧室的工作特点离心式喷嘴喷油雾化1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点低燃油压力下形成了称为“油泡”的连续油膜在中等燃油压力下薄膜在边缘处破裂形成“喇叭口”的形状在高燃油压力下“喇叭口”的形状向孔口缩短，形成雾化很好的喷射离心式喷嘴燃油压力对雾化效果的影响在燃烧区点着之后，点火装置即停止工作。为保险起见，一台发动机的燃烧室一般都有两个点火装置，对于单管或联管燃烧室则通过联焰管传播火焰，点燃各个火焰筒。点火构件：点火器涡轮6发动机的点火装置分布4个点火1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点回流区的形成：常用的火焰筒的头部装有不同形式的旋流器。少量的空气从扰流器进入火焰筒后，形成一股旋转着的气流，又由于空气粘性的作用，在火焰筒的中心，造成一个低压区。在轴向存在着逆主流方向的压力差，在此压差的作用下，下游就有一部分气流逆流补充，结果形成了气体的回流，如右图。构件：涡流器燃烧回流区的形成和作用1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点回流区的作用：提供高温的点火热源；在回流区和顺流区之间的过渡区中，形成很高的气流紊流度，而流速较低，使得气流速度接近等于火焰传播速度；保证燃油与空气的良好混合；提供了不断流向火焰筒前端的高温燃气，这促使燃油迅速蒸发，并保证新鲜混气不断被点燃。燃烧回流区的形成和作用1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点空气从火焰筒头部进入，燃油从喷嘴喷入后，先由点火器对头部混气点火。混气点燃后，边燃烧边向下游流动，当它达到回流区末端并部分进入回流区时，已基本上燃烧完毕。构件：火焰筒燃烧1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点空气流的分配进入回流区的气体主要是高温燃气。回流的高温燃气逆流到喷嘴附近，将刚刚喷入的油珠加热蒸发形成燃油蒸气。燃油蒸气与从扰流器进入的空气迅速掺混，形成混气。同时也有回流区的高温燃气掺混进来，并对混气团进行加热点火。经过一定的感应期以后就着火燃烧。燃烧1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点空气流的分配然后，这个火源往四周的混气团传播火焰，不断地向外扩展，把火焰传到整个头部，形成如图所示的火焰，作为点火源的混气团本身，则由于燃烧和向下游移去，而把它的位置和作用让位于一个来自上游的新混气团。燃烧1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点空气流的分配这一过程周而复始，在火焰筒头部就保持着稳定燃烧，这叫做主燃区。还没有燃烧的燃油，则与用于掺和的二股气流混合之后，在补燃区中继续燃烧。燃烧1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点空气流的分配燃油经过火焰筒补燃区之后，大部燃油已被燃烧。火焰筒掺混段的基本任务是将环形气流通道内剩余的二股气流引进火焰筒，并与高温燃烧产物掺混降温，以获得需要的燃烧室出口温度分布。此外，也还有少量的燃油在掺混区里继续燃烧。掺混冷却1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点空气流的分配在火焰筒头部，燃气温度高达2000K以上，为了保证火焰筒的可靠工作，必须注意对壁面的冷却，所以进入火焰筒的二股气流，一路是经大孔射入，可减少进气阻力和加大穿透深度，促进混合，另一路是经壁面小孔或窄缝，并沿壁面形成气膜冷却，而后参加掺混。掺混冷却后的燃气通过燃气收集器形成环形通道进入涡轮导向器。掺混冷却1.燃烧室的工作过程和基本组件二、燃烧室的工作特点空气的冷却掺混2.燃烧室的工作特点1)燃料是在高速气流中进行燃烧的。燃烧室进口气流速度甚至高达100米/秒以上，燃烧室扩散段出口气流的平均速度为40米/秒左右，而自然界十二级台风的速度为30米/秒，由此可见，混合气在燃烧室内的燃烧是在高速气流中进行的。2)燃烧室出口燃气温度要受到涡轮叶片材料强度的限制。金属材料的强度随着温度的升高而降低，为了保证涡轮安全可靠地工作，就必须把燃烧室出口燃气温度限制在一定范围内，目前，一般限制在1150～1700K，温度不能过高，否则就会损坏涡轮叶片或缩短涡轮的寿命，所以，燃烧室出口燃气温度要受到涡轮叶片强度的限制。二、燃烧室的工作特点燃烧室的基本要求1燃烧室的工作特点2目录CONTENTS燃烧室的稳定燃烧3轴流式压气机的工作原理4三、燃烧室的稳定燃烧1.降低气流速度，保证混合气的稳定燃烧火焰筒内气流速度分布空气流过旋流器后的情形2.限制燃烧的温度，确保燃烧室和涡轮的安全工作空气流的分配三、燃烧室的稳定燃烧燃烧室的基本要求1燃烧室的工作特点2目录CONTENTS燃烧室的稳定燃烧3轴流式压气机的工作原理4四、燃烧室常见的故障1.局部过热定义：燃烧室局部温度过高，火焰筒各处的温度差增大到一定程度时，就会引起火焰筒变形或产生裂纹，缩短燃烧室的使用寿命。这种使火焰筒的某些部分过度受热的现象，叫做燃烧室局部过热。产生原因：燃油分布不均匀和空气流动遭到破坏。2.燃烧室熄火当燃烧室熄火时，将出现下列现象：飞机发生抖动，飞机发出不正常的声音，转速和排气温度突然下降，油门操纵失灵，飞机失去推力，飞行速度不断减小。产生原因：分为贫油熄火和富油熄火，其根本原因是混合气的余气系数超出了稳定燃烧的范围。四、燃烧室常见的故障燃烧室进口处气流速度越大，则稳定燃烧的余气系数的范围越小，而当气流速度超过一定数值后，无论用多大的余气系数，都无法维持稳定燃烧。2.燃烧室熄火四、燃烧室常见的故障预防：在飞机起飞、进近、着陆阶段，为了防止燃烧室熄火，确保飞行安全，需要接通发动机点火电门加强发动机点火;飞行中，在复杂的气象条件下（如颠簸气流、严重积冰区、大雨等），也需接通发动机点火电门，实施点火，同时还需要维持发动机一定的转速，以提高稳定的燃烧范围。发动机的维护工作中，应加强对压气机防喘系统的检查和维护，使之处于良好的状态，防止因防喘系统有故障而发生喘振，导致燃烧室熄火停车；应定期对燃油喷嘴进行检查，以保证燃油喷嘴的工作性能处于良好的状态。四、燃烧室常见的故障2.燃烧室熄火燃烧室的类型和主要部件燃烧室的基本结构1燃烧室的类型2目录CONTENTS燃烧室的冷却3典型的单管燃烧室扩压器旋流器燃油喷嘴联焰管火焰筒机匣一、燃烧室的基本结构典型的单管燃烧室燃烧室机匣用来构成二股气流的通道。在环管形和环形燃烧室中，燃烧室机匣由内、外机匣组成，内、外机匣直径很大，厚度很薄，又都需要承受负荷，是发动机的主要承力构件，因此内、外机匣必须具有足够的强度和刚度。1.机匣一、燃烧室的基本结构WP7发动机燃烧室扩压器外壳降低从压气机流出的气流速度，以利于组织燃烧，气流在扩压器的扩张通道减速增压。环形燃烧室中，广泛采用将燃烧室进口扩压段并入压气机出口扩压段内的措施，以缩短燃烧室的长度。2.扩压器一、燃烧室的基本结构RB199发动机燃烧室由火焰筒筒体和涡流器组成。3.火焰筒1)火焰筒的筒体加工方式：机械加工和钣金焊接。（WS9）冷却散热方式：散热片（淘汰）和气膜式。固定方式：前段固定，后段支撑新型火焰筒：浮动式。(V2500)WS9发动机火焰筒V2500发动机火焰筒一、燃烧室的基本结构3.火焰筒2)涡流器（旋流器）功用：形成火焰筒头部的回流区，降低气流速度，在火焰筒头部形成稳定的火源，保证燃烧室稳定工作。一、燃烧室的基本结构4.燃油喷嘴燃油喷嘴可分为雾化型和汽化型。燃油喷嘴的基本功能是使燃油雾化或汽化，以保证燃油快速燃烧。目前发动机在各种飞行条件和工作状态下，需油量的变化范围较大，所以在航空发动机上广泛采用双油路离心喷嘴。供油量较小时，供油压力较低，仅副油路供油，从面积较小的中心喷嘴喷出；当供油量较大是，供油压力升高，主、副路同时供油，从主、副喷嘴同时喷出。一、燃烧室的基本结构双路离心式燃油喷嘴涡轮喷气发动机的点火装置5.点火装置点火器的工作条件地面起动；发生高空停车；当飞机在暴风雨中或机动飞行时防止燃烧室熄火。点火方式分类间接点火直接点火点火时间短，能量大，高能点火器点火持续时间长，能量小，低能点火器一、燃烧室的基本结构涡轮喷气发动机的点火装置5.点火装置间接点火

WP6,WP7,WP8先点燃起动喷嘴的燃油，形成小股火焰，然后用小股火焰去点燃工作喷嘴的燃油。特点：点火能量大，高空再点火较易实现，但结构复杂，重量较大。直接点火

斯贝，广泛应用各种燃烧室用电嘴直接点燃火焰筒头部的混合气。特点：蒸发式燃烧室和离心甩油环燃烧室不适用；安装位置应该使点火源限制在燃烧区，并能借回流作用在回流区内不断运动。一、燃烧室的基本结构燃烧室的基本结构1燃烧室的类型2目录CONTENTS燃烧室的冷却3二、燃烧室的类型燃烧室主要有三种类型：多个单管燃烧室环管形燃烧室环形燃烧室

1.多个单管燃烧室（分管燃烧室）二、燃烧室的类型结构特点：由若干个（6~16个）单管燃烧室组成，每一个单管燃烧室由一个管型火焰筒及其外围单独的外壳构成，沿发动机圆周均匀分布，各单管燃烧室之间用火焰管联通，传递火焰和均衡压力。优点：该型燃烧室的优点是设计简单，结构强度好，能够单个的拆卸和更换；与离心式压气机配合较好。缺点：环形面积利用率低，70%~80%，气流平均速度大，气流不稳定，总压损失大，出口气流不均匀，冷却性能差。分管燃烧室二、燃烧室的类型分管燃烧室单管燃烧室多个单管燃烧室结构特点：燃烧室的内、外壳构成环形气流通道，若干个（6~14）管式火焰筒，沿圆周均匀安装在环形气流通道内，相邻火焰筒燃烧区之间用传焰管联通。优点：外廓尺寸小，环形截面积利用率高，可以与轴流压气机和涡轮通道平滑地衔接，流体损失小。它不需要复杂的空气供应管路，结构强度好。该型燃烧室填补了从多个单管燃烧室过渡到环形燃烧室的空档。缺点：结构比较复杂，重量较大它，同时气动损失相当高和从一个火焰筒到另一个点火困难。二、燃烧室的类型2.环管燃烧室二、燃烧室的类型环管形燃烧室2.环管燃烧室二、燃烧室的类型wp7发动机环管燃烧室的横截面2.环管燃烧室3.环形燃烧室结构特点：由四个同心圆筒组成，最内、最外的两个圆筒为燃烧室的内、外机匣，中间两个圆筒构成环形火焰筒，在火焰筒的头部装有一圈旋流器和喷油嘴。优点是火焰筒结构简单，环形面积利用率高，迎风面积小、重量小，点火性能好，总压损失较小，以及出口温度分布均匀。缺点是制造费用高，拆卸困难和耗费时间。二、燃烧室的类型应用1：环形燃烧室多用于轴流式压气机的发动机，民用飞机上所用的JT9D，CFM56，PW4000，GE90等发动机都是这种燃烧室。典型的环形燃烧室二、燃烧室的类型3.环形燃烧室应用2：某些小型机上采用环形回流燃烧室(右图)，燃烧室围在涡轮外面。这样大大减少了发动机的轴向长度，特别适合于尺寸受限制的发动机，但涡轮的孔探检查困难。环形回流燃烧室二、燃烧室的类型3.环形燃烧室应用3：减少燃烧排故污染物的一个方法是使用双环形燃烧室(右图)。一个燃烧区称为先导级，空气和燃油经主预混室燃烧，总在工作；另一个称为主级，空气和燃油经副预混室燃烧，仅在高功率状态工作。对于每一级，空气燃油比控制比标准燃烧室更好，减少了一氧