航空发动机燃烧室机匣的组成及选材分析

航空发动机燃烧室机匣的组成及选材分析3.1航空发动机的基本组成发动机是飞机的“心脏，是推动飞机和整个航空工业蓬勃发展的源动力，20世纪下半叶世界航空动力呈加速发展态势，21世纪航空动力面临新的机遇，它将以更快的速度向前发展并促使飞机和航空工业出现新的飞跃一般而言发动机由点火装置、燃烧室、装药和喷管四部分组成。3.1.1点火装置发动机点火装置工作的基本要求是:能保证主装药准确、可靠地点燃、点火延迟时间要短它的基本失效模式有发火失效和对发动机点火失效两种以往的型号研制经验表明一般情况下众多的结构可靠性评估续计变量中以在规定时间内达到的点火压强为最佳统计变量。3.1.2燃烧室燃烧室是燃料与空气混合并进行燃烧的地方，燃烧室工作的好坏直接影发动机的性能，并关系到发动机的安全可靠性。3.1.3装药一般选取受内压时的壳体应力为统计变量发动机药柱分为自由装填式和壳体粘接式两类对于自由装填式药柱强度是足够的通常不需要进行结构完整性分析对于壳体粘接式药柱特别是内孔形状复杂的药柱通常存在较严重的药柱强度问题，因为药柱从制造到使用的过程中，其内部会产生各种机械应力药柱失效的基本故障或基本机理决定最终结果造成气体生成速率过低或过高在化学和结构两方面的损坏都表现为造成过高的壳体内压经验及分析表明，当壳体粘接式药柱受热载荷和工作压强载荷时，工作内压是应研究的主要载荷以延伸率作为药柱结构可靠性评估的统计变量较为合理而受加速度载荷和自重载荷时以强度作为药柱结构可靠性评估的统计变量较为合理上述观点已为多年来发动机的研制实践所证实。3.1.4喷管自身工作条件及环境影响，其材料主要选用马氏体钢材2Cr13、3Cr13和4Cr13及双路双室双喷口，分别具有不同的结构设计、性能和用途。3.2燃烧室的分类及基本构成同时还要求尺寸小重量轻便于维护足够的强度及刚性和有一定的使用寿命。3.2.1燃烧室的分类室和环形燃烧审。3.2.1.1单管燃烧室又叫分管燃烧宣它的结构特点是第一个管形火焰筒的外面都包有一个单独的外壳组成一个单管燃烧室沿发动机圆周均匀地安装有6～16个这样的分管，各分管之问用联焰管联通，传播火焰和均衡压力。3.2.1.2联(环)管燃烧室它的结构特点是将若干个管形火焰筒沿圆周均匀安装在同一个内外壳体间的环腔内，相邻火焰筒燃烧区之间用联焰管联通。联管燃烧室的结构比较紧凑外廓尺寸显著地减少外壳体是承力构件有利于减轻发动机结构的质量和改善发动机整体刚性。3.2.1.3环形燃烧室同的火焰筒内外壁构成的环形燃烧区和掺娓区在火焰箭头部装有几个燃油喷嘴和稳定装置燃烧室的各个气流通道都是环形的因此与压气机出口环形气流广泛采用。3.2.2燃烧室的基本构成筒、燃油总管、点火嚣等构成[14]。3.2.2.1燃烧室机匣燃烧室机匣是发动机的承力壳体由外壳体和内壳体构成外壳前段和壳构成扩压器降低压气机气流速度外壳和内壳组成环形气流通道保证气的稳定性扩压器为流线形扩压器进口有一平直段一方面防止气流畸变影响出口温度场品质和气流扰动影响压气机性能另一方面减少叶片尾迹对燃烧室场的影响。力以及振动等多种负荷本次设计主要研究的是在各种温度作用下燃烧室机匣的相应应力变化。3.2.2.2火焰筒该发动机燃烧室共装有10个五段直流式气膜冷却火焰筒，火焰筒是燃烧室的一个重要组件其作用是使燃油在它的空腔内得到稳定且完全的燃烧并获得满意的出口温度场火焰筒由带有旋流器锥体的头部带有气膜冷却的五段筒体和燃气导管构成从压气机来的气流分为两股进入火焰筒一股从旋流器进气温度。燃气导管将燃气由圆形界面向扇形界面过渡。3.2.2.3燃油总管燃油总管共有10个喷嘴，喷嘴为双油路离心式压力雾化喷嘴，主副油路独立将主副油路提供的燃油分别喷入两个独立的旋流器然后从两个同心布置的喷嘴喷出由于两条油路各自独立无论大小工况均可获得满意的雾化质量燃油流量的变化范围也比较大。3.2.2.4点火器点火嚣由点火器壳体和点火电嘴构成电嘴为电蚀电嘴每台发动机配备两个点火电嘴，点火方式为间接点火。3.3燃烧室机匣的选材分析扩压器与外机匣内机匣共同组成燃烧室机匣燃烧室是发动机的高温部件，维护有足够的强度及刚性和有一定的使用寿命燃烧室机匣是发动机的承力件，材是开展发动机疲劳可靠性分析的前提条件只有在材料满足可靠性需求时所有的设计才有意义。3.3.1燃烧室机匣受力分析燃烧室机匣由扩压器机匣外机匣和内机匣三部分组成其功能主要是成燃烧室的气流通道和作为发动机承力系统的一部分燃烧室外机匣主要承受是内外压差所形成的周向力周向力占外机匣应力的绝大部分外机匣除本身产生的径向（重量引起和轴向力外还要传递从后安装边向前传到主安装节的轴向力径向力和扭矩内机匣除本身的径向力和轴向力外还要向前传递涡轮第一级导向器产生的部分扭矩和轴向力。内机匣由于受外压，稳定性是主要的。机匣承力形式决定燃烧室机匣的结构形状而发动机总体安排支点布局和燃烧室类型等的不同，使传力可分为内传力、外传力、平行传力和混合传力1内传力是用于早期单管燃烧室的情况，如WP5等。2外传力仅仅由外机匣传递涡轮传来的各种力，也仅见于早期环管燃烧室类型上。3混合传力燃烧室前端利用压气机末级导流叶片或承力支板将内外机匣刚性连接内匣传来的轴向力径向力和扭矩通过叶片或支板传至外机匣使用支板的另一个原因是需要由此引气或放气。间安排连接内外机匣的十个支柱内端焊接在内机匣上外端以螺栓和机匣相连。设计要求有足够的径向刚性以把涡轮前支点的径向力大部分传到外环而轴向刚性则要求较小以保证尽量减少工作中内外机匣轴向膨胀不一致所产生热应力。这种结构的优点是：1）传力刚性分配，不至于使直径小的内机匣承受过大的径向力；2）整体机匣变形小，保证整机刚性。烧室的总体结构上。而近期的环形燃烧室和高压转子只有两个支点的总体布局中，已少见这种安排。4平行传力在目前采用的环形燃烧室类型高压涡轮前无支点的条件下广泛地采用这种传力机匣结构即外机匣传递涡轮及后面部件的径向力轴向力和扭矩而内机匣则传递涡轮第一级导向叶片产生的部分扭矩轴向力和径向力内机匣所传递的各种力则由燃烧室机匣前端连接内外机匣的末级压气机叶片或支板传至外机匣无论对平行传力还是混合传力燃烧室前端联接是相同的对目前短环形燃烧室则大部分采用前置扩压器内支板或末级压气机叶片一起整体铸造的联接形式，如图4－1和图4－2。图4－1某燃烧室结构图（扩压器支板连接）图4－2某燃烧室结构图（末级叶片连接）由于平行传力结构多用于没有涡轮前支点情况径向力不大内机匣变形也和适用范围见表4－1。表1传力方式的特点和适用范围传力式内传外传

特点内机匣传递所有力和扭矩，直径小，刚性差外机匣传递所有的力和扭矩内机匣没有和机匣刚性连接，自身刚性较差

适用范围早期单管燃烧室早期环管燃烧室混合传 内外机匣传递径向力按刚性分配，受力合理力 较复杂

涡轮前有支点环管燃烧室平行传单涡轮前无支点的力适用，无内外机匣膨胀不一致引起的热应力环行燃烧室根据对以上四种机匣传力方式的对比分析研究结合某小型航空发动机总安排支点布局以及燃烧室自身结构类型特点选择前端扩压器支板联接的平行传力形式的燃烧室机匣结构。3.3.2选材与材料工艺性分析针对燃烧室机匣的复杂工作条件在这里将对燃烧室机匣整体进行选材与料工艺性分析，并提出以下几点选材要求：1．具有较高的短时力学性能计要求。2．具有较高的疲劳及蠕变/持久性能疲劳寿命要求对于需要保证封气间隙的热端部件机匣需要选取具有较高蠕变强度的材料，其他热端部件的机匣则需要选取持久强度较高的材料。3．具有较小的线膨胀系数应力或热不协调引起的结构应力。4．具有较好的抗氧化及材料组织稳定性对于热端部件的机匣，需要选取具有较好抗氧化能力及组织稳定性的材料防止燃气等介质的化学腐蚀而降低机匣承力件寿命。5．具有较好的塑性对于板料焊接机匣，选择塑性较好的材料，便于冲压成型6．具有较好的焊接性能焊后变脆等。通过对几种涡喷涡扇发动机燃烧室机匣和与其相连接的压气机机匣和涡机匣材料进行了解将这几种发动机燃烧室机匣压气机机匣和涡轮机匣的材料进行对比和分析，详见表3-2。型号WP7压气机机匣燃烧室外机匣 燃烧室内机匣型号WP7压气机机匣燃烧室外机匣 燃烧室内机匣 涡轮机匣i i WP13WP15GH4133MXWPGH4133WS6C263GH2132WS9S/SJ2C263C263MXWSGH4169TC1GH3044表3－2中统计了几种常用的机匣承力构件材料，为燃烧室机匣的结构强设计选材提供了参考从上表中各型发动机机匣的选材数据来看可以得出以下结论：a．机匣材料的选择在很大程度上取决于机匣所处的工作温度，根据工作温度选择高温合金类材料或不锈钢材料；b．机匣材料的选择需考虑材料的热膨胀系数的协调性，尽量减少并避免各相邻部件之间由于材料热膨胀系数不同而造成热不协调引起的结构应力。根据发动机的设计要求和燃烧室部件的工作环境以及上述对机匣承力件选材的对比分析，可以选用i和V作为备选材料，i材料的部分材料性能见表3－3，V材料的部分材料性能见表3－4。拉伸强度（MP）屈服强度（MP）表拉伸强度（MP）屈服强度（MP）温度（℃）20300400500600700800密度（3）7.9线膨胀系数（℃1）—17.217.517.918.218.6—弹性模量（GPa）184159——13712088X610450440440390275176X27519617617617615798表4V201002003004004505005506007.8—9.310.310.8—12.2196——172162154142123—932892841809772717660570465782755720687644603560481389温度（℃）密温度（℃）密线膨胀系数（106℃弹性模量E（GP）拉伸强度σb（MP）屈服强度（MP）c．从拉伸强度和屈服强度来看，同温度下，材料1Cr11Ni2W2MoV的拉伸度和屈服强度都要高很多。两种材料的工艺性及应用对比见表3－5。表5 i与V材料材料工艺性应用成形性能焊接性能加工性能冷热加工成形性能良好铸造焊接性能良好，焊后不不易获得小的粗糙主要用于发动机燃油管道液压导性能较差需热处理度管、排气总管等冷热加工成形性能良好铸造焊接性能良好，焊后需加工性能良好主要用于发动机压气机盘叶片等性能良好回火从两种材料的工艺性和应用对比，可以看出：a．从材料的成形上来看，1Cr18Ni9Ti材料的铸造性