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淺析航空燃燒室及其發(fā)展趨勢(shì)

2016-03-04 23:02周蕊燕賈譯鈞
山東工業(yè)技術(shù) 2016年5期
關(guān)鍵詞:性能指標(biāo)燃燒室航空發(fā)動(dòng)機(jī)

周蕊燕 賈譯鈞

摘 要:燃燒室作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一,其位于壓氣機(jī)和渦輪之間,作用是將燃料的化學(xué)能經(jīng)過燃燒而把熱量釋放出來,產(chǎn)生的熱量用來做功而轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和壽命在很大程度上取決于燃燒室的可靠性和燃燒有效程度,本文主要系統(tǒng)講述了燃燒室的分類、性能參數(shù)以及發(fā)展方向,進(jìn)一步推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。

關(guān)鍵詞:航空發(fā)動(dòng)機(jī);燃燒室;性能指標(biāo);低污染燃燒

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.201

1 燃燒室分類

1.1 單/分管燃燒室

單/分管燃燒室是由多個(gè)在內(nèi)、外殼之間的單管燃燒室組成的,其之間的關(guān)系是,每個(gè)都有著各自的火焰筒和外套,在火焰筒之前會(huì)有些旋流器、噴油嘴以及點(diǎn)火裝置,聯(lián)焰管之間都會(huì)相互連接,有著火焰的傳播與均勻作用。常常見于早期的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)包括:進(jìn)行試驗(yàn)和檢修的時(shí)候相對(duì)比較容易些,不需要很龐大的設(shè)備;而且維護(hù)、檢查與更換時(shí)候會(huì)相對(duì)比較方便快捷,只需要拆除部分發(fā)動(dòng)機(jī);在總體結(jié)構(gòu)的安排上面,與離心壓氣機(jī)的配合比較默契。但是也此類型的燃燒室也會(huì)有些缺陷:由于環(huán)形截面積的使用效率極低,而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)部的氣流平均速度比較大,此現(xiàn)象對(duì)燃燒不利,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生許多總壓損失;氣動(dòng)性能也很差,是因?yàn)橐揽扛呖盏膫餮婀軄韨鬟f火焰;火焰筒壁面氣膜冷卻所需要的空氣量比較多;出口溫度場(chǎng)分布不均勻等。

1.2 環(huán)/聯(lián)管燃燒室

此燃燒室多用在軸流式對(duì)應(yīng)壓氣機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上面,是由很多個(gè)單獨(dú)的火焰筒沿著周向均勻布置,并且排列在內(nèi)外殼間的環(huán)形腔內(nèi)部,相鄰之間也是采用聯(lián)焰管連接。與單管燃燒室相同的是有獨(dú)自使用的火焰筒,不用的是只在兩個(gè)火焰筒上面裝有點(diǎn)火裝置。其優(yōu)點(diǎn)有:其長(zhǎng)度小而且質(zhì)量輕,與壓氣機(jī)流場(chǎng)的匹配很容易,并且壓力損失小,外殼體間可互相傳遞扭矩,因此可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體剛性,進(jìn)而有利于是重量減輕。它的缺點(diǎn)包括:出口截面的溫度分布不容易維持,其燃油流動(dòng)與空氣的流型很難進(jìn)行配合,而且在探究過程中,需要很大的氣源,與整機(jī)流量相一致,費(fèi)用不低等。

1.3 環(huán)形燃燒室

此燃燒室由四個(gè)同心的圓筒構(gòu)成,而且在火焰筒的端部裝有一圈燃油噴嘴和火焰穩(wěn)定裝置。這樣會(huì)與壓氣機(jī)出口和渦輪進(jìn)口的環(huán)形氣流通道可以有很好的氣動(dòng)配合,可以減少流動(dòng)損失,縮短燃燒室頭部的擴(kuò)壓段。在軸流式壓氣機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)中比較常見。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是,在燃燒室內(nèi)外殼之間還可以構(gòu)成環(huán)形燃燒區(qū)與摻混區(qū)。按照燃燒室內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀況,可以分為直流環(huán)形、回流環(huán)形與折流環(huán)形燃燒室三種。它的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)最為緊湊,性能較好,近年來使用率高;可以獲得較均勻的出口溫度場(chǎng);空間的使用率非常高,殼體間有利于扭矩與力的傳遞,還可以減輕重量。缺點(diǎn)包含有:燃油分布與環(huán)形的進(jìn)氣不容易配合。而且調(diào)試比較費(fèi)勁,要有大型的氣源裝備,也不容易維護(hù)與拆裝。

2 燃燒室的主要性能指標(biāo)

由于燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的一部分,因此為了適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求,燃燒室必須要滿足一定的性能指標(biāo)參數(shù),有兩種方法來評(píng)價(jià)。一種是燃燒室的設(shè)計(jì)水平,另一種是其工作狀態(tài)是否正常。然而對(duì)于不同類的發(fā)動(dòng)機(jī),要求的側(cè)重點(diǎn)是不一樣的[1]。

一般來說,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的性能衡量指標(biāo)有:燃燒室的燃燒效率、啟動(dòng)點(diǎn)火狀態(tài)、高空再點(diǎn)火狀態(tài),工作穩(wěn)定的范圍,出口溫度的分布,污染物的排放量,燃燒室的壽命等。

3 燃燒室的發(fā)展?fàn)顟B(tài)及趨勢(shì)

為了得到環(huán)保性的適航要求,現(xiàn)在航空領(lǐng)域的主要發(fā)展目標(biāo)是降低污染物的排放,尤其是氮氧化物的排放。現(xiàn)在研制的低污染燃燒技術(shù)包括:LPP(貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā))燃燒方式、RQL(富油-快速-貧油)燃燒方式、LDI(貧油直接噴射)燃燒方式、MP-LDI(多點(diǎn)噴射貧油直噴)燃燒方式以及雙環(huán)腔燃燒(DAC)技術(shù)等大量低排放燃燒技術(shù)等[2]。然而,我國(guó)在高效低排放燃燒技術(shù)方面的研究才剛剛起步,與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距還很大。與此同時(shí),國(guó)際上主要的發(fā)動(dòng)機(jī)公司都申請(qǐng)了大量的專利,對(duì)其研制的低排放燃燒技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行全方位的保護(hù)和嚴(yán)格的保密。鑒于此,我國(guó)目前只有靠現(xiàn)有的能力,發(fā)展完全屬于自己的高效低排放燃燒技術(shù),可以在大力借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,不斷發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效低排放燃燒技術(shù),實(shí)現(xiàn)低排放燃燒技術(shù)的跨越式發(fā)展。

LPP燃燒室較短,具有極高的燃燒效率,并且NOx和碳煙的排放極低,但其燃燒穩(wěn)定性不好,存在回火、自燃等不穩(wěn)定因素;RQL燃燒室燃燒效率高,低NOx排放,貧油熄火邊界寬,燃燒穩(wěn)定,沒有回火和自燃現(xiàn)象。與LPP燃燒室相比較,RQL燃燒室穩(wěn)定性和安全性較高,而且它可以適應(yīng)各種不同組分的燃油, 但其碳煙排放很高,燃燒區(qū)長(zhǎng)。貧油直接噴射LDI( lean direct injector) 燃燒室,它是貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)模型(LPP)的一種變形,則燃燒區(qū)較短。不同的是,LDI燃燒室中燃油是直接射入燃燒區(qū),因此沒有LPP模型與生俱來的自燃和回火隱患。而多點(diǎn)貧油直噴(MP-LDI)燃燒室的模型,即在燃燒室頭部采用多個(gè)旋流器和噴嘴實(shí)現(xiàn)分級(jí)分區(qū)供油,這種燃燒室能在不同工況下實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制燃油量,從而有利于擴(kuò)大穩(wěn)定工況范圍,燃燒充分,縮短燃燒室長(zhǎng)度;便于控制燃燒室中的溫度分布并降低NOx的排放,提高燃燒室性能。由于其眾多的優(yōu)越性,使得 MP-LDI燃燒室成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

參考文獻(xiàn):

[1]周賀,張志軒.燃燒與燃燒室[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009(09):237-238.

[2]劉大響,金捷等.大型飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2008,23(06):976-980.

作者簡(jiǎn)介: 周蕊燕(1989-),女,山西運(yùn)城人,碩士,研究方向:航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒設(shè)計(jì)與分析技術(shù)。

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