第七章燃烧室的空气流动

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。
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。
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。
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（Waitman et al.,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。
• 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η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=0.3～0.5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。
• 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。
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
P P 3.0 1 1 AR 2 CP P 3.0 PS 3.0 P 3.0 T T T
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。
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 （ Lv S ）较小时易引起流 v 动分离。
轴向旋流器
轴向直叶片旋流器设计参数
29
源自文库
32
图15 叶片 Lv Sv 对旋流数的影响
33
旋流数
旋流数Sn与回流区的关系：
•Sn<0.4，那是弱旋流，不会出现回流 区； •0.4<Sn<0.6，为中等旋流，流线肯定 会扩散，但可能不出现回流区（也有 实验表明，在有燃烧情况下，有中心 回流区），那是边缘情况； •Sn>0.6，那是强旋流，有回流区出现 ； •Sn>1.2，那是非常强的旋流。 图14 轴向旋流器中叶片角对旋流数的影响
火焰筒各路进气的分配及功用
在燃烧室内确定适当的气流分配是组织燃烧的基础。
主燃烧室工作总体描述：空气分股，燃烧分区
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 α =0.3~0.5 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 α =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 α 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。
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6突扩扩压器示意图 15
压力损失用静压力恢复系数CP ：
CP PS 3.1 PS 3.0 P 3.0 PS 3.0 T
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AR
：
A3.2 h2 AR A3.1 h1
图8 二维扩压器扩压流动特性曲线
17
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M≈1（一般0.5<M<1）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。
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。
（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。
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α>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。
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α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 。
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。
•
• 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
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
§ 7.1 燃烧室流路设计
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。
§ 7.2 设计扩压器
• 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。