第七章燃烧室的空气流动

§ 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%。
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。
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。
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。
扩压器设计要求
• 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。
• 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。
• 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。
压力损失用静压力恢复系数CP ：
CP PS3.1 PS3.0 PT3.0 PS3.0
图7 进口速度分布畸变对扩压器性能的影响
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求扩压器的面积比AR ：
AR A3.2 h2 A3.1 h1
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
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。
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 。
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。
图6突扩扩压器示意图 15
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。
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Leabharlann Baidu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。