燃烧室性能分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：这些燃烧室的压力损失系数分别为18、25、35左右。燃烧室内火焰温度超过2000K，因此提高燃烧室火焰筒的耐久性和同时尽可能做到涡轮进口燃气温度的分布，以防止涡轮的早期恶化。火焰筒的寿命主要受到因高温氧化造成的板厚减小和因反复加热造成的低频疲劳损坏的影响。火焰筒的所有部分设计温度基本上不会超过许可温度1100K。

要提高燃气涡轮的效率，应提高循环的温度以及各部件的效率。燃烧系统的效率高意味着燃烧效率高和压力损失小。通常，燃烧效率为99%左右，压力损失为压缩器供给压力的2%～8%。此外，燃烧室的性能方面要考虑燃烧室的耐久性和有害气体排放特性等。

1.燃烧效率

燃烧效率η_b定义为供给到燃烧室的燃料实际发热量与燃料应产生的发热量之比。燃烧效率与发动机的推力燃料消耗率比成正比。现在燃烧室在大部分的运行领域内可以获得99%以上，无负荷条件下也可获得95%以上的燃烧效率。

燃烧效率是通过分析燃烧生成物可以得知。如果知道在燃烧中实际使用的空气量和燃料量，可以求出理论上的供给热量；如果知道燃烧生成物中不完全燃烧物的比率，就可以求出实际能量产生量，以此可以得出燃烧效率。为了计算实际燃气涡轮燃烧室在某一阶段为止的燃烧效率，需要在很高的流动状态对燃烧气体采样进行化学分析。这种方式实际上不容易实现，此外燃气涡轮燃烧室的空燃比非常大，在样本中不完全燃烧物所占的比例很小，因此会导致很大的误差。燃烧效率定义为

式中，ΔT为燃烧室进口与涡轮出口的平均总温之差。如果燃烧室出口的温度过高，会损坏热电偶，继而导致涡轮叶片的烧伤，因此检测涡轮出口的温度非常重要。

2.压力损失

燃烧室内的燃烧在理论上进行定压燃烧，实际上有通过摩擦损失、流动损失的压力损失。如果发生压力损失，因随之压缩功会减少，实际的增压比会减小，导致热效率降低。因此，为了提高燃料效率，需要尽可能减小压力损失。通常，如果燃烧达到高负荷、高效率，总体上会容易导致压力损失的增大。

航空用燃烧室的压力损失为相对于燃烧室进口前压力为4%～6%。燃烧室的压力损失通常因为空气流分布不均、燃烧室内部的燃料与空气的急速混合以及燃烧室与涡轮的有效冷却等原因发生。保持较低的压力损失对于发动机是相当重要的性能。即，压力损失每增加1%，推力燃料消耗率比也会增加1%。

总压损失系数Δp_b为动压差，是无量纲数，表示为

式中，A_m为燃烧室的平均端面积。压力损失系数越小，压力损失会越小。根据燃烧室的形状，以环型、环状筒型、筒型的顺序压力损失会增大。这些燃烧室的压力损失系数分别为18、25、35左右。

3.耐久性

耐久性在行驶性、经济性和可靠性的观点上最重要。通常，航空用发动机的耐久性以10000h为目标。燃烧室内火焰温度超过2000K，因此提高燃烧室火焰筒的耐久性和同时尽可能做到涡轮进口燃气温度（TIT）的分布，以防止涡轮的早期恶化。火焰筒的寿命主要受到因高温氧化造成的板厚减小和因反复加热造成的低频疲劳损坏的影响。火焰筒的所有部分设计温度基本上不会超过许可温度1100K。

影响耐久性的主要要素有燃烧室出口的温度分布。这里有模型系数（Pattern Factor）PF，定义为

式中，T_max、T_avg、T_inlet分别为在燃烧室出口检测的最高温度、平均温度和在燃烧室进口检测的温度。

模型系数作为表示燃烧室出口端面或涡轮进口端面局部最大温度大小（或热冲击）的指标使用。这表示高压涡轮的叶片设计为必须在模型系数所表示的最高温度条件下运行。模型系数通常为0.25～0.45，如图12-24所示为燃烧室出口无量纲温度分布。

燃烧室性能分析

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