航空发动机工程通论：燃烧室的工作过程

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：燃油喷嘴将燃油雾化并喷射到燃烧室头部，燃油和空气的混合过程发生在燃烧室前端。燃烧室头部周围空间通常称为主燃区，因为燃烧过程大多发生在这里。

2.6.2.1　流动过程

燃烧室的流动过程如图2－31 所示。燃烧室的主要功能是将燃油与空气混合并燃烧。来流空气首先通过燃烧室上游的扩压器，并尽可能多地将动压恢复为静压，适当减小燃烧室的进气流速。通常扩压器设计以燃烧室最大截面积处未燃空气流的平均轴向速度保持在10 m/s 左右为宜。气流速度太低也是不利的，因为它需要更大的燃烧室。

燃烧室内紧挨着喷嘴的下游空间通常称为燃烧室头部。燃油喷嘴将燃油雾化并喷射到燃烧室头部，燃油和空气的混合过程发生在燃烧室前端。一个理想的喷嘴应该在燃料与空气燃烧之前将燃料与空气混合到均匀状态；性能差的喷嘴所形成的油气混合物局部ER（油气混合当量比）变化很大。过富的混气团燃烧时会产生CO 与炭黑，它们的化学能不能转化为燃气的热焓；过贫的混气团如果低于可燃混气下限，则不能燃烧，或只有部分燃烧，从而导致未燃碳氢产生，其化学能也不能被提取。贫油和富油燃烧均会导致环境污染。

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图2-31　燃烧室流动图

1—喷嘴杆；2—次掺混孔；3—气膜冷却流；4—机匣；5—火焰筒；6—主掺混孔；7—主燃回流涡；8—气膜冷却流；9—旋流叶片；10—燃油喷嘴；11—扩压器

电子点火器位于燃烧室前端附近，用来在开始时点燃燃油与空气的混合气。燃烧室头部周围空间通常称为主燃区，因为燃烧过程大多发生在这里。在正常工作时，燃烧室的总空气/燃油比可在45∶1 和130∶1 之间变化。然而，只能在接近于15∶1 的比例下燃油燃烧最有效，所以燃油必须只和进入燃烧室的一部分空气在主燃烧区中燃烧。在燃油喷嘴下游，火焰筒内充满热燃气，筒上有许多小孔，可让适量的空气流入，并在筒的内侧面形成气膜以冷却筒体。

燃油喷嘴下游约头部高度一半位置上，火焰筒上开有一系列孔，叫主掺混孔，来自这些孔的空气射流有助于在主燃区稳定火焰、稳定涡，也有利于补充空气，以燃烧掉大量的燃油。

在燃烧室后面部分设有次掺混孔来引入部分空气，以稀释燃气，适应涡轮承受能力，同时调制燃烧室出口温度分布。

2.6.2.2　雾化过程

对燃烧室性能影响最大的是燃料（油）喷嘴。燃油只有在气相状态且与空气在分子层面混合在一起时才能燃烧。燃油首先要雾化，这就需要燃油喷嘴来完成，图2－32 所示为几种燃油喷嘴。喷嘴将液体燃油破碎成小油珠，一般最初油珠粒径为10～50 μm，流动初速度为15～30 m/s，从而大大提高了燃油蒸发的表面积。燃油喷嘴产生的气体湍流可以加快燃油的分布与掺混，而且来自周围热空气的热量能扩散到燃油内部，形成更多的蒸发。一个理想的喷嘴应该在燃料与空气燃烧之前将燃料与空气混合到均匀状态，而性能差的喷嘴所形成的油气混合物局部ER（油气混合当量比）变化很大。过富的混气团燃烧时会产生CO 与炭黑，它们的化学能不能转化为燃气的热焓；过贫的混气团如果低于可燃混气下限，则不能燃烧或只有部分燃烧，从而导致未燃碳氢产生，其化学能也不能被提取。贫油和富油燃烧均会导致环境污染。

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图2-32　燃油喷嘴示意图

（a）压力喷嘴；（b）气动喷嘴（三旋流器）；（c）复合喷嘴；（d）带值班压力喷嘴的气动喷嘴

2.6.2.3　燃烧过程

航空发动机使用煤油型的碳氢燃料，属于中间馏分油，包含多达上千种组分，但大多是正链与支链的烷烃、烯烃、环烷烃及芳香烃。为了方便，国产3 号煤油RP3 的平均化学分子式可表示为C12H23，它与空气完全反应的化学平衡式可表示为

燃料与空气完全反应的条件是指化学恰当状态，此时油气比约为0.068。任何燃料—空气油气比与完全反应油气比之比称为当量比或ER。当ER 大于1 时的燃烧称为富油燃烧，或富油；而当ER 小于1 时的燃烧则称为贫油。

（1）火焰稳定

碳氢燃料燃烧是一个复杂的、多步骤、多路径的化学反应过程，并受燃料与空气混合速度的制约。火焰稳定需要：

1）将燃料与空气快速混合成气态；

2）加快火焰传播速度；

3）提供持续点燃新鲜来流混合气的物理机制。

好的油气混合可通过燃油喷嘴设计来实现，较高的火焰传播速度可通过高压比带来的高进气温度来实现，而持续点火则可通过回流的热燃气与新鲜混气持久接触来实现。所有这些特性在传统燃烧室头部均存在：源于燃油喷嘴的高湍流流动、高进气温度及燃气温度，以及主燃区的回流涡旋等。主燃区的回流涡旋通常要靠一组旋流叶片环绕喷嘴周围，空气流过旋流叶片时形成旋流，并产生强烈的湍流和回流区，一方面加速油珠蒸发和与空气混合，另一方面使得下游的高温燃气不断地卷回至回流区而稳定火焰。

（2）掺混过程

通常主燃区的平均油气比稍稍偏富，但有些气团可能很富，这些缺氧的气团在燃烧时会产生一氧化碳与炭黑。为了消除这些不完全反应产物，通常通过一组主掺混孔或主燃孔来补充额外的空气，以燃尽不完全反应的产物，同时将ER 降到1 以下。大量热气流与空气流在补燃区以交叉射流的形式掺混及燃烧。由于燃气太热，所以可通过次掺混孔供入的新鲜空气与之掺混并起到稀释的作用，以便燃烧室排气温度下降到涡轮静叶片可以接受的程度。主掺混孔与次掺混孔的射流约占燃烧室总空气量的1/3。

燃烧室其余的1/3 进气被用于冷却火焰筒，这些冷却用的新鲜空气进入燃烧室后紧贴在火焰筒壁面上，并降低了壁面附近空气的平均温度。为了使燃烧室出口截面燃气温度分布均衡，掺混孔的射流会向燃烧室流程中间供入稀释空气。

燃烧室出口的燃气温度通常在1 400～1 700 ℃，而要在高度方向上获得均匀温度分布，就必须具有良好的掺混与稀释作用。

尽管在一个运行周期中燃烧室压力变化很大，但通常燃烧室内气流的平均轴向速度是相对恒定的，提高这个参考速度会增大吹熄的可能性，而降低它则需要更大容积的燃烧室。折中后燃烧室的参考速度（平均前进速度）一般在8～20 m/s。

航空发动机工程通论：燃烧室的工作过程

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