航空发动机燃烧室研制之关键.docx
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1、航空发动机燃烧室研制之关键目录1 -序言12 .燃烧室是航空发动机的核心之一,它要经历怎样的研制阶段?23 .军民用航空发动机的燃烧室技术有何不同?54 .风扇/压气机64 .1.风扇叶片65 .2.整体叶盘/叶环86 .燃烧室97 .涡轮116. 1.涡轮盘116.2.涡轮叶片127.结束语14参考文献141.序百人们常把发动机比喻为飞机的“心脏”,而燃烧室可以说是“心脏”的“心脏”。燃烧室的作用是将化学能(燃油加空气)转化为燃烧产物和剩余的未燃空气的热能(温度升高)。燃烧室接受压气机流出的高压空气,通过燃油燃烧产生热能,为涡轮提供均匀混合的热气。这样涡轮才能输出驱动压气机工作所需的功率,这
2、就决定了燃烧室是发动机的“心脏”,也就是“心脏”的“心脏”。航空发动机的推力是由于发动机进口和出口的动量差和压力差产生的。航空发动机原理看似简单,但背后却存在着十分复杂的研制过程,尤其是作为核心部件的燃烧室及燃烧技术研究。航空发动机的燃烧室位于压气机和涡轮之间,发动机工作时,在燃烧室供入燃料,与高压空气混合,形成可燃混合气,进行充分的燃烧,以提高气流温度,并在涡轮和喷管中膨胀做功。航空发动机的推力是由于发动机进口和出口的动量差和压力差产生的。航空发动机原理看似简单,但背后却存在着十分复杂的研制过程,尤其是作为核心部件的燃烧室及燃烧技术研究。航空发动机的燃烧室位于压气机和涡轮之间,发动机工作时,
3、在燃烧室供入燃料,与高压空气混合,形成可燃混合气,进行充分的燃烧,以提高气流温度,并在涡轮和喷管中膨胀做功。航空发动机是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素。从1903年莱特兄弟首次实现动力飞行所使用的推重比仅为0.11的水冷式发动机到第二次世界大战期间迅速发展起来的推重比可达1.0左右的活塞式发动机,再到如今成为航空动力装置主力的推重比已达10.0左右的喷气式发动机,航空发动机推重比有了重大发展(见图1)1o评价航空发动机性能的关键性指标为发动机的推重比,其每一阶段的发展都是与当时的社会需要以及科学技术发展水平(如耐高温的材料、先进的加工方法等)分不开的。自20世纪40年代进入喷气时代以来,伴
4、随着人们对发动机推重比需求的提高,航空发动机技术得到了飞速发展,它每一次的更新换代都伴随着一些新结构的应用,而支撑这些结构的基础就是一些新材料与制造技术的发展与使用。因此,必须对航空发动机关键部件在结构、材料及制造技术方面的发展及未来的应用趋势进行深入剖析。图11940-2010年间发动机推重比的发展2 .燃烧室是航空发动机的核心之一,它要经历怎样的研制阶段?第一点,航空发动机燃烧室的研制包括设计和研发两个阶段,所有的航空发动机燃烧室都要经历设计、加工和试验阶段。试验后又修改设计,修改设计后再做试验。而且要这样反复多次,才能定型,甚至于在设计定型以后,还会有一些小的改动。第二点,燃烧室的设计研
5、发以试验为主。现在计算流体力学(CFD)在风扇和压气机的设计研发过程中可起到关键性作用。在西方航空发达国家,己有成熟的三维压缩系统设计方法。但是在燃烧室的设计研发中计算流体力学方法仍起不到关键作用,这主要是由于燃烧室中的燃烧过程涉及湍流、液滴破碎和蒸发、油气混合、化学反应、化学平衡、化学动力学、传热学等诸多学科。CFD在试验结果出来以后对理解判断结果有帮助,并且在开始设计研发之前也可以辅助做一些初步方案筛选。第三点,燃烧室设计研发有两大部分:一是气动热力设计研发,另一个是机械设计研发。第一位进行的是气动热力设计,在燃烧室主要的燃烧问题解决以后,大体上在全环形燃烧室阶段开始机械设计。机械设计包括
6、材料选择、应力分析、强度计算、寿命预估、连接、振动分析、装配、间隙、公差和配合等。也要做必要的重量分析,加工工艺分析,维护修理方案等。很多情况下,人们往往只强调燃烧室的气动热力设计,而忽视了机械设计研发。实际上燃烧室的机械设计研发对燃烧室的寿命、维护和成本等非常重要。第四点,如何设计研发燃烧室?要从起点开始:其一,发动机的用途,最主要是军用的还是民用的;其二,发动机对燃烧室的要求,这是最根本的;其三,发动机的循环参数,这是燃烧室设计研发的最重要的一个起点,燃烧室是按照循环来设计的,也是按照循环来试验和研发;其四,是燃料。有了这四个起点,就开始搞初步设计研发,初步设计研发后,再进行详细的设计研发
7、。新一代的先进燃烧室初步设计研发以单管燃烧室的设计研发为主,而其详细设计研发则从全环形燃烧室设计研发开始,直到燃烧室装到发动机上,至定型并服役。第五点,初步设计主要是气动热力设计研发。初步设计研发中最最核心的问题是燃烧组织的设计研发,主要在单管燃烧室进行。燃烧组织问题到详细设计时不能再出现。详细设计阶段是全环形燃烧室设计研发,如果是型号研发,会牵涉到很多的机械设计研发的问题,还会涉及到很多工程上的问题。在初步设计研发中,在单管燃烧室里面出现的问题,必须在初步设计阶段解决,不能带到全环设计阶段。第六点,设计点设计和非设计点的设计研发。通常都是以燃烧室100%工况定义为设计点,但也必须要考虑非设计
8、点(或者过渡工况)。过渡工况的设计对于低污染燃烧室设计研发尤其重要,特别是采用贫油预蒸发预混合方案的燃烧室,其不可缺少的要有主油分级,这对过渡工况的设计研发变得极其重要。这从另一个方面说明燃烧室的设计研发离不开燃油系统的配合。第七点,从技术发展来看,燃烧室设计研发又分几个阶段,一个是技术研发阶段的燃烧室设计研发,二是型号研发阶段的燃烧室设计研发。现在我们常常讲基础研究、预先研究和型号研发等,但是很少说及技术研发。燃烧室研发要重视技术发展,等技术掌握了再上型号。全环形燃烧室乃至发动机型号服役后仍有一系列工程性问题需要解决。第八点,关于燃烧室设计的全过程如图所示。从整个国家来说当然必须要有基础研究
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