航空發(fā)動機新技術第五章燃燒室設計新技術課件

第五章燃燒室設計新技術目前航空發(fā)動機要求燃燒室在非常寬的工作條件下具有良好的性能，并且具有良好的燃燒效率和低的冒煙值。燃燒室噴嘴在小流量的條件下霧化質量直接影響高空飛行的工作穩(wěn)定性，燃燒室出口溫度的均勻直接影響到發(fā)動機工作的安全性和使用壽命。故提高燃油噴嘴霧化質量，改善滿負荷工作狀態(tài)時燃燒室的出口溫度是新型燃燒室設計的重點。常規(guī)燃燒室見5-1圖5-2：有兩個燃燒區(qū)，分別為一貧油一富油區(qū)，目的為了提高燃燒效率。適當增加空氣流量。圖5-3：在小載荷狀態(tài)啟用預燃級噴嘴噴油以提高燃油霧化質量。增大發(fā)動機工作穩(wěn)定性。圖5-4：更好的控制主燃燒室燃油的霧化質量，改善燃燒室的工作穩(wěn)定性和出口場溫度。四圖的優(yōu)缺點見表5-15.1.2試驗結果分析（1）燃燒室出口溫度場對比分析5-5、5-6、5-7（a、b）哪種燃燒室溫度分布均勻？（2）燃燒室的冒煙特性圖5-9給出了扇形試驗件的冒險特性試驗結果，表明：新設計的多旋流器燃燒室比現(xiàn)役短燃燒室油氣比高很多。（3）燃燒效率圖5-10多旋流器燃燒室增大了當量功率，增寬了油氣比的工作范圍，具有平穩(wěn)的燃燒效率圖5-11表明：采用多旋流燃燒室對于不同的狀態(tài)，開啟不同的燃燒室與功率的關系。

5.2新型的燃燒室結構設計5.2.1陶瓷基復合發(fā)汗冷卻火焰筒試驗證明，該火焰筒能在2000K的平均溫度下進行工作，并且具備一定的發(fā)展?jié)摿?.2.2碳化硅復合材料火焰筒允許火焰筒工作溫度高達1480℃5.2.3富貧快速摻混燃燒室如圖所示，此種發(fā)動機在很高的工作溫度水平上，劇本高的熱容強度和低的燃燒室環(huán)面溫度系數，發(fā)動機具備很好的耐熱性5.2.4瓦片式內壁燃燒室可以是合金也可以是陶瓷，主要優(yōu)點是受熱件不承力，并與氣膜冷卻相結合使用，可大大提高燃燒室的工作壽命和可靠性5.3復合材料和新型冷卻技術的應用研究5.3.1柔性金屬/陶瓷壁火焰筒結構如圖5-16所示，設計工作溫度可達1922K目前采用氣膜發(fā)動機工作溫度在1650K，而此種發(fā)動機設計工作溫度在1900K左右。圖5-17給出了采用此種CMC發(fā)動機后空氣流量比一般的氣膜冷卻空氣流量可減少80%5.3.2多孔層板冷卻火焰筒如圖5-18所示當冷卻空氣流過空層內部時，帶走了火焰筒壁面熱量和內部熱量，對火焰筒筒體冷卻效果提高5.4燃燒室相關其他技術1，多層燃油噴嘴圖5-19，采用多層噴嘴，多個噴射點，大大改善了燃燒的摻混程度。2，新型的三通道擴壓器設計（圖5-20）①擴壓器作用？②采用鈦鋁合金整體三通道擴壓器可以降低成本，改善燃燒室進口氣流速度分布，并可以縮短燃燒室的長度。3，旋渦式加力燃燒室采用獨特的火焰穩(wěn)定技術，可以縮短加力燃燒室的長度，降低重量，提高工作穩(wěn)定性4，等離子點火器①現(xiàn)役的點火器有哪些？②作用：可以在較高的氣流速度下增加燃燒室的工作穩(wěn)定性第六章先進高功率渦輪及轉子技術1，先進高功率渦輪的技術特點①要求：單級渦輪比功率在目前使用的先進發(fā)動機單級渦輪基礎上做功量提高14%，效率提高2.5%以上②主要特點：1>在較高的溫度環(huán)境下工作2>提高轉子轉速，增大渦輪葉片進出口氣流的速度，加大速度三角形的扭速。3>仔細設計渦輪葉片的形狀4>使用最好的材料加工渦輪葉片和渦輪盤5>采用精密冷卻技術2，現(xiàn)代計算流體力學的應用由于計算機的發(fā)展技術，軟件和硬件的不斷提高，使得三維流體力學計算程序的開發(fā)在近幾年中已到達實用階段采用三維流體力學計算程序可以：提高單級渦輪做功能力減少二次流損失，提高渦輪效率了解渦輪表面的溫度場分布，指導渦輪冷卻空氣通道的設計6計算流體力學的應用：①深入研究葉尖氣流的復雜流動和換熱過程②動態(tài)分析渦輪導向器與渦輪葉片的相互作用③計算葉片表面的M數分布研究葉片表面的M書分布隨時間的變化規(guī)律，有助于研究提高渦輪葉片耐久性的相關措施6.3高效渦輪冷卻技術1，提高單位流量空冷效率前面講了，發(fā)動機渦輪工作溫度1900K以上，僅靠材料本身的耐高溫性是難以滿足要求的，因此必須對渦輪進行空冷。而依靠空氣冷卻的效果十分有限，因此提高單位流量的空氣冷卻效果勢在必行，下面介紹三種方案：①強制冷卻渦輪冷卻空氣②綜合利用冷卻空氣的熱能，引出高壓壓氣機空氣冷卻后流入渦輪冷卻后做功③進一步改善葉片冷卻氣流的流路，提高冷卻效果。2，提高渦輪葉片的冷卻效率第三代發(fā)動機渦輪采用耐高溫合金第四代則必須采用單晶合金此兩種渦輪葉片內部空心結構難于加工，即內部空氣流路因鑄造工藝技術過于復雜、精細，很難實現(xiàn)。使得三維仿真模擬渦輪內部溫度場難以進行。因此美國提出了通過兩個半片渦輪黏貼成一個渦輪葉片6-66-4粘接技術和渦輪葉片連接由第四章內容知道：渦輪轉速的提高，渦輪盤承受的離心力和自身的重量將增加，使得輪盤中心孔減小，無法設計雙轉子發(fā)動機。因此不減輕葉片重量，無法提高轉速，難以設計高功率的渦輪轉子。1，技術分析發(fā)動機轉子重量占發(fā)動機重量的25%左右，輪盤是主體，若能夠減輕葉片的重量，和葉片與輪盤連接部分的重量，就可以大大減輕渦輪輪盤的重量，從而減輕轉子部分重量。2，采用葉片粘接新技術減輕渦輪轉子重量放棄傳統(tǒng)的多齒連接方式，采用合金粘接技術，將葉片和盤連接起來。圖見6-7效果見4-3系數有所降低3，葉片的粘接技術簡介（略）6-5損傷容限設計技術6.6高性能渦輪部件的最新研究成果1，鈦合金基復合材料低壓渦輪軸此種軸與第三代合金渦輪軸比，可以減重30%，剛性提高40%，且壽命可靠性均有所提高2，低慣性，雙結構渦輪盤圖6-93，碳化硅-碳復合材料渦輪導向器特點：重量輕，成本低，耐高溫等性能4，整體式陶瓷材料渦輪葉片特點：減輕了渦輪葉片的重量，而且可以承受較高的燃氣溫度5，碳基復合材料的渦輪部件詳見P926，陶瓷基復合材料的渦輪過渡機匣特點：大幅度減輕機匣重量和冷卻空氣的流量7，鉬基和鈮基合金材料研究估計性能可以滿足第三階段目標所需高溫葉片設計需求第七章矢量推進技術矢量：有方向有大小的量。標量：只有大小，無方向的控制①膨脹比的概念：式中：尾噴管進口處總壓所在高度大氣壓力膨脹比：代表燃氣在進入尾噴管時壓力勢能的大小，或者說表示進入尾噴管燃氣膨脹能力的大小。與發(fā)動機的工作狀態(tài)，飛機的飛行速度、高度有關系。②落壓比：式中：燃氣流出尾噴口的靜壓落壓比：燃氣通過尾噴管的實際膨脹程度，表示尾噴管工作性能好壞的參數顯然：①完全膨脹