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1、3 燃烧室的工作过程n燃烧室的工作过程由以下几部分组成：n1、气流流动过程的组织n2、燃料浓度场的组织n3、燃烧区中可燃混合物的形成、着火与燃烧n4、混合区中二次掺冷空气与高温燃气掺混过程组织n5、火焰管壁冷却过程组织3-2 燃烧区中气流流动过程组织n 高过量空气系数给燃烧室工作带来的困难：n1、燃烧区温度低，燃烧不完全，燃烧效率低；n2、气流流动速度高，燃烧火焰容易吹熄3-2 燃烧区中气流流动过程组织n解决方法：n1、加装扩压器，减小气流流速，进而减小压降损失。n2、采用气流“分流”的办法提高燃烧区温度；n3、采用火焰稳定器，为稳定火焰创造条件。3-2 燃烧区中气流流动过程组织n一次空气供气
2、方案：n1、将一次空气全部由装在火焰管头部的旋流器供入燃烧区；n2、将一次空气由旋流器及前几排射流孔供入。3-2 燃烧区中气流流动过程组织n火焰稳定器的作用：3-2燃烧室中气流流动过程组织3-2 燃烧区中气流流动过程组织n环状气流层的影响：n1、增强湍流，为改善燃料与一次空气的混合创造条件；n2、为燃料的连续点火及火焰稳定创造条件。3-2 燃烧区中气流流动过程组织n表征火焰管气流结构特性的参数：n1、回流区最大直径n2、回流区长度n3、最大直径处与旋流器距离n4、高温燃气回流量3-2 燃烧区中气流流动过程组织n一次空气旋流器结构参数的影响：n1、旋流器叶片安装角n2、轮毂比n3、旋流器外缘直径
3、与火焰管圆柱段直径的比值n4、叶片数目3-2 燃烧区中气流流动过程组织n结构形式的影响：3-2 燃烧区中气流流动过程组织n一次空气供气方式的影响n1、回流区缩短n2、减弱环形流动强度n3、减弱气流切向分速度n4、使回流区变形3-2 燃烧区中气流流动过程组织n射流孔供入空气量的影响：3-2 燃烧区中气流流动过程组织n一次射流孔布局的影响3-2 燃烧区中气流流动过程组织3-2 燃烧区中气流流动过程组织n射流深度的影响：3-2 燃烧区中气流流动过程组织n燃烧工况的影响：n1、温度升高回流区缩小n2、速度场平坦n3、回流量下降3-3 燃烧区中燃料浓度场组织n要求：n 确保在任何工况下，燃烧空间中燃料与
4、空气的局部配合关系都处在可燃范围内。3-3 燃烧区中燃料浓度场组织n影响因素：n1、燃料的喷射特性（喷油嘴）n2、一次空气的分配规律n3、一次空气流动特性3-3 燃烧区中燃料浓度场组织n1、燃料雾化质量对浓度场分部的影响：n 雾化颗粒过粗燃烧时间长，不易燃烧完全，燃烧效率低；惯性较大容易在火焰管壁面凝结。n 雾化颗粒直径过小，穿透能力小，燃料不能有效分布到燃烧空间中去。3-3 燃烧区中燃料浓度场组织n2、燃料在燃烧空间的分布n不均匀分布n轴线附近缺少新鲜空气n一次空气主流区，空气流速高温度低n因此，燃料主要分布在回流区与一次空气主流区边界，向两侧浓度逐步下降。3-3 燃烧区中燃料浓度场组织n3
5、、一次空气补给方案n一次空气的补给方案决定于燃料的挥发性。n过早，温度低降低挥发程度，不利于形成预混可燃物。n过迟，火焰延长。n4、喷雾锥角燃烧区中可燃混合物的形成着火与燃烧n燃烧区中火焰类型：n1、预混可燃气体湍流火焰传播n2、湍流扩散燃烧3-3燃烧区中可燃混合物的形成着火与燃烧n区别：n 预混燃烧火焰前锋传播速度受化学动力学因素控制，燃烧完成取决于火焰前锋的传播速度。n 扩散燃烧取决于燃料与氧化剂的混合，新鲜空气的补给决定燃烧效率。n（要求化学反应速率高于扩散速率）3-4燃烧室掺混过程的组织n掺混目的：n1、使高温燃气达到要求的初温值T3*n2、使出口温度场的均匀程度达到要求的范围。n影响
6、因素：n1、掺混空气量n2、射流孔的结构型式、尺寸和布局n3、射流深度n4、高温燃气的温度场n5、燃烧室外壳与火焰管之间二次流道中的流动情况n一、掺冷空气量的影响n二、二次掺冷空气流动参数的影响n二次掺冷空气流动参数的定义：n掺冷空气流动参数直接关系着射流速度、射流流量、射流深度n燃烧室流动阻力损失对温度场均匀性的影响：n三、二次掺冷空气射流深度的影响n射流深度估算方法：n混合区前燃气的最高温度区域大致分布在火焰管轴线附近，为使这部分高温燃气冷却降温，必须把二次掺冷空气喷射到火焰管中心区域内。nH=（0.350.65）dfndf-射流平面上火焰管直径n四、射流孔之间周向间距的影响n防止掺冷空气
7、交混分层流动形成阻塞圈n五、射流孔布局的影响n两种开孔方案掺冷效果对比n最后一排射流孔位置的影响n六、二次空气流道气流流动均匀性影响3-5火焰管壁冷却过程组织n火焰管破坏形式：n 裂纹、翘曲、变形、烧穿等。n火焰管壁冷却目的：n合理组织二次空气流，使火焰管受热部件得到有效冷却，确保壁面温度比较均匀的保持在材料使用寿命容许范围内。第四章 液体燃料雾化和喷油嘴n液体燃料燃烧特点n1、扩散燃烧 2、非均相燃烧n n液体燃料燃烧过程液体燃料燃烧过程n1、雾化n2、蒸发n3、掺混n4、燃烧n液体燃料燃烧过程示意图4-1液体燃料的雾化机理n液体燃料喷散雾化目的：n1、把连续燃料射流分裂成为细滴，以求增加液
8、体燃料蒸发的总表面积。n2、把燃料合理的分布到燃烧空间中去n燃油雾化现象n雾化颗粒的形成n1、液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。n2、由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。n3、在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形油珠。n4、在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。n油珠破碎过程气动力表面张力n油珠表面受力分析n外力：气动力、惯性力n内力：表面张力、粘性力2、液珠破碎条件表面张力气动力表面张力气动力如果=q，则：定义韦伯准则数实验中发现：8We10.7：液珠只发生变形而不破碎，10.7We14：液珠开始破碎We1
9、4：全部液珠破碎成细小的雾珠，We ，平均直径愈小n薄膜破碎：n1、轮毂式破碎n2、穿孔膜破碎n3、波浪式破碎4-2液体燃料雾化质量标准n一、喷雾锥角n二、喷雾射程n三、燃料分布特性n四、雾化颗粒细度1、按油珠直径求出的平均直径2、按油珠表面积求出的平均直径3、按油珠体积求出的平均直径4、质量中间直径（MMD）作为平均直径大于或小于这个直径的油珠的质量各占50%5、索太尔（sauter）平均直径（SMD）ds三、液珠尺寸的分布1、数量积分分布 2、重量积分分布 3、液滴数量的微分分布 4、液滴重量的微分分布 （）油珠群几种典型分布Rosin-Rammler:Rosin-Rammler:P(ps
10、i)均匀指数Nukiyama-Tanasawa:Nukiyama-Tanasawa:正态分布：正态分布：正态分布：正态分布：4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计n1、离心喷油嘴的结构和工作过程4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计n2、离心喷嘴理论 1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论。基本假设：1.流体为无粘性的理想流体；2.不计喷嘴内部流动的径向分速度；3.喷嘴处于最大流量状态工作。4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程 根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为 不计粘性时，流体的动量守恒，故有 4.3
11、单油路离心喷油嘴的工作原理与设计n径向平衡条件：n由于无径向运动，流体满足径向平衡条件：4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计积分得（与r无关）4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计在燃油与空气核的交界面上有：4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计空气核界上的切向速度为 又据连续方程有 A称为离心喷嘴的几何特性参数，表示离心喷嘴几何相似的准则 4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计为轴向速度系数 为流量系数 流量流量流量流量4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计最大流量原理 流量系数流量系数流量系数流量系数4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计雾化锥角雾化锥角雾化锥角雾化锥角4.3单油路离心喷
12、油嘴的工作原理与设计n几何系数与流量系数关系曲线：4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计离心喷嘴设计计算程序设计程序：1、选定雾化锥角，由此确定几何特性参数A2、确定流量系数3、确定喷嘴的孔径4、确定喷嘴其它尺寸已知条件：供油能力（供油量）、供油温度和压力、燃油物性参数（密度、粘度）离心喷嘴几何参数的影响离心喷嘴几何参数的影响表现在几何特征参数：表现在几何特征参数：空心涡加大油膜薄雾化好摩擦损失4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计3、目前测量粒径的方法（1）接触式 印痕法、石蜡法等（2）非接触式 激光散射技术 马尔纹粒度仪 脉冲激光全息技术4.3单油路离心喷油嘴的工作原理与设计4.4 影响雾
13、化的因素n影响喷雾特性的因素：n喷油嘴结构n喷油压降n液体燃料的物理性质n燃烧空间气体介质的物理性质4.4 影响雾化的因素n喷油压降的影响：n1、喷油压降影响喷雾射程n2、喷油压降提高至一定程度后对喷雾锥角的影响不明显n3、喷油压降提高，油滴平均直径明显减小n4、背压提高后喷油压降的影响减小。4.4 影响雾化的因素n液体燃料物理性质的影响：n粘性n表面张力n密度（惯性力）4.4 影响雾化的因素气体介质的物理性质的影响a 供油压力和液体射流与空气的相对速度 b 空气压力 主要体现在离心力、湍流度作用不大的情况下4-5常用喷油嘴的结构形式及工作特性一、喷嘴类型直流喷嘴离心喷嘴气动喷嘴旋转喷嘴4-5
14、常用喷油嘴的结构形式及工作特性n直流喷嘴特点：特点：特点：特点：1.结构简单，尺寸紧凑，安装布置方便2.雾化角小，雾化质量差4-5常用喷油嘴的结构形式及工作特性n离心喷嘴特点：特点：特点：特点：1.雾化锥角大，雾化质量好2.采用双油路，可获得更大的供油能力4-5常用喷油嘴的结构形式及工作特性n气动喷嘴特点：特点：特点：特点：1.雾化质量高2.排气冒烟少3.贫油熄火范围窄4.可采用特殊的气化剂4-5常用喷油嘴的结构形式及工作特性n其它喷嘴第5章燃烧室结构n燃烧室基本结构：n扩压器n喷油嘴n火焰筒n旋流器n点火器n联焰管燃烧室基本结构n燃烧室最大截面积的确定：n燃烧室最大截面积与燃烧室阻力损失相关
15、n平均速度的大小影响燃烧室阻力损失n火焰筒相对截面积的影响：n1、外环道流组损失n2、火焰筒内空气流量分配关系n3、燃气出口温度场分布特性火焰筒截面积n火焰筒头部过渡锥角n头部过渡锥角应与旋流器配合，以头部不发生气体分离现象为原则。燃烧室扩压器 压气机出口与燃烧室并不在同一轴线上，应设计过渡型线减少转弯流动损失。燃烧室扩压器合理选择扩压器的长度燃烧室扩压器扩压器型线设计：直锥型、等压力梯度、双扭线一次空气配气机构n尺寸参数控制范围与燃烧室配合工作注意问题：1、防止燃料喷至束腰环积碳，喷雾锥角控制在50702、加强头部冷却平面旋流器旋流器叶片角、轮毂比对旋流强度有重要影响：通常旋流器叶片角在45
16、60轮毂比的增加受火焰筒头部直径限制通常小于0.75旋流器出口通流面积计算旋流器尺寸确定原则n旋流器通流面积与阻力损失相关n旋流器轮毂比、叶片角与旋流数相关n叶片厚度与加工方法相关n叶片数的选取燃气混合机构火焰管壁面冷却机构流量系数n流量系数定义：n流量系数影响因素：n射流孔形状n几何尺寸n射流孔两侧气流流动参数n流动摩擦损失n出口与主流掺混损失燃气收集器n1、燃气收集器中心线上下通流面积沿轴线方向恒定不变n2、在型面变化剧烈的地方增加冷却孔n3、轴向尺寸与燃机整体结构相关其他参数n点火器位置n连焰管位置n连焰管直径n喷雾锥角n主燃区长度5.2燃烧室的新技术和新发展 对于燃烧室的设计，重点在于
17、强调易点火、燃烧稳定、燃烧效率高、低污染等方面。发展方向：高压比高燃气初温低污染n为解决高压比、高初温对燃烧室的冷却和使用寿命带来的困难，希望减小火焰管长度，因此需要：n1、缩短火焰长度n2、提高燃烧稳定性n3、强化火焰管壁面冷却燃烧室的污染问题主要污染物CO，Nox，烟，Sox，CH过去20年，通过研究低污染燃烧的发动机，发动机的碳氢化合物减少了90%，CO和NOX分别减少了80%和30%。因此，目前航空发动机排放的控制目标是降低NOX的排放。CO的生成n低功率时较大：（喷油量减少）n1）燃油雾化不好，停留时间太短，燃烧不完全n2）混合不好，局部富燃料燃烧n3）壁面冷却空气相对太大，导致猝熄
18、燃烧，使反应不完全nCH的生成与co生成原因类似，但CH易氧化浓度较CO小减少CO排放措施n减少CO排放低功率时：n采用空气雾化喷嘴来改善燃油雾化n对燃烧室内各部分空气量重新分配，使主燃区的当量比接近于最佳值(0.7)n增加主燃区容积或停留时间n减少气膜冷却空气量n压气机放气n分级供油，分区燃烧Nox的生成nNO生成机理NO的来源：1）空气中的N2分子氮按反应机理：热力NO瞬发NO2）燃料中的N 燃料氮NOx：95%NO；5%NO2热力NO生成n热力NO v温度对反应速度的影响很大，所以称为热力NOv1800K 热力NO很少。v所以降低火焰温度能显著减少NO的产生vNO往往不会在火焰面上产生，
19、而是在高温烟气中n瞬发NO（Prompt NO）Fenimore：富燃料混气火焰面上快速反应生成大量的NO，称为瞬发NO。机理与热力氮不同。CH+N2HCNC+N2CNNNNON瞬发NO生成机理研究表明：1）在T2500K时，NO的生成主要取决于热力NO燃烧室的污染问题影响燃料NO的因素：（1）燃料含N量的影响：实际燃烧过程中只有部分燃料N转化为NO，实际生成NO与全部燃料N之比称为燃料N转换率 ，影响燃料N转换率的因素：当1.3时，NO随着燃料N含量增加而增加，但却下降。当0.8时，NO随着燃料N含量增加先增加后饱和，而下降。（2）过量空气系数的影响：试验结果表明，燃料NO与热力NO不同，它受温度影响较小，这是因为燃料中N的热分解温度比火焰温度低，当燃烧达到分解温度而进行分解，生成NO与火焰温度关系不大。油气比对NO排放的影响：喷水：变几何燃烧室径向轴向径/轴向分级燃烧催化燃烧室贫油预混蒸发燃烧室n降低NOx的燃烧技术主要途径：1.选用N含量较低的燃料，包括燃料脱氮和转变成低氮燃料2.降低过剩空气系数，组织过浓燃烧，以降低燃料周围氧浓度3.在过剩空气的条件下，降低温度峰值以减少热力NO4.在氧浓度较低情况下，增加可燃物在火焰前锋和反应区中的停留时间。分级燃烧室：n发展方向：n1、提高预混n2、化学回热n3、贫油预混燃烧室n4、在燃烧室采用催化金属或陶瓷基体反应器n5、富油急冷