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硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介

时间:2019-07-23 07:03:02        来源:航空之家
u003Cdivu003Eu003Cp class=ql-align-center\u003Eu003Cbru003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cdiv class=pgc-img\u003Eu003Cimg src="http:u002Fu002Fp1.pstatp.comu002Flargeu002Fpgc-imageu002F0bd8e1a05d804571a12c6c39bab36846" img_width=1080 img_height=605 alt=硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介 inline=\u003Eu003Cp class=pgc-img-caption\u003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003Eu003Cp class=ql-align-center\u003E陈光u002F文u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E在小型燃气涡轮发动机中,已有多种发动机采用离心喷油的环形燃烧室。在这种燃烧室中,燃油供入到发动机主轴中并流u003Cspanu003E到装u003Cu002Fspanu003E在主轴上的甩油盘,或由轴外供入到装在主轴外的甩油盘中,在主轴高速旋转的离心力作用下,通过甩油盘上的径向小孔甩入燃烧室中。它可以保证在燃油流极小时仍能雾化良好,燃油在燃烧室中u003Cspanu003E周向u003Cu002Fspanu003E分布均匀,对小发动机来说这一点尤其重要。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E法国透博梅卡公司于1946年首先采用离心喷油燃烧室,一直沿用至今。它所生产的多型小型燃气涡轮发动机,广泛采用离心喷油燃烧室。其他国家所研制的一些小发动机上也有采用这种燃烧室的。表1列出了几型采用离心喷油燃烧室发动机的主要参数。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-center\u003Eu003Cbru003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cdiv class=pgc-img\u003Eu003Cimg src="http:u002Fu002Fp1.pstatp.comu002Flargeu002Fpgc-imageu002Fa442d6c490224c95ae371e7414cfc519" img_width=1080 img_height=459 alt=硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介 inline=\u003Eu003Cp class=pgc-img-caption\u003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E表1、几型采用离心喷油燃烧室发动机的主要参数u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E甩油盘的构造u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E美国J69 T 25发动机的离心喷油式燃烧室如图1所示。来自压气机的空气,经径向和轴向扩压器后分为三股,其中两股是燃烧室用的主气流〔一股气流),其总流量约为发动机流量的四分之一。其余四分之三气流(二股气流)用于冲淡燃气,降低燃气温度,满足涡轮进口条件的要求。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-center\u003E一股气流的一半左右从压气机中流出后,先向前而后向内转90°,从压气机机匣盖和火焰筒前涡旋板之间向内流,最后转为轴向,通过涡旋板上的孔进入主燃烧区。一股气流的另一半则沿燃烧室外套与外火焰筒外壳之间的环形腔向后流,然后向内转90°,穿过空心的涡轮导向叶片,再向前转90°,呈轴向向前流动,最后通过内火焰筒的孔进入主燃烧区。可见,一股气流是从前后两个方向相对进入主燃烧区的。u003Cu002Fpu003Eu003Cdiv class=pgc-img\u003Eu003Cimg src="http:u002Fu002Fp1.pstatp.comu002Flargeu002Fpgc-imageu002F386efdb089054d419761b2d24aeb7779" img_width=1080 img_height=613 alt=硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介 inline=\u003Eu003Cp class=pgc-img-caption\u003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003Eu003Cp class=ql-align-center\u003E图1 J69 T 25发动机结构图u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E固定于连接离心叶轮与涡轮盘的鼓筒轴上的甩油盘将燃油射入两股相对气流的中间。燃油离开甩油盘径向孔后即开始燃烧。燃油与一股气流混合后的混气先径向向外,而后再轴向向后流动的过程中完成全部燃烧过程。二股气流从外火焰筒后部的进气斗进入火焰筒,与燃气混合。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E图2是甩油盘的结构及气流与燃油在燃烧室中的流动情况图。低压燃油(一般为4~8kgu002Fcm2)通过主轴前端的进油孔进入甩油盘中心轴中。工作时,燃油在离心力作用下附在中心轴内壁上,呈一薄油膜,向后流入甩油盘中。燃油流入甩油盘后,由于黏性作用,使它基本上与甩油盘一起井以甩油盘外圆的u003Cspanu003E周向u003Cu002Fspanu003E速度旋转,对燃油施加很大的离心力,使其以极大的速度通过径向小孔甩出去。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E这时燃油相当于以100kgu002Fcm2的高压喷出(J69发动机为112kgu002Fcm2),比普通双路式离心喷嘴的压力高得多,使燃油得以很好地雾化。由于喷油孔的转速很高,所以能提高燃油雾化和与气流掺和的质量,而且雾化程度只随发动机转速变化,不受燃油流量的影响。u003Cu002Fpu003Eu003Cdiv class=pgc-img\u003Eu003Cimg src="http:u002Fu002Fp1.pstatp.comu002Flargeu002Fpgc-imageu002F2d4bea800b6d4d9083b0399266e0954b" img_width=1080 img_height=608 alt=硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介 inline=\u003Eu003Cp class=pgc-img-caption\u003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E对甩油盘内部的实际流动情况不可能进行直接观察,但是从改变内部尺寸的研究中可以看出,甩油盘内任何地方燃油膜的厚度不会超过0.75 mm,即使在流量最大时也是如此。这就是说,甩油盘内未充满燃油,燃油在其内部只形成一个厚度很小的空心油管同样,甩油盘的径向喷油孔在发动机工作时也不会充满燃油。据估计,如果轴孔内充满燃油时,其流量将会等于发动机所需最大流量的2千倍以上。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E经验表明,这种方法的喷油质量取决于甩油盘的转速与甩油盘轴孔内表面的制造精度和几何形状,与喷油孔的实际形状、大小和数量无关。因此,甩油盘轴孔与转子轴线的同心度是个最重要的问题。喷油孔的直径一般约为2~3mm,数量为9~18个。两者均随发动机尺寸增大而增加。在任何发动机上孔应尽可能多和尽可能大。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-center\u003E通过观察孔观察实际发动机的喷油情况时看出,燃油从甩油孔中流出时形成一很薄的空心管。流量不同只影响油管的厚度。计算表明,任何时候管壁厚度都小于0.075mm,因此燃油是以很薄的一片和很高的速度(相对燃烧室气流而言)喷入燃烧室中的,这是保证雾化良好和掺和均匀的理想条件。u003Cu002Fpu003Eu003Cdiv class=pgc-img\u003Eu003Cimg src="http:u002Fu002Fp1.pstatp.comu002Flargeu002Fpgc-imageu002F1631f8d75d5f4d029255c44c1267abea" img_width=1080 img_height=795 alt=硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介 inline=\u003Eu003Cp class=pgc-img-caption\u003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E图2 J69离心喷油环形燃烧室气流与燃油流动图u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E离心甩油盘的惯性很大,故黏度影响很小。在发动机上进行试验的结果表明,采取各种燃料(汽油、煤油与柴油等)对这种燃烧室的工作均无显著影响。可以看出,离心甩油盘也适用于黏性非常大的燃料(如原油等)。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E在通常采用的双油路式离心喷嘴中,由喷嘴流出的燃油雾化质量与燃油喷出时的压力成正比,而压力又与燃油流量的平方根成正比。因此,当燃油流量小即飞行器在高空低速飞行时,燃油雾化质量较差,很难完成燃烧过程。而采用甩油盘供油的燃烧室,燃油雾化质量与燃油量无关,只与甩油盘的转速有关,而甩油盘也即发动机转子转速变化范围不大,因此这种燃烧室能提高发动机的工作高度。例如采用J69发动机为动力的高空侦察机可在20km上空长期飞行,即是一例。u003Cu002Fpu003Eu003Cdiv class=pgc-img\u003Eu003Cimg src="http:u002Fu002Fp1.pstatp.comu002Flargeu002Fpgc-imageu002F675d4cb5e7de4d65acd2654dad7ef750" img_width=1080 img_height=720 alt=硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介 inline=\u003Eu003Cp class=pgc-img-caption\u003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E另外,通常的离心式喷嘴中的切向出油孔的孔径与位置准确度均要求极高,也即加工难度大,否则燃油在燃烧室中分布不均,会影响燃烧室出口温度场。但是,在采用甩油盘供油的燃烧室中,甩油盘径向孔尺寸与位置能很方便的加工出来。但是这种燃烧室只能用于空气流量较小的发动机中,由表1列出的典型发动机数据看,采用甩油盘的发动机空气流量均在每秒十几公斤以内。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-center\u003E上述的利用中心燃油管的甩油盘是一种最简单的供油方法。在有的发动机中,燃油很难供入到轴心的供油管,例如,双转子的发动机。在这种情况中,可将燃油由外部导管引到固定不动的供油环中,供油环圆周上钻有l圈小孔,燃油由小孔中喷到固定于轴上但直径大于轴的甩油环中,在离心力作用下甩到燃烧室中。图3示出了美国 T72发动机用的采用轴外供油的离心喷油燃烧室,因为它是双轴式的涡轮轴发动机,不可能再采用J69发动机那样的中心供油方式。u003Cu002Fpu003Eu003Cdiv class=pgc-img\u003Eu003Cimg src="http:u002Fu002Fp3.pstatp.comu002Flargeu002Fpgc-imageu002F09afb3c13df04a1e84910fab41547087" img_width=1080 img_height=629 alt=硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介 inline=\u003Eu003Cp class=pgc-img-caption\u003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E图3 T72双转子涡轴发动机燃气发生器结构图u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003ET72发动机的甩油环突出于轴外,其前端开有环形槽,静止的供油环由此伸入甩油环中。燃油以稍大于燃烧室的压力由供油环喷入转动的甩油环中去,由于黏性的作用,甩油环带着燃油旋转,然后通过小孔甩入燃烧室。这种喷油方式的效果与上述的完全相同。阿赫耶发动机采用了类似的供油方式。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-center\u003E离心喷油的燃烧室可以在很高的容热强度下工作,不会出现冒烟,火焰筒上不会出现热点,也不会因容热强度高而产生积炭。J69 T 25发动机的容热强度是55大卡u002F米3·小时·大气压,J69 T 29发动机(用于高空侦察机、导弹与靶机上)是64.8大卡u002F米3 ·小时·大气压。这样的容热强度是在燃烧室平均压力降为3.5%~4.0%的条件下(涡轮喷气发动机)达到的。对涡轮轴发动机来说,燃烧室压力降对发动机性能有更大的影响,一般容热强度为45大卡u002F米3·小时·大气压,相应压力降为2.5%。u003Cu002Fpu003Eu003Cdiv class=pgc-img\u003Eu003Cimg src="http:u002Fu002Fp3.pstatp.comu002Flargeu002Fpgc-imageu002Fa23bc7e9caf84aa78d2a3082744ce2b5" img_width=1049 img_height=718 alt=硬核航空 小型燃气涡轮发动机中的离心喷油式环形燃烧室简介 inline=\u003Eu003Cp class=pgc-img-caption\u003Eu003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E离心喷油式燃烧室从未出现过积炭问题,这可能是因为燃油在离心力作用下能够最好的雾化,保证燃油液体不会触到火焰筒壁上。u003Cu002Fpu003Eu003Cp class=ql-align-justify\u003E综上所述,离心喷油式环形燃烧室不仅结构简单、效率高与工作可靠,而且重量轻与成本低,还能使用多种燃料,是一种适宜在小型燃气涡轮发动机上采用的燃烧室。u003Cu002Fpu003Eu003Cu002Fdivu003E