主题：【原创】漫谈涡扇发动机系列之燃烧室 -- 毛驴骑士

从本质上来讲，涡扇发动机的燃烧室和俺们家的土灶是一样的，都是一个将燃料和空气混合燃烧把化学能转化为热能的东东。燃烧室的空气来自压气机，燃烧产生的燃气被输送到涡轮。高压压气机、燃烧室、高压涡轮构成了喷气发动机的核心部件，也就是所谓的核心机。

不过，俺们家的土灶和发动机的燃烧室比起来，那还是要幸福得多得多。土灶都是砖头砌的，怎么的也有好几公分厚，要是觉得不牢靠，咱再补上一层砖头，可是燃烧室不行，那家伙基本都是由薄壁件构成，说白了有点像烧水的铝锅，只是一般都是多层的。烧个土灶你可以拿个扇子扇，或者拿嘴巴吹也成，撑死气流最多也就几米每秒，可进燃烧室的气流速度一般在150－200m/S，别想了，反正土灶要是这个速度吹，火是指定生不起来了，饭也肯定是没指望了，锅能不能保住还是两说。

正因为从高压压气机出来进入燃烧室的气流速度很高，压力也很大，所以，要保证发动机能够可靠点火，而且保证稳定燃烧，这本身就是一个巨大的挑战，需要采用一些很特别的方法来实现。

首先，从压气机最后一级出来的气流速度在150－200m/S左右，而为了保证可靠燃烧，气流速度必须减下来，一般要减到30－45m/S之间，所以，从压气机出口到燃烧室进口，必须要有一个扩压段，使得气流压力减小，速度减慢。最早的扩压器形状就像一个喇叭，气流从小的一头进，大的一头出，一般说来，扩压角在7－12度之间效果最好，可是这样的结果是光一个扩压器部分就很长，再到后来，采用两级扩压的方法，前面一级还是和原来一样的喇叭形，但是很短；后面一级则突然扩大。这样虽然对总压有一点损失，但是缩短了整个燃烧室的长度，减轻了总量。

其次，从扩压器出来的气流，虽然速度已经“慢”了很多，但也只是相对的。要知道12级台风的风速也只有32.6m/S，气压也比较高。而且，进入燃烧室的空气/油量比一般在130：1到150：1左右，可是航空煤油最佳燃烧的气/油比是15：1，所以，要想稳定燃烧，还要想一些办法。

方法就是在燃烧室里形成局部的低压低速气流区，让煤油只在这一小块区域燃烧。

贴一张燃烧室的气流流向示意图，可见一部分气流进入燃烧室口以后，先经过扩压器扩压，然后，要经过涡流发生器进入燃烧室。

涡流器的作用是使空气产生旋涡，以便与燃料均匀混合，并在适当部位形成点火源。涡流器安装在火焰筒头部进口处，其形状如下图所示。在两个圆环之间焊上斜向排列的叶片，称为旋流片。气流经过旋流片构成的通道而产生旋转运动，形成一个强旋流流场，中心部分形成低压区，于是火焰筒后面的高温气体便向中心区倒流，形成一个低速的重复循环区 (回流区 )，重复循环的燃气把新喷进来的燃油珠迅速加热到点火的温度以促进燃烧。回流区形成类似烟圈一样的环行涡流，起稳定和保持火焰的作用。回流区内气流轴向速度分布复杂，大小和方向有所不同，在轴向气流速度低的地方可形成点火源，以保证发动机在各种工作状态下稳定点火.

光能够保证稳定燃烧还是不够的，现在的发动机的发展趋势是提高涡轮前进口温度来提高推力，最高已经达到1700－1800K，这样就要求燃料燃烧时的温度要更高，目前燃烧室的工作温度普遍都在2000摄氏度以上。在这么高的温度下，要保证燃烧室能够可靠工作，一是要选择耐高温的材料来制造，二是要在火焰筒内壁涂上更可耐高温的涂层，比如陶瓷。三就是加强冷却。

实际上，从压气机出来的空气，真正用于燃烧的只是很少一部分，大概只有12％左右，绝大部分，是用在了冷却上。

上面的图可以比较清楚地看出来整个燃烧室气流的分布情况，绝大部分的气流进入火焰筒和燃烧室外壁之间的空腔，其中的一部分进入燃烧区形成回流参与燃烧，很大一部分气流用来冷却火焰筒，还有一部分在燃烧室后部和高温燃气掺混，使得进入涡轮导向器叶片的气流温度不至于太高。

早期的发动机燃烧室温度还不是很高，所以，较多采用散热片方式来冷却，在火焰筒和燃烧室壳体之间做成散热器形状，但是这样的散热方式效果差，而且重量大、费料、费工。后来的发动机普遍采用气膜冷却方式，也就是说，在高温燃气和火焰筒壁之间隔着一层由较冷空气形成的气膜，这样冷却效果好，火焰筒总量轻。但是，气膜的有效工作长度一般为40－80ms，所以，在火焰筒壁上要打上很多小孔来保证全壁都能有气膜冷却，而且，这些小孔的方位、角度、大小都是非常有讲究的，设计上难度较高。

此外，由于燃烧室的长度较短，流出的燃气温度也不可能是均匀的，为了保证涡轮转子叶片能够安全可靠的工作，在设计时，要使得燃气沿着半径方向的温度要按照规律分布：涡轮叶片产生的离心力都通过叶根传到涡轮盘上，所以叶片根部受力大，要求燃气温度要低一些；在离叶尖约为整个叶片高度的1/3处，燃气温度可以达到最高值，这样，可使得整个叶片受力均匀，强度可以大致相等。

对商用发动机来说，还要求发动机的排放要低，减少尾气中一氧化碳和氮氧化物的含量。所以，在设计的时候一是要注意让燃油要充分燃烧，二是要避免富油区的产生。现在的发动机一般采用两级燃烧或者几何燃烧室，低功率的时候，只在预燃级燃烧，高功率的时候，预燃级和主燃级同时工作，可显著降低污染气体的排放。

燃烧室从最早的涡轮喷气式发动机发展到今天，大致可分为三种基本形式：单管燃烧室、环管燃烧室和环形燃烧室。

单管燃烧室，顾名思义，整个发动机的燃烧室由许多（一般是8－16个）单个的燃烧室组成，在它们之间有联焰管相连，起到传焰和均压的作用。每个单个的燃烧室各有自己单独的火焰筒和外套，如下图所示。

单管燃烧室因为流过的每个单管燃烧室的空气流量较少，在设计的时候用较少的气源就可以进行实验，因而调试比较容易，在早期的涡轮喷气发动机上用得比较多。而且那时的压气机一般都是离心式压气机，二者配合使用，在结构上比较简单，此外，在使用中，每个单管燃烧室可以单独拆换，维护比较方便。

但是它的缺点也是很多的，一是环形截面积利用率太低（70％左右），圆筒之间的空间都浪费掉了；二是重量较大，对于终极目标就是高推重比的发动机而言这更不能忍受；三是火焰筒表面积和容积之比较大，因而需要冷却的气流量大，出口温度分布律不好。这些缺点使得分管燃烧室已经不再使用。但是，后来发展起来的其它形式的燃烧室，特别是环管燃烧室，就是在单管燃烧室大量实践经验的基础上发展起来的。

和单管燃烧室相同的是，环管燃烧室也有单独的火焰筒，但是这些火焰筒都被包在一个共同的环形腔道里，这样一来，结构就相对紧凑，环形截面积利用率也有所提高，而且，它的火焰筒仍然是单独的，这样设计时仍然可以选取单个火焰筒进行实验，需要的气源较少。“斯贝”用的就是环管燃烧室。

但是，不管是单管燃烧室还是环管燃烧室，它们的火焰筒都是单独的，这样，在出口两个火焰筒燃气相叠的地方，温度比别处要高，这样一来，对涡轮前的导向器叶片构成的危害很大，温度高的地方叶片寿命只有别处的几分之一。

而最新的发动机一般用的都是环形燃烧室，与环管式燃烧室相比，环形燃烧室就没有这样的缺点。顾名思义，与环管环燃烧室不同，环形燃烧室的形状就像是一个同心圆，压缩空气与燃油在圆环中组织燃烧。由于环形燃烧室不像环管燃烧室那样是由多个火焰筒所组成，环形燃烧室的燃烧室是一个整体，因此环形燃烧室的出口燃气场的温度要比环管形燃烧室的温度均匀，而且环形燃烧室所需的燃油喷嘴也要比环管燃烧室的要少一些。均匀的温度场对直接承受高温燃气的燃气导流叶片的整体寿命是有好处的。

而且，环形燃烧室对环形截面积的使用是100％，此外，火焰筒表面积和容积之比较小，这样，冷却所需的空气量较小，更多的空气可以参与燃烧和掺混，可以提高提高燃烧效率和涡轮进口温度，减少排放。

但是，在设计和制作上来讲，环形燃烧室也有它自身的难点。首先，环形燃烧室是一个大直径的整体，在工作时需要的空气流量很大，所以实验时需要很大的气源，在五六十年代人们进行环行燃烧室的实验时，由于没有足够的条件只能进行环形燃烧室部分扇面的实验，这种实验不可能得到准确的燃烧室的整体数据。

再有，环形燃烧室是有几个薄壁大直径环状体构成，结构强度也是一大难题，但是随着科技的进步，环形燃烧室的机械强度与调试问题在现如今都以经得到了比较圆满的解决。由于环形燃烧室固有的优点，在八十年代之后研发的新型涡扇发动机之上几乎使用的都是环形燃烧室。

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