详解航空涡轮发动机-卷(3)

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1、燃烧室压气机后面紧跟的是燃烧室。经过压气机压缩后的高压空气与燃料混合之后将在燃烧室中燃烧，产生高温高压燃气来推动燃气涡轮运转并从尾喷口高速喷出从而产生推力。航空发动机对燃烧室的要求是：第一，燃烧室单位容积的发热量或者说是热容强度要很高。通俗的说，就是要燃烧室在尽可能小的容积里完成高压空气与燃料的混合与充分燃烧。第二，要保证足够高的燃烧效率。第三，保证经过燃烧室后的气体达到所需的温度并要求出口温度场相当均匀。燃烧室的后面是涡轮，如果气流温度不均匀，有的地方特别热，有的地方特别冷（相对的冷，温度仍在千度左右），涡轮就会受不了——同一个涡轮叶片，转到热的地方就膨胀，转到冷的地方就收

2、缩，一来二去，叶片很快就会发生金属疲劳，降低了使用寿命。燃烧室的设计难点在于，油气二相混合物的流动特性既不同于液态，又不同于气态，这种流场很难建立精确的数学模型。所以，燃烧室的设计过程很大程度上是通过实验来进行的，需要完善的试验设备和较长的试验时间。这也是我们为“昆仑”发动机走完全设计过程而额手称庆的原因之一——这说明我们的发动机试验和测试技术装备有了很大进步。在喷气发动机上最常用的燃烧室有两种，一种是环管燃烧室，一种是环形燃烧室。早期的航空涡轮发动机上还采用过单管燃烧室。环管燃烧室是很常见的设计。这种设计中，燃烧室被分割成在垂直于发动机轴向的平面内环形布置的若干个火焰筒，燃

3、烧就被限制在这个空间内进行。为了满足发动机对燃烧室的要求，火焰筒进行了巧妙的设计。火焰筒面向压气机来流方向的顶端安装了扰流器，燃油通过供油系统从火焰筒顶端的喷油嘴雾化喷出。高压气流分两股进入燃烧室：第一股气流通过扰流器进入火焰筒与雾化燃油混合直接参与燃烧，而大量的（约占总流量60％～70％）第二股气流则进入火焰筒与燃烧室外壳之间的空腔。这股气流有两个作用，其一是冷却、隔热；其二是通过火焰筒壁上经过精心设计角度的大量小孔以特定的速度和方向，分批分期地进入火焰筒补充燃烧并控制燃烧区域长度和燃烧室出口温度场，从而确保燃气以相当均匀的温度场进入涡轮部件。各火焰筒之间装有联焰管，用来传

4、播火焰以减少所需的点火装置，还起到连通各个火焰筒，保证各火焰筒压力大致相等的作用。环形燃烧室是由两个与发动机同轴的套筒组成，原先火焰筒的功能则由内套筒代替完成。环形燃烧室的气流分布类似于环管燃烧室，一股气流进入内套筒参与燃烧，另一股气流则进入内外套筒之间的空腔，然后再分期分批进入内套筒，同样起到补充燃烧并控制燃烧区域长度和燃烧室出口温度场的作用。环形燃烧室不像环管燃烧室那样由多个火焰筒组成，而是一个整体，因此环形燃烧室的出口燃气场的温度要比环管燃烧室均匀，而且环形燃烧室所需的燃油喷嘴也比环管燃烧室少一些。另外，由于其暴露在高温燃气中的面积较小，在冷却和隔热方面也比环管燃烧室有

5、优势，而且，进入的空气可以更多地参加燃烧和搀混，从而大大提高了燃烧效率和涡轮前温度，使发动机推力得到提高。虽然与环管燃烧室相比，环形燃烧室也存在着一些不足，但是这些不足不是性能上的而是制造工艺上的。随着科技的进步，环形燃烧室的机械强度和调试问题如今都已得到了比较圆满的解决。由于环形燃烧室固有的优点，在20世纪80年代之后研发的新型航空涡轮发动机采用的几乎都是环形燃烧室，“昆仑”发动机上就采用了环形燃烧室的技术。13火焰筒涡轮经过了这么多“热身”，高温高压气流终于可以大显身手，进入涡轮做功了。不过，在“工作”之前。先要排好队——在燃烧室中产生的高温高压燃气首先要经过一道燃气导向

6、叶片，高温高压燃气在经过燃气导向叶片时会被整流并通过在收敛管道中将部分压力能转化为动能而加速，最后被赋予一定的角度以更有效地冲击涡轮叶片。从“航空涡轮发动机”这个称呼上，就可以看出涡轮在发动机里的重要性。涡轮实际上是一个“风车”，在燃烧室来流的冲击下转动。涡轮的作用就是将一部分高温高压燃气的能量通过传动轴传递给前面的压气机，使其能够正常工作。在涡扇/涡桨发动机中，涡轮还要驱动风扇和螺旋桨叶片。涡轮是航空涡轮发动机三大核心部件中的“苦力”，它“干的活最重”、“自身压力最大”而且“工作环境最差”。说它“干的活最重”，是指每级涡轮要发出很大的功率，在现代航空涡轮发动机上，通常只有不

7、超过三级的涡轮，可是就这么几级的涡轮却要发出上万匹马力的功率；“自身压力最大”是说涡轮叶片在高速旋转时由于其本身的重量，会受到相当大的离心力，大到涡轮全速旋转时其离心力相当于在每个叶片上吊挂了一辆5吨卡车；说它“工作环境最差”则是指，涡轮的工作条件可以用“高温”、“高压”、“高速”三个“高”来形容。现代航空涡轮发动机的涡轮进口温度最高达到1800K甚至2000K（约1727摄氏度，超过大多数金属材料的熔点）；涡轮进口气压高达几十个大气压；在涡轮叶片边缘的气流速度通常可以接近甚至超过音速，只有这样的气流冲