可变几何燃烧室技术发展

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1、可变几何燃烧室技术发展高志刚1，赵明1，陈养惠2，姜波舟1(1．西北工业大学动力与能源学院，西安710072；2．西安航空发动机集团有限公司，西安710021)【摘要】对航空发动机可变几何燃烧室的研究状况进行了总结，燃烧室中可变几何结构包括气流分配器、旋流器、掺混孔、火焰稳定器等。可变几何的概念提供了一种灵活控制燃烧室内部气流分配的可能性，为减少发动机尾气排放、提高燃烧效率、保持燃烧室工作的稳定性和可靠性提供了新的突破点。关键词：可变几何；燃烧室；气流分配器；旋流器；掺混孔；火焰稳定器DOI：10．16080／j．issnl671-833x．2017．15

2、．070硕士研究生，主要从事航空发动机结构强度与寿命等方面的研究。近年来，随着气候变化和环境污染等全球性环境问题的出现⋯，飞机的污染物排放问题已经引起了广泛的关注。为减少飞机的污染物排放，目前已经研发出不同的燃烧技术。Wulff等【2l提出了可变几何燃烧室、分段燃烧室、贫燃预混燃烧窒、富燃一快淬一贫燃燃烧室(RQL)70航空制造技术·2017年第15期和催化燃烧室等燃烧器的概念。在不损失性能和稳定性的基础上，为了减少传统燃气轮机燃烧室一氧化碳(C0)、氮氧化物(NO，)和未燃碳氢化合物(UHC)的排放，近几十年来已经提出了多种解决方案，其中一种便是采用可变

3、几何燃烧室。可变几何燃烧室是一种非传统的技术，既可以减少发动机排放量，又可通过控制各个燃烧区域之间空气的主动分布来提高燃烧效率【3】。控制燃烧室内的气流分布便可控制火焰温度的能力，而火焰温度在NO，的产生中起了重要作用，主要是依据NO。的泽尔多维奇(Zeldovich)机理(见图1)。发动机在较大功率下运行时向主燃烧区供应大量空气，降低了主燃区温度，从而减少了N0，的产生；发动机在较低功率运行时，更多空气被引入到燃烧室的稀释区，保持了足够的温度以实现低CO的排放。另外，具有控制燃烧计量能力的可变几何燃烧室提高了发动机的喷射极限并增强了发动机整体的可操作性。

4、航空发动机的工作环境复杂多变，其燃烧室的入口压力、温度、空气流量和燃料流量等参数在不同的飞行状态下都会发生显著变化。传统常规的燃气轮机，燃烧室的设计点为一定的大功率运行状态，其他状态下燃烧室可能出现工作不稳定、效率低等问题。因此不同工作条件下通过可变几何的控制是保持燃烧室工作稳定、可靠、有效和低排放的有效方法之一。总体来说，可变几何燃烧室最大的特点就是通过一些燃烧室内重要位置结构的改变，从而对进入燃烧室的气流进行灵活的分配，使发动机在任何飞行状态下都能发挥最佳的性能，如在低功率运行条件下提高燃烧室的燃烧效率，在不降低燃烧性能的同时降低发动机的污染物排放，在

5、航空发动机高空熄火时提高重新点火【41的能力等。就目前所知，可变几何燃烧室大致可分4类：(1)在燃烧室头部加一个可变几何气流分配器，可对进入火焰筒和环腔的气量进行调节；(2)火焰筒头部的旋流器可以控制火焰筒内的火焰，叶片角度可以调整的旋流器可以在不同飞行状态下Lj、焉≈眇_～。．高NEwv刚吲NT新视点更好地稳定火焰；(3)火焰筒壁面上存在一些相对而言较大的进气孔，通过改变进气孑L的面积来改变气流的分配问题，如可变几何掺混孔；(4)加力燃烧室中V型火焰稳定器中叶片角度可以调整的可变几何火焰稳定器。本文对这4种可变几何结构类型进行着重介绍。可变几何气流分配器

6、文献[5]提出了挡流板可以转动的可变几何燃烧室，其中由液压驱动的执行机构能驱动气流分配器向前或向后移动，以改变横截面积比，从而改变主燃区的空气流量比，如图2所示。气流分配器位于燃烧室的上游，并且距离温度最高的燃烧气体较远。通过控制气流分配进而控制火焰温度、燃烧的稳定性和燃烧室的排放物。关于可变几何燃烧室控制问题，Li等瞪1提出了两种方案：对方案A：如图3所示，控制系统的起点是引入火焰温度预测器并将燃烧室主燃区中的火焰温度控制在设定值。燃烧室的入口压力、温度、质量流量、燃料流量和燃烧室的几何参数可以充分预测主燃区的火焰温度[6】。通常对贫燃低排放燃烧室而言，

7、最好的火焰温度范围在1900～2300K之间。在该范围内，较高的火焰温度会造成NO。排放增加，较低的火焰温度会造成熄火或者不稳定燃烧。控制精度依赖于相关燃烧室参数的精确测量和火焰温度的预测。这种控制方案的缺点是该控制系统可能使燃烧室的设计和制造变得更加复杂，并且由于存在许多传感器和火焰温度预测器，需要更多的关注其可靠性。同时，精确测量燃烧室内空气流速也很困难。方案B：如图4所示，由于上述几个参数测量时存在较大的误差，一温度范嗣：，／／＼／，／：／7CO．-???一i一，，，，>×：：：}夕!二，／15001600170080019002000卜燃f《黼瞍／

8、K图1主燃区温度对CO$1：INO，排放的影响Fig．1Effec