航空发动机燃烧室冷却结构的发展及浮动壁结构的关键技术

随着航空发动机燃烧室性能的提高,燃烧室火焰筒热防护问题显得越来越突出.燃烧室内采用浮动壁结构可以减小壁面热应力,改善火焰筒的受力状况.介绍了火焰筒冷却结构的发展历程,包括气膜冷却、多斜孔冷却和多孔层板冷却,并对它们的优缺点进行了阐述;分析了浮动壁冷却结构的发展状况、技术特点和在浮动壁结构基础上采用冲击/发散气膜复合冷却结构的效率;阐述了浮动壁结构的关键技术（材料、制造工艺和冷却结构特征等）;展望了冷却结构和浮动壁火焰筒在未来航空发动机中的应用.     

先进军用航空发动机燃烧室关键设计技术

随着未来先进军用航空发动机向着更高推重比、更低耗油率、更高机动性等方向发展,燃烧室则向着更高温升和热容方向发展,为燃烧室的燃烧稳定性、可靠性、耐久性的提高和寿命期成本的降低提出挑战。先进的燃烧组织技术和火焰筒冷却、结构技术是保证高性能航空发动机燃烧室能够满足设计要求的关键。目前主要的燃烧室关键技术包括驻涡燃烧组织技术,多斜孔气膜冷却火焰筒、浮动壁火焰筒、多孔层板冷却火焰筒等火焰筒冷却与结构技术。本文综述了这些技术的研究现状及未来发展。     

某型发动机主燃烧室积炭的排除

某型发动机主燃烧室喷嘴和浮动环端面以及火焰筒头部锥壁在全环燃烧室试验和整机试车过程中发现有较严重的积炭现象,在其发展过程中采取了一系列的改进措施,并取得了明显的效果,其中,加装涡流器喷口尤为显著。扇形和环形燃烧室的试验结果表明,积炭量下降90％左右,慢车效率大幅度提高。     

火焰筒壁高温区与近壁区流场的数值模拟研究

航空发动机火焰筒的大孔包括主燃孔和掺混孔,将多斜孔壁冷却方式应用到真实环形燃烧室的火焰筒壁上,运用CFD软件,通过数值模拟的方式,计算研究整个燃烧室的温度分布,特别考虑了火焰筒壁温的分布,对近壁区的流场进行计算研究。研究分析表明:内外环壁热侧大部分区域温度都保持在1 000 K～1 100 K,在材料的长期许用温度范围内;同时针对外环壁主燃孔和掺混孔附近的局部高温点,提出冷却方案,改善了近壁区的流场分布,对改善高温点起到了很好的效果,最大幅度降低达13.2%,壁面温度更加均匀,对降低热应力水平,延长火焰筒使用寿命有利。     

某型航空发动机环形燃烧室火焰筒声学模态分析

燃烧不稳定不仅影响航空发动机的工作稳定性,而且还是造成燃烧室火焰筒薄壁结构声振耦合疲劳破坏的重要原因.燃烧不稳定性的非稳态运动与燃烧室火焰筒的固有声学振型密切相关,因此对燃烧室火焰筒进行声学特性分析具有重要意义.为此建立了航空发动机环形燃烧室火焰筒声学有限元模型,分析了燃烧室火焰筒的声学特性.分别对常温常压下和高温高压下燃烧室火焰筒的声学模态进行了分析,获得了相应的声学固有频率和振型,为发动机燃烧室结构抗疲劳设计提供了参考.     

浮动壁燃烧室试验研究

本文介绍了采用先进火焰筒浮动壁结构和冲击，发散高效复合冷却方式的浮动壁燃烧室的设计特点，给出了该燃烧室在模拟设计点状态下的试验结果，并着重对浮动壁结构和壁温分布进行分析。     

航空发动机浮壁式燃烧室制造技术

燃烧室(火焰筒)是发动机的重要热端部件。在工作中,由于经受急热、急冷的热应力和燃气冲击力,火焰筒易发生裂纹等故障。随着航空发动机向更新一代发展,采用原有的火焰筒结构,燃烧室进口温度、压力和出口温升将出现大幅度提高,使火焰筒壁温问题越发突出。燃烧室(火焰筒)是发动机的重要热端部件。在工作中,由于经受急热、急冷的热应力和燃气冲击力[1],火焰筒易发生裂纹等故障[2-4]。随着航空发动机向更新一代发展,采用原     

某型发动机火焰筒热弹塑性／蠕变应力分析

利用在研某型发动机燃烧室火焰筒起动加速过程中的壁温计算与热应力分析结果 ,考虑火焰筒温度载荷与内外壁面承受的气体压力差载荷 ,按轴对称模型 ,对该回流式短环形火焰筒用自动动态增量非线性分析有限元程序—ADINA程序 ,计算其三种不同工作状态下的热弹塑性 /蠕变应力 ,并分析应力沿火焰筒壁面的变化规律。     

燃油自重对燃烧室性能影响的试验研究

介绍了在一个真实的短环形蒸发管式燃烧室上进行的燃油自重效应试验研究工作；给出了燃油自重对燃烧室出口温度场、火焰筒壁温度和点火性能等影响的试验结果。     

某折流燃烧室火焰筒壁温试验

在发动机整机上,利用多变色不可逆示温漆测温法对采用全气膜发散冷却结构的某折流燃烧室火焰筒的壁温进行了试验,获得了火焰筒壁面温度分布规律,并将试验结果与流场计算结果进行了对比分析.研究表明:①该折流燃烧室火焰筒壁温分布较均匀,冷却方式合理;②火焰筒壁温梯度较小,最高壁温远低于所选材料的允许工作极限值,预计该火焰筒使用寿命较长.      

浮动瓦块冷却结构在燃烧室中的应用和发展

指出了纯气膜冷却已不能满足航空发动机燃烧室冷却日益增长的要求，分析了强制对流气膜复合冷却和承力合理的浮动瓦块式火焰筒结构。同时还介绍了先进的冲击发散冷却在浮动瓦块式燃烧室中应用的进展状况。     

进气温度对航空发动机燃烧室辐射换热的影响

为了解燃烧室内火焰辐射换热特性,建立了某型航空发动机燃烧室计算模型,利用数值模拟方法,研究了不同进气温度下燃烧室内燃气温度、碳黑粒子生成及分布变化对燃烧室辐射热流量和火焰筒壁温的影响。研究结果表明：随着进气温度的升高,燃气温度升高,碳黑粒子质量分数增大,且高温区和碳黑粒子生成区均往前移;火焰筒壁温急剧升高,高温区集中在燃烧室中间段和掺混段,主燃区火焰筒壁温相对较低;辐射热流量不断增加,由3245 W增加到8674 W,辐射热流量主要受燃气辐射特性影响     

航空发动机试验峰值时间对示温漆测温的影响

采用示温漆和热电偶两种方式,在全温全压试验中对航空发动机阵列预混燃烧室火焰筒壁温进行测试,获得火焰筒的壁温分布,并对不同峰值时间下示温漆判读结果与热电偶测试结果进行对比分析。研究表明:阵列预混燃烧室火焰筒壁温小于所用材料的许用工作温度;火焰筒试验峰值时间是影响示温漆测温判读的主要原因,为保证测试结果的准确性,应严格要求试验峰值时间与示温漆标定的峰值时间一致。     

某型航空发动机火焰筒流量对比试验研究

针对某型发动机在研制过程中频繁发生单位燃油消耗率(SFC)过高的故障,在自行设计的航空发动机燃烧室火焰筒流量测试试验器上,运用模拟压比和模拟马赫数准则,采用冷吹风流量试验法,对比测试了某型发动机燃烧室与原型燃烧室火焰筒空气的流量,并对测试数据进行分析.试验结果表明:发动机燃烧室火焰筒流量分布均匀,与原型燃烧室火焰筒流量相同.该试验法耗时短、成本低,对开展燃烧室火焰筒内空气流量研究具有借鉴意义.     

某型燃烧室火焰筒的性能对比试验

为了检验某型航空发动机燃烧室国产化火焰筒的性能,在燃烧室试验台架上,采用连续气源和扇形段试验件,通过模拟燃烧室在最大工况下的工作参数,对该型燃烧室使用的原型火焰筒和国产火焰筒进行了燃烧效率特性、出口温度分布、壁温分布和贫油熄火特性对比试验.试验结果表明:两种火焰筒的燃烧效率特性相同,同一工况下的燃烧效率值接近,相差大约0.5%,国产火焰筒优于原型火焰筒;出口温度场类似,质量指标接近,出口温度分布系数和径向温度分布系数分别相差1%和1.3%,且均在合理范围之内;壁温分布相似,同一位置处最大温差为50K,国产火焰筒高于原型火焰筒;贫油熄火特性一致,在进气速度为150m/s以下,原型火焰筒优于国产火焰筒.      

空气旋流器对短环形回流燃烧室性能的影响

目前在小发动机领域中,采用环形回流燃烧室作为核心部件几乎已成为普遍的发展趋势,这不仅是因为采用环形回流燃烧室能使其容热强度成倍增加,而且燃烧室的寿命也随着气膜冷却技术的发展和设计、工艺水平的提高而大大延长。此外,还有一个重要的原因是它可以使发动机轴缩短近40%,使发动机总体布局更加合理。怎样在短小的燃烧室内更好地组织燃烧便成了短环形回流燃烧室设计的关键。传统的环形回流燃烧室大部分采用封闭式头部,火焰筒内部气流结构对于目前的火焰筒长度是匹配的。但是新型的高性能小发动机为了缩短低压轴的跨度要求,回流燃烧室的长度更短,对于这样的短环回流燃烧室怎样充分利用燃烧空间,本文作了探讨。试验用的短环形回流燃烧室采用封闭式及带45°扭角和60°扭角的旋流器头部的三种结构方案,对各个试验件性能作了较详细的分析、比较,取得了有用的结果。      

单、双层壁火焰筒壁面冷却效果比较试验研究

在纯气膜壁面冷却设计的单层壁短环形燃烧室试验件基础上 ,设计了局部双层壁结构 ,构成冲击 逆向对流 气膜复合冷却 ,并进行了单层壁火焰筒与双层壁火焰筒壁面冷却效果对比试验。结果表明 :相对单层壁的纯气膜冷却 ,由双层壁形成的冲击 逆向对流 气膜复合冷却方式使气膜段最高壁温下降、沿气膜流动方向壁面温度梯度减小。     

某小型航空发动机燃烧室结构改进与分析

本文就某小型航空发动机燃烧室在试验后发现的火焰筒外环出口端变形现象进行了研究．通过火焰筒强度计算和分析确定该现象是由于火焰筒头部结构刚性不足造成的。从改变火焰筒头部结构刚性入手．对比分析多种改进方案,借鉴现有国外先进发动机燃烧室火焰筒头部结构形式,并通过火焰简强度计算分析、燃烧室性能数值模拟计算分析,改进了火焰筒头部结构形式,成功地排除了这一故障隐患,为后续发动机研制提供了参考和工程实践经验。     

喷嘴匹配方案及火焰筒开孔对燃烧室性能影响的试验研究

基于航空发动机主燃烧室扇形试验,针对点火喷嘴特性以及火焰筒大孔射流的改变对主燃烧室性能的改善情况进行了研究。试验中进行了点火用喷嘴匹配方案对燃烧室熄火性能,以及火焰筒大孔面积变化对燃烧室贫油熄火、燃烧效率和出口温度场性能影响的研究。研究结果表明：在供油系统设计中采用放大型点火喷嘴可改善主燃烧室贫油熄火性能;增大火焰筒主燃孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,而贫油熄火特性将变差;增大掺混孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,拓宽燃烧室的熄火动界．     

R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟

采用SIMPLE算法,应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率／涡耗散化学反应模型,对R011O重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。将计算出的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致,火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。计算和对比分析的结果表明,计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。