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先進燃燒室與傳統(tǒng)燃燒室在設(shè)計和研發(fā)上差異
新一代先進航空發(fā)動機燃燒技術(shù)不斷發(fā)展突破，先進航空發(fā)動機燃燒室與傳統(tǒng)燃燒室相比，設(shè)計和研發(fā)差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
新一代先進燃燒室以高油氣比軍用燃燒室和低污染燃燒室為代表。在先進燃燒室出現(xiàn)之前，出現(xiàn)過兩代燃燒室，現(xiàn)在的先進燃燒室可以稱作第三代。第一代燃燒室大致上出現(xiàn)于20世紀40年代末到70年代之間，其壓比大約為10，采用的是空氣動力學擴壓器（aerodynamicdiffuser）、雙油路離心壓力霧化噴嘴或雙油路噴嘴，其燃燒區(qū)為富油燃燒區(qū)，冷卻為波紋板冷卻帶，火焰筒上有主燃孔，主燃孔進來的空氣與頭部進來的空氣共同形成一個大的回流區(qū)，有摻混孔，主要形式是環(huán)管燃燒室。其典型的代表有國內(nèi)的WP 6發(fā)動機燃燒室和美國的J 79發(fā)動機燃燒室。第二代燃燒室出現(xiàn)于20世紀70年代至20世紀末，其典型的壓比約為20，采用短突擴擴壓器和成膜式空氣霧化噴嘴，主燃區(qū)設(shè)計為接近化學恰當比，冷卻設(shè)計為機械加工的冷卻環(huán)帶。這個年代的燃燒室為短環(huán)型燃燒室，燃燒主要是擴散燃燒，典型代表有RB-211燃燒室和CFM-56燃燒室。當今先進燃燒室為第三代燃燒室，其發(fā)展始于21世紀開始，其壓比大于30。第三代燃燒室又分為低污染燃燒室（前兩代沒有）和高油氣比燃燒室，在高油氣比燃燒室前有常規(guī)燃燒室向高油氣比過度的燃燒室，如F-119燃燒室（油氣比為0.038）。需要說明的是現(xiàn)在的燃燒室中還有不是低污染的燃燒室，也有不高油氣比的燃燒室。第三代燃燒室的頭部進氣占了整個燃燒空氣很大的百分數(shù)，燃燒空氣全部由頭部進來；沒有主燃孔，可以有摻混孔，也可以沒有摻混孔。由于燃燒空氣全部由頭部進氣，所以燃燒區(qū)的空氣動力學完全由頭部進氣所決定。與前兩代燃燒室只有一個燃燒區(qū)不同，第三代燃燒室有副油燃燒區(qū)和主油燃燒區(qū)兩個燃燒區(qū)。第三代燃燒室可以有預(yù)混、預(yù)蒸發(fā)、預(yù)混和、直接混合的燃燒設(shè)計，也可以是其中幾個的組合設(shè)計。對第三代燃燒室，總的來說擴散燃燒不占主導(dǎo)地位，空氣動力學一般設(shè)計為低旋流。對LPP低污染燃燒室來說，要特別注意燃燒不穩(wěn)定性問題。對其它方案，要設(shè)計火焰脫開頭部（底板）一小段距離，這對頭部的冷卻有好處。第三代燃燒室仍然有中心回流區(qū)，由副�？諝庑纬�，其大小比前兩代要小。第三代燃燒室冷卻采用發(fā)散小孔冷卻，多層孔板和瓦塊式已被淘汰。第三代燃燒室中，成膜式空氣霧化噴嘴已經(jīng)不占主導(dǎo)，取而代之的是副油路噴嘴是采用單油路的離心壓力霧化噴嘴，主油路噴嘴采用橫向氣流直射噴嘴。第三代燃燒室擴壓器仍然與第二代燃燒室相同，這方面還沒有出現(xiàn)重大變化。西工大的燃燒團隊研發(fā)的空氣分配器式的燃燒室有效果，但還沒有結(jié)論性的成果。把擴壓器的功用以及頭部上游及火焰筒上游，從擴壓器到火焰筒之間的上方流場的空氣分配的作用兩個結(jié)合起來。這個基本概念是正確，還有待進一步研發(fā)。
先進燃燒室的設(shè)計研發(fā)是從以前的常規(guī)燃燒室演變過來，主要的變化由一個因素引起，即無論是低污染燃燒室還是高油氣比燃燒室都需要大大的增大燃燒空氣百分數(shù)，盡管兩者的目的和意義并不一樣。對于低污染燃燒室來說增大燃燒空氣百分數(shù)是降低大工況下燃燒區(qū)的溫度來降低NOx，而對于高油氣比燃燒室來說增大燃燒空氣百分數(shù)是不希望在100%工況下出現(xiàn)富燃和冒煙的狀況，是為了控制冒煙。這一因素帶來的燃燒室設(shè)計上的一系列變化，也帶來試驗研發(fā)上的變化：
A：由于增大燃燒空氣百分數(shù)，不可以再用主燃孔來輸送燃燒空氣，燃燒空氣都要從頭部進入，這就使得燃燒區(qū)的空氣動力學完全由頭部空氣模的設(shè)計來決定。B：大量增加燃燒空氣百分數(shù)，火焰筒橫截面積要變大，否則在火焰筒沒有燃燒時的空氣馬赫數(shù)太高，會大大的增加總壓損失，簡單的說就是火焰筒要胖一些。C：大量增大燃燒空氣百分數(shù)，如果還采用常規(guī)燃燒室設(shè)計，必定帶來慢車貧油熄火問題。因此需要把以前主油富油混在一起的燃燒區(qū)分開，分為副油燃燒區(qū)和主油燃燒區(qū)，而且兩個燃燒區(qū)要相對獨立。D：副油噴嘴要在低流量、小狀態(tài)、噴嘴液壓降較低的情況下保證霧化好，必然采用單油路離心壓力霧化噴嘴，不可能采用成膜式空氣霧化噴嘴。E：主模噴嘴也不能采用成膜式空氣霧化噴嘴。采用成膜式空氣霧化噴嘴帶來噴嘴尺寸太大，對機匣的強度不利�，F(xiàn)在主油采用直孔噴射，在橫向氣流里面有沒有預(yù)混模情況下也都是直孔。F：燃燒空氣大大增加必定影響到冷卻空氣減少，對于低污染燃燒室要限制冷卻空氣還有另外一點考慮，那就是冷卻空氣太多了會影響CO，這樣使得冷卻必須要改進來提高冷卻的有效性，曾經(jīng)有人試過多層多孔板和瓦塊式，結(jié)果都不好。冷卻研究的最重要結(jié)論是冷卻空氣要貼壁，這樣用發(fā)散小孔冷卻比較好，西工大燃燒團隊研發(fā)的切向進氣發(fā)散小孔冷卻經(jīng)過試驗已經(jīng)證明冷卻效果最好。G：副模與主模分開，副�？諝馀c主模空氣也不要混在一起形成一個大的先進燃燒室與傳統(tǒng)燃燒室在設(shè)計和研發(fā)上差異回流區(qū)，這就要采取低旋的模式使副模空氣不要和主�？諝庖黄鹦�，這也可有效地減少低污染燃燒室的振蕩燃燒。H：火焰筒上游的流場設(shè)計也必須有所改變，即從擴壓器出口到火焰筒上方之間的流動控制。這是由兩方面引起的，第一、冷卻空氣減少了，就要更精確的保證冷卻空氣數(shù)量，同時進入了副模和主空模的空氣量也要準確控制，關(guān)于這方面的設(shè)計方案尚未有結(jié)論。第二、由于壓氣機出口馬赫數(shù)的增大（已有高達0.38的），擴壓器的總壓損失急劇增大（其與擴壓器進口馬赫數(shù)平方成正比）。這個因素使得現(xiàn)在的先進燃燒室的總壓損失系數(shù)還要控制在5%以內(nèi)非常之難。現(xiàn)在的設(shè)計著還集中于改進短突擴壓器來解決這個問題，前面描述的空氣分配式擴壓器有可能是解決方案之一。
先進燃燒室在設(shè)計方面的變化導(dǎo)致其在試驗研發(fā)上也有很大不同。由于先進燃燒室的燃燒空氣全部由頭部進入，沒有主燃孔，燃燒區(qū)的空氣動力學完全由頭部的空氣模確定。這樣在試驗和研發(fā)時，單管燃燒室試驗的重要性就大大提高了，燃燒室的基本性能問題都可以在單管燃燒室上研究并得以解決。這樣就涉及到初步設(shè)計的定義和初步設(shè)計研發(fā)的內(nèi)容有所改變，在初步設(shè)計階段，在單管燃燒室上基本的燃燒問題都得以解決，然后才進入詳細設(shè)計階段和全環(huán)燃燒室設(shè)計階段。這是燃燒室試驗研發(fā)上一個非常大的變化，就是說單管燃燒室重要性大大增加。由于過去我們都是仿制，不需要從單管燃燒室開始，所以對單管燃燒室在先進燃燒室設(shè)計中的重要性認識遠遠不足�？傊冗M燃燒室的設(shè)計與研發(fā)完全進入了一個新的階段，設(shè)計研發(fā)者和管理者需要要有一個新的理念、思路和規(guī)劃。
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