淺析燃燒室長壽命關(guān)鍵技術(shù)

文/郭騰龍，中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所

淺析燃燒室長壽命關(guān)鍵技術(shù)

文/郭騰龍，中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所

燃燒室是發(fā)動機的主要動力來源，工作環(huán)境惡劣。但隨著燃燒室進出口溫度的提高和溫升越來越快,用于冷卻火焰筒的空氣量越來越少,僅憑經(jīng)驗設(shè)計燃燒室很難達到要求,需要采用新的設(shè)計方法。本文在收集、整理國內(nèi)外長壽命燃燒室的相關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，對冷卻、新材料等關(guān)鍵技術(shù)進行了概括、總結(jié)和分析，可供以后自行設(shè)計、研制長壽命燃燒室提供參考。

燃燒室；高溫升；長壽命；冷卻

1 引言

燃燒室是燃料與高壓空氣燃燒反應(yīng)的容器，燃料的化學(xué)能在燃燒室火焰筒內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生的高溫、高壓燃氣推動渦輪作功。燃燒室是發(fā)動機動力的主要來源，通常也稱之為發(fā)動機的“心臟”。

長壽命是民用航空發(fā)動機及燃氣輪機區(qū)別于軍用航空發(fā)動機的一個關(guān)鍵特性。一般軍用發(fā)動機首翻期壽命僅為300至500小時，，大型客機發(fā)動機則為8000至10000小時，燃氣輪機一般要求達到25000小時以上。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)動機故障中63%是火焰筒故障。可見火焰筒是發(fā)動機中故障最多的部件，是限制發(fā)動機壽命的關(guān)鍵部件。因此，火焰筒的壽命問題是影響燃燒室及發(fā)動機壽命的關(guān)鍵之一。

燃燒室是發(fā)動機中工作溫度最高的部件。火焰筒內(nèi)燃氣溫度可高達2000℃以上。高溫火焰會使火焰筒受熱升溫，如果冷卻不當(dāng)導(dǎo)致局部超溫，火焰筒就可能發(fā)生變形甚至燒蝕。另一方面，燃燒室在工作時，由于受熱不均，火焰筒壁面溫度梯度很大，從而引起很大的熱應(yīng)力，火焰筒可能產(chǎn)生裂紋（這種情況最容易發(fā)生在小孔邊緣）。

2 長壽命燃燒室的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 長壽命燃燒室關(guān)鍵技術(shù)綜述

圖1 火焰筒裂紋

隨著燃燒室油氣比的不斷提高及干低排放燃燒技術(shù)的采用，燃燒用氣與冷卻用氣產(chǎn)生矛盾。采用常規(guī)材料和冷卻方法很難解決問題。因此必須采用更先進的冷卻技術(shù)以及其他措施（新材料及熱障涂層等）。

目前，提高火焰筒使用壽命概括起來可分為以下幾點：

降低火焰筒壁面溫度－先進冷卻技術(shù)；

提高火焰筒許用溫度－高溫材料（如表面涂層或新型材料）；

減小火焰筒應(yīng)力－分塊式火焰筒（浮動壁結(jié)構(gòu)）。

下面將逐一進行闡述。

2.2 先進的火焰筒冷卻技術(shù)

2.2.1 火焰筒冷卻技術(shù)研究的重要性

目前火焰筒使用的耐熱合金材料（鎳基、鈷基），其許用溫度約為1283K。而火焰筒最大壁溫與進口溫度的T3關(guān)系可用下面的關(guān)系式表示：

上式中括號內(nèi)數(shù)據(jù)取決于冷卻方式，良好氣膜冷卻約為450K。110K是考慮熱帶的影響。可知，采用現(xiàn)有材料及冷卻技術(shù)，燃燒室進口溫度最高可到723～823K左右，再提高進口溫度則壁面溫度將超過許用值。

對于高性能燃燒室，采用目前已有的冷卻技術(shù)很難解決燃燒用氣與冷卻用氣之間的矛盾，即無法同時保證高的燃燒性能和合適的火焰筒壁溫。因此必須研究更先進的冷卻技術(shù)。目前國外比較成熟的先進冷卻技術(shù)包括多斜孔發(fā)散冷卻、浮動壁冷卻結(jié)構(gòu)等。

2.2.2 多斜孔發(fā)散冷卻技術(shù)

在火焰筒壁面上采用激光、電火花或電子束數(shù)控打孔等工藝方法，加工大量密布的、不同角度的、直徑很小的斜孔（一般φ0.5～1.0mm）。利用火焰筒內(nèi)外壓差，二股氣流穿過壁面小孔進入火焰筒內(nèi)，形成全氣膜冷卻。該冷卻技術(shù)具有如下特點：

均勻密布的小孔，可以在火焰筒內(nèi)壁附近形成全氣膜冷卻，壁溫低且分布均勻，有利于降低熱應(yīng)力，提高燃燒室使用壽命；

比一般氣膜冷卻用氣量減少2/3～3/4，有效緩解與高性能燃燒室組織燃燒用氣之間的矛盾；

由于冷卻氣膜緊貼壁面，不會干擾燃燒，也不會因冷卻氣摻混而降低燃燒溫度，因此易于獲得高效低污染燃燒性能。

采用該冷卻技術(shù)的火焰筒在GE90、F414、M88、BR715等發(fā)動機上有所應(yīng)用，在國外是相當(dāng)成熟的技術(shù)。

2.2.3 浮動壁冷卻結(jié)構(gòu)

浮壁式火焰筒也稱分塊式火焰筒。它是為了滿足高性能發(fā)動機燃燒室要求（高工作溫度、低排放、少冷卻氣量及長工作壽命）而研發(fā)的一種將先進冷卻技術(shù)和創(chuàng)新的火焰筒結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新穎部件技術(shù)。

美國普惠和GE公司在分頭研制的E3發(fā)動機上采用了分塊式火焰筒，并對它進行了改進設(shè)計和試驗工作。最終結(jié)果表明，其性能完全滿足設(shè)計要求。目前分塊式火焰筒結(jié)構(gòu)已在PW4084、PW6000、F119和F120等發(fā)動機燃燒室上得到廣泛應(yīng)用。

2.3 新型高溫材料

2.3.1 新型高溫材料研究的必要性

新一代高性能發(fā)動機，其燃燒室進口溫度T3=884～900K，出口溫度T4=2200～2400K，由于頭部燃燒需要更多空氣，可供燃燒室使用的冷卻空氣量很少。目前已有的耐熱合金材料加上先進的冷卻技術(shù)仍無法滿足壽命要求，因此，必須采用更耐高溫的新型材料。

目前，國內(nèi)外都將低密度、耐高溫、抗氧化、可靠性好的結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)、應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)制造技術(shù)列入了國家高技術(shù)發(fā)展計劃。例如美國已把發(fā)展高性能陶瓷基復(fù)合材料列入星球大戰(zhàn)計劃，法國政府將陶瓷基復(fù)合材料作為第三代復(fù)合材料加以開發(fā)。

2.3.2 TBC的研究與應(yīng)用

1963年普惠公司第一次把熱障涂層（TBC）用在JT8D型燃氣輪機的火焰筒中,如今GE公司和普惠公司已廣泛將TBC用于許多燃氣輪機的高溫部件,如火焰筒、葉片、過渡段等。熱障涂層可以有效降低金屬基體的工作溫度,顯著提高燃氣輪機的效率、減少燃油消耗、延長使用壽命。

火焰筒是燃燒室的重要組成部分,燃料在火焰筒中與空氣混合燃燒,火焰區(qū)的溫度高達1800℃～2000℃,因此,對TBC隔熱性能要求最高,同時還要求有很好的抗高溫氧化能力和抗熱震能力。過渡段也在高溫燃氣下工作,過渡段周圍必須有強大的冷卻空氣流,這樣就會造成燃氣與過渡段金屬之間有數(shù)百攝氏度的溫差,所以用在過渡段的TBC不但隔熱、抗氧化性能要好,還要求有更好的抗熱震性能。

圖2 噴涂TBC的火焰筒（Mercury 50燃燒室）

2.3.3 CMC的研究與應(yīng)用

由于連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料(CMC)具有密度低、使用溫度高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，其在航空發(fā)動機熱端部件上應(yīng)用的具有減輕發(fā)動機重量，提高主燃燒室的溫升，提高發(fā)動機的效率的優(yōu)勢。

因而，CMC材料的開發(fā)和應(yīng)用，可以大量減少甚至取消火焰筒冷卻用氣，這對緩解燃燒用氣與冷卻用氣矛盾、延長燃燒室壽命等方面都大有益處。對于未來航空發(fā)動機的發(fā)展具有重要意義。目前國內(nèi)外都在積極進行CMC火焰筒研發(fā)工作，并已取得較大進展。

GE公司在TECH56計劃下研發(fā)的CMC燃燒室，溫升高、冷卻氣少、壽命長。UEET計劃中CMC火焰筒研究目標(biāo)是：驗證1204.4℃下CMC火焰筒耐久性；提高CMC及涂層的耐溫能力，研制1482.2℃系統(tǒng)和1648.9℃系統(tǒng)，大幅度減少甚至取消火焰筒冷卻，擴展CMC應(yīng)用范圍。

3 結(jié)語

長壽命是民用航空發(fā)動機及燃氣輪機燃燒室的一項重要性能指標(biāo)。探索和掌握長壽命燃燒室關(guān)鍵技術(shù)對未來燃燒室的研發(fā)有重要意義。長壽命燃燒室的關(guān)鍵技術(shù)主要包括先進冷卻技術(shù)和新型材料技術(shù)兩個方面，對于更高性能燃燒室，甚至需要兩種技術(shù)相結(jié)合才能解決燃燒室壽命問題。

目前國內(nèi)的長壽命燃燒室技術(shù)與國外相比還有一定的差距，需要開展多斜孔冷卻及陶瓷基復(fù)合材料火焰筒等方面的計算與試驗研究工作，通過計算、設(shè)計、試驗之間反復(fù)迭代逐步掌握長壽命燃燒室關(guān)鍵技術(shù)。

[1]李孝堂，候凌云，楊敏等，現(xiàn)代燃氣輪機技術(shù)，航空工業(yè)出版社

[2]尚守堂，程明，馬宏宇等，低排放長壽命燃燒室關(guān)鍵技術(shù)分析,航空制造技術(shù)2009

[3]Jeffrey Prince，ADVANCED MATERIALS FOR MERCURY 50 GAS TURBINE COMBUSTION SYSTEM，GT2006-90568

[4]R.L. Sikorski，An Overview of Some Combustion System Development Programs，AIAA 98-3267

[5]Peter Flohr，COMBUSTOR DESIGN FOR LOW EMISSIONS AND LONG LIFETIME REQUIREMENTS,GT2009-59540