航空發(fā)動機燃燒室流程損失問題的研究

姜山

摘要：航空發(fā)動機在試車過程中經(jīng)常出現(xiàn)起動失敗、渦輪后溫度超溫和耗油率高等問題。燃燒室作為發(fā)動機的核心部件之一，應著重考慮燃燒效率、出口溫度場分布和壓力損失，重點研究流場組織和燃油霧化兩方面。本文論述了航空發(fā)動機燃燒室部件常見問題對燃燒室性能的影響，重點對葉片焊瘤、燃燒室機匣塌腰、火焰筒帽罩型面進行了計算和理論分析，為燃燒室部件現(xiàn)場問題處理提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：常見問題；壓力損失；流量分配

1 緒論

航空發(fā)動機在試車過程中經(jīng)常出現(xiàn)起動失敗、渦輪后溫度超溫、耗油率高和推力下降等問題。燃燒室作為發(fā)動機的三大部件之一，發(fā)動機性能反應到燃燒室上主要為燃燒效率、壓力損失。根據(jù)燃燒室性能試驗結(jié)果來看，燃燒室的燃燒效率一般在0.975～0.998。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，總壓恢復系數(shù)偏低0.01，導致渦輪前總壓偏低0.01，單位推力會降低0.007，燃油消耗量會增加0.006左右。

根據(jù)燃燒室的結(jié)構(gòu)，燃燒室一般存在導流葉片與燃燒室機匣焊接焊瘤、燃燒室機匣塌腰、旋流器進口無倒圓，帽罩型面差等問題，為確定上述問題對燃燒室性能的影響，本文開展相關計算和分析工作。

2 結(jié)構(gòu)簡介

燃燒室在發(fā)動機上位于壓氣機和渦輪之間，在燃燒室機匣前部設置設置導流葉片，從導流葉片出來的氣流經(jīng)過突擴擴壓器，被火焰筒帽罩分成三部分。一部分射流經(jīng)旋流器參與燃油霧化、燃燒；其余兩部分射流經(jīng)內(nèi)外環(huán)二股通道，從火焰筒各排孔進入，參與燃燒、摻混和冷卻，共同形成有利于穩(wěn)定燃燒的環(huán)境。

為了提供穩(wěn)定燃燒條件，要求導流葉片較好的安裝角、均布性和較小的焊瘤，以減小流量損失和壓力損失，保證流場穩(wěn)定性；要求火焰筒內(nèi)部流量合理的分配，以保證穩(wěn)定的燃燒；要求旋流器有較好的流量匹配，保證足夠的旋流霧化能力和回流能力，需要旋流器具有較好的制造符合性。

下面對導流葉片、燃燒室機匣塌腰和帽罩型面的影響進行研究。

3 影響分析

3.1 導流葉片

根據(jù)實際研制狀態(tài)，計算模型采用導流葉片與燃燒室機匣焊接處無焊瘤、R0.5的焊瘤和R0.7的焊瘤、順流偏轉(zhuǎn)3°、順流偏轉(zhuǎn)5°、周向偏轉(zhuǎn)3°和周向偏轉(zhuǎn)5°的模型。

根據(jù)計算結(jié)果，葉片根部倒圓R0.5時相對應按圖樣模型的壓力損失增大0.01%，流量損失增大0.28%；隨著倒圓半徑增加至R0.7，壓力損失增大0.09%，流量損失增大1.18%，漲幅較大。根據(jù)計算流場，當焊瘤大小超過0.5時，已超過附面層厚度，影響流通面積，進入壓力和流量的敏感區(qū)，另外焊瘤過大，表面凸凹不平或者表面粗糙度較大也會對壓力損失和流量有影響，故焊瘤大小應控制在R0.5以下，并對焊瘤表面進行拋光處理。

葉片順流方向偏轉(zhuǎn)時，壓力損失較小，但由于順流偏轉(zhuǎn)減小了有效流通面積，故對流量損失影響較大，因此應嚴格控制葉形孔質(zhì)量和葉片安裝角。

葉片周向偏轉(zhuǎn)時，葉片的分布不均，導致各葉片間的氣流不均勻，產(chǎn)生紊流，故壓力損失和流量損失均較大。

3.2 燃燒室機匣塌腰

分別采用無塌腰、塌腰1mm、2mm、3mm的模型進行計算。燃燒室機匣塌腰主要是焊接變形導致，根據(jù)計算結(jié)果，與標準狀態(tài)（無塌腰）相比，塌腰1mm的壓力損失增加0.01%，可忽略不計，流量分配比例變化（外環(huán)：內(nèi)環(huán)：頭部）由2.65：1.2：0.55變?yōu)?.63：1.22：0.55；塌腰2mm的壓力損失增加0.16，流量分配比例變?yōu)?.6：1.24：0.56；塌腰3mm的壓力損失增加0.36%，流量分配比例變?yōu)?.56：1.27：0.57。

塌腰對火焰筒頭部和內(nèi)環(huán)的流量影響不大，對外環(huán)的流量影響較大，塌腰1mm對壓力損失影響不大，達到或超過2mm時的壓力損失漲幅較大，故應控制燃燒室機匣跳動不超過1mm。

3.3帽罩型面

根據(jù)火焰筒帽罩型面一般結(jié)構(gòu)，選取幾種結(jié)構(gòu)進行計算：頭部相對較平；b）頭部相對圓滑；c）原結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

帽罩圓弧段對氣流起引導作用，使氣流經(jīng)過帽罩的氣流平緩過渡至內(nèi)、外環(huán)通道，型面不好帶來較大的氣流沖擊損失；頭部較平會使經(jīng)過環(huán)形梁板的氣流形成仰角，故該圓弧段半徑應適中選擇，以降低壓力損失。

4 總結(jié)

本文總結(jié)了航空發(fā)動機燃燒室研制過程中常見問題：雙排葉片與燃燒室機匣焊接處存在焊瘤、燃燒室機匣塌腰、帽罩型面過渡差、平直段過大等問題，分析了其對壓力損失和流量分配、損失的影響，并提出了控制建議及改進措施。貫徹文中控制建議和改進措施的燃燒室性能有了顯著提高，對航空發(fā)動機燃燒室各零部件的質(zhì)量控制具有一定的指導意義。

參考資料：

[1]《航空發(fā)動機設計手冊》總編委員會，航空發(fā)動機設計手冊第9冊，航空工業(yè)出版社，2000-6

[2]A.И.米哈伊洛夫等，燃氣渦輪發(fā)動機燃燒室的工作過程與計算，科學出版社，1964

[3]范作民等，燃燒室流量匹配和總壓損失的試驗研究，中國燃氣渦輪研究院，1977