1、ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit第五章 燃烧室设计新技术 目前航空发动机要求燃烧室在非常宽的工作条件下具有良好的性能，并且具有良好的燃烧效率和低的冒烟值。燃烧室喷嘴在小流量的条件下雾化质量直接影响高空飞行的工作稳定性，燃烧室出口温度的均匀直接影响到发动机工作的安全性和使用寿命。故提高燃油喷嘴雾化质量，改善满负荷工作状态时燃烧室的出口温度是新型燃烧室设计的重点。第1页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit常规燃烧室见5-1图5-2：
2、有两个燃烧区，分别为一贫油一富油区，目的为了提高燃烧效率。适当增加空气流量。图5-3：在小载荷状态启用预燃级喷嘴喷油以提高燃油雾化质量。增大发动机工作稳定性。图5-4：更好的控制主燃烧室燃油的雾化质量，改善燃烧室的工作稳定性和出口场温度。第2页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit四图的优缺点见表5-1第3页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit5.1.2 试验结果分析（1）燃烧室出口温度场对比分析5-5、5-6、5-7（a
3、、b）哪种燃烧室温度分布均匀？（2）燃烧室的冒烟特性图5-9给出了扇形试验件的冒险特性试验结果，表明：新设计的多旋流器燃烧室比现役短燃烧室油气比高很多。第4页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit（3）燃烧效率图5-10多旋流器燃烧室增大了当量功率，增宽了油气比的工作范围，具有平稳的燃烧效率图5-11表明：采用多旋流燃烧室对于不同的状态，开启不同的燃烧室与功率的关系。第5页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit 5.2新型的
4、燃烧室结构设计5.2.1 陶瓷基复合发汗冷却火焰筒试验证明，该火焰筒能在2000K的平均温度下进行工作，并且具备一定的发展潜力5.2.2 碳化硅复合材料火焰筒允许火焰筒工作温度高达14805.2.3 富贫快速掺混燃烧室如图所示，此种发动机在很高的工作温度水平上，剧本高的热容强度和低的燃烧室环面温度系数，发动机具备很好的耐热性第6页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit5.2.4 瓦片式内壁燃烧室可以是合金也可以是陶瓷，主要优点是受热件不承力，并与气膜冷却相结合使用，可大大提高燃烧室的工作寿命和可靠性第7页，共
5、30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit 5.3 复合材料和新型冷却技术的应用研究5.3.1柔性金属/陶瓷壁火焰筒结构如图5-16所示，设计工作温度可达1922K目前采用气膜发动机工作温度在1650K，而此种发动机设计工作温度在1900K左右。图5-17给出了采用此种CMC发动机后空气流量比一般的气膜冷却空气流量可减少80%第8页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit5.3.2 多孔层板冷却火焰筒如图5-18所示当冷却空气流过空层
6、内部时，带走了火焰筒壁面热量和内部热量，对火焰筒筒体冷却效果提高第9页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit 5.4 燃烧室相关其他技术1，多层燃油喷嘴图5-19，采用多层喷嘴，多个喷射点，大大改善了燃烧的掺混程度。2，新型的三通道扩压器设计（图5-20）扩压器作用？采用钛铝合金整体三通道扩压器可以降低成本，改善燃烧室进口气流速度分布，并可以缩短燃烧室的长度。第10页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit3，旋涡式加力燃烧室
7、采用独特的火焰稳定技术，可以缩短加力燃烧室的长度，降低重量，提高工作稳定性4，等离子点火器现役的点火器有哪些？作用：可以在较高的气流速度下增加燃烧室的工作稳定性第11页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit第六章 先进高功率涡轮及转子技术1，先进高功率涡轮的技术特点要求：单级涡轮比功率在目前使用的先进发动机单级涡轮基础上做功量提高14%，效率提高2.5%以上主要特点：1在较高的温度环境下工作2提高转子转速，增大涡轮叶片进出口气流的速度，加大速度三角形的扭速。第12页，共30页。ProNextReturnExi
8、t 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit3仔细设计涡轮叶片的形状4使用最好的材料加工涡轮叶片和涡轮盘5采用精密冷却技术第13页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit2，现代计算流体力学的应用由于计算机的发展技术，软件和硬件的不断提高，使得三维流体力学计算程序的开发在近几年中已到达实用阶段采用三维流体力学计算程序可以：提高单级涡轮做功能力减少二次流损失，提高涡轮效率了解涡轮表面的温度场分布，指导涡轮冷却空气通道的设计第14页，共30页。ProNextReturnExit
9、航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit6计算流体力学的应用：深入研究叶尖气流的复杂流动和换热过程动态分析涡轮导向器与涡轮叶片的相互作用计算叶片表面的M数分布 研究叶片表面的M书分布随时间的变化规律，有助于研究提高涡轮叶片耐久性的相关措施第15页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit6.3高效涡轮冷却技术1，提高单位流量空冷效率 前面讲了，发动机涡轮工作温度1900K以上，仅靠材料本身的耐高温性是难以满足要求的，因此必须对涡轮进行空冷。而依靠空气冷却的效果十分有限，因此提高
10、单位流量的空气冷却效果势在必行，下面介绍三种方案：强制冷却涡轮冷却空气第16页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit综合利用冷却空气的热能，引出高压压气机空气冷却后流入涡轮冷却后做功进一步改善叶片冷却气流的流路，提高冷却效果。第17页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit2，提高涡轮叶片的冷却效率第三代发动机涡轮采用耐高温合金第四代则必须采用单晶合金 此两种涡轮叶片内部空心结构难于加工，即内部空气流路因铸造工艺技术过于复杂、
11、精细，很难实现。使得三维仿真模拟涡轮内部温度场难以进行。因此美国提出了通过两个半片涡轮黏贴成一个涡轮叶片 6-6第18页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit6-4 粘接技术和涡轮叶片连接 由第四章内容知道：涡轮转速的提高，涡轮盘承受的离心力和自身的重量将增加，使得轮盘中心孔减小，无法设计双转子发动机。因此不减轻叶片重量，无法提高转速，难以设计高功率的涡轮转子。第19页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit1，技术分析发动机
12、转子重量占发动机重量的25%左右，轮盘是主体，若能够减轻叶片的重量，和叶片与轮盘连接部分的重量，就可以大大减轻涡轮轮盘的重量，从而减轻转子部分重量。第20页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit2，采用叶片粘接新技术减轻涡轮转子重量 放弃传统的多齿连接方式，采用合金粘接技术，将叶片和盘连接起来。图见6-7 效果见4-3 系数有所降低3，叶片的粘接技术简介（略）第21页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit6-5损伤容限设计技
13、术第22页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit6.6高性能涡轮部件的最新研究成果1，钛合金基复合材料低压涡轮轴此种轴与第三代合金涡轮轴比，可以减重30%，刚性提高40%，且寿命可靠性均有所提高2，低惯性，双结构涡轮盘 图6-9第23页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit3，碳化硅-碳复合材料涡轮导向器特点：重量轻，成本低，耐高温等性能4，整体式陶瓷材料涡轮叶片 特点：减轻了涡轮叶片的重量，而且可以承受较高的燃气温度5，碳
14、基复合材料的涡轮部件 详见P92第24页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit6，陶瓷基复合材料的涡轮过渡机匣特点：大幅度减轻机匣重量和冷却空气的流量7，钼基和铌基合金材料研究估计性能可以满足第三阶段目标所需高温叶片设计需求第25页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit第七章 矢量推进技术矢量：有方向有大小的量。标量：只有大小，无方向的控制第26页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机
15、结构与原理 ProNextReturnExit膨胀比的概念：式中：尾喷管进口处总压所在高度大气压力膨胀比：代表燃气在进入尾喷管时压力势能的大小，或者说表示进入尾喷管燃气膨胀能力的大小。与发动机的工作状态，飞机的飞行速度、高度有关系。p入*pp进喷入*p进第27页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit落压比：*pp进落出式中：燃气流出尾喷口的静压p出落压比落压比：燃气通过尾喷管的实际膨胀程度，表示尾喷管工作性能好坏的参数显然显然：完全膨胀 若不等，则不完全膨胀，即尾喷管排气速度到不到设计值，排气损失增加喷落第28页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit1，二元矢量喷管的特点改善大迎角和低动压飞行时飞机动性和操纵性降低飞机阻力提高纵向灵活性提高隐身能力缩短起降距离第29页，共30页。ProNextReturnExit 航空发动机结构与原理航空发动机结构与原理 ProNextReturnExit3，PH公式的二元拉法尔喷管详见图7-1，偏转时有很高的喷管推力系数第30页，共30页。
