[科普中國]-管式燃燒室

簡介

燃燒室是燃料或推進劑在其中燃燒生成高溫燃氣的裝置，是一種用耐高溫合金材料制作的燃燒設(shè)備?；钊竭_上止點后其頂部與汽缸蓋之間的空間，燃料即在此室燃燒。燃氣輪機的燃燒室將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，將壓氣機壓入的高壓空氣加熱到高溫以便到渦輪膨脹做功，燃料為液體燃料（例如汽油）或氣體燃料（例如天然氣）。在燃燒物理學(xué)中有四種守恒方程，即總質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒及組分守恒方程2。

管式燃燒室模型管式燃燒室模型如右圖，是管式燃燒室的外殼剖視圖，燃燒室呈桶狀，前端空氣入口是通往壓氣機的出口，高溫燃燒氣體從后端出口是通往渦輪。燃燒室入口內(nèi)呈喇叭狀，迅速擴大的截面可降低壓氣機流出氣流的速度，以利于燃燒，燃燒室這前一段稱為擴壓器2。

在燃燒室前端裝有燃料噴嘴，噴嘴噴出的燃料與進入的空氣在燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣從出口噴出，燃燒室內(nèi)燃燒溫度高達2000多度，壓力在20至30多個大氣壓，燃燒室外殼在這樣高溫下很難承受這樣的高壓。為了降低燃燒室壁的溫度，在燃燒室內(nèi)設(shè)火焰筒，火焰筒采用耐高溫材料制成，空氣氣流通過火焰筒前方入口與筒身的進氣孔進入火焰筒內(nèi)，燃料與空氣混合后在火焰筒內(nèi)燃燒，由于氣流是從火焰筒外流向火焰筒內(nèi)，在火焰筒外是沒有火焰的，使燃燒室壁不會受到火焰的燒烤，溫度較低保證強度。而火焰筒只承受高溫，不承受壓力。

管式燃燒室的組成火焰筒火焰筒前方是主燃區(qū)，中部是補燃區(qū)，后部是過渡段（燃氣導(dǎo)管）。圖4是燃燒室氣流走向示意圖，白色箭頭線表示氣流在燃燒室的走向3。

雖然火焰筒采用耐高溫材料制成，也難承受高溫的燒烤，為了降低火焰筒的溫度，利用空氣進入火焰筒時對其冷卻。通過進氣孔進入火焰筒的空氣能對火焰筒壁起到一定的冷卻作用，但還不夠，還要一些措施來降低火焰筒壁的溫度，下面介紹一種在航空發(fā)動機中常用的方法——小孔氣膜冷卻法。

這種火焰筒的圓周開有很多小孔，氣流沿壁進孔并沿內(nèi)壁走過一段距離，可有效降低這一段的溫度，由于一圈小孔僅降低一段的溫度，所以采用多段的結(jié)構(gòu)，圖中的火焰筒有三段（含燃氣導(dǎo)管）。圖6中的淺藍色箭頭線表示小孔冷卻氣流的走向。

為了看清結(jié)構(gòu)與氣流走向，該火焰筒僅繪有3段，實際上許多火焰筒有更多段；除了小孔氣膜冷卻法外還有多種方法，原理大同小異。

點火裝置在火焰筒入口有渦流器與燃料噴嘴，在火焰筒前端還有點火裝置。

渦流器也稱空氣擾流器，目前多數(shù)渦流器是由多個偏轉(zhuǎn)的葉片組成的葉片式渦流器，氣流通過時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)在火焰筒頭部內(nèi)形成旋渦，旋渦中心為低壓區(qū)，使一部分已經(jīng)燃燒的高溫燃氣倒流回來形成回流區(qū)，不斷的點燃由燃油霧滴蒸發(fā)形成的新鮮混合氣。

除了葉片式渦流器還有喇叭形渦流器采用非流線體來產(chǎn)生渦流。

噴油嘴燃燒室多采用離心式噴油嘴，在高壓作用下燃油經(jīng)噴油嘴高速旋轉(zhuǎn)噴出，與噴咀外空氣相撞擊形成極細小的霧化油滴，并很快蒸發(fā)與空氣混合，形成新鮮混合氣。

目前氣動霧化噴嘴（氣動噴嘴）在新型燃燒室中得到廣泛應(yīng)用，優(yōu)點是燃油離開噴嘴時已經(jīng)較好的霧化，在火焰筒頭部形成均勻的油霧，燃燒效果好。

點火裝置采用高壓火花塞打火，點燃燃料和空氣的混合氣體。

管式燃燒室的工作過程氣流擴壓減速4，

噴油霧化，

點火，

形成燃燒回流區(qū)，

.燃燒，

摻混冷卻

管式燃燒器的氣流走向在來自壓氣機的高壓空氣從燃燒室入口進入，擴壓減速后分兩路進入火焰筒，一路從渦流器進入火焰筒與燃料混合后燃燒；另一部分空氣流經(jīng)火焰筒外壁從進氣孔與冷卻小孔進入火焰筒與剩余燃料燃燒，這部分氣流對燃燒室外殼與火焰筒壁起到冷卻作用，同時降低到渦輪的氣流溫度。

管式燃燒室工作條件①燃燒室在高溫、大負荷下工作5

②燃燒室在變工況下工作

③燃燒室在具有腐蝕性的環(huán)境下工作

④燃燒室內(nèi)的燃燒過程是一個極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程

⑤燃燒室中的燃燒在高速氣流及貧油混合氣情況下進行 （“空氣分股”、“減速擴壓”、“反向回流”）。

管式燃燒室的影響燃氣輪機運行時，燃燒室在寬廣的工況范圍內(nèi)工作。在燃氣輪機工作情況的過程中，燃燒室進口的空氣流量、溫度、壓力、速度以及燃油消耗量都會發(fā)生變化，這些變化反過來又會影響整臺燃氣輪機的性能。所以，弄清燃燒室的變工情況特性，對整臺燃氣輪機的變工況運行有積極地意義4。

擴散燃燒：燃料與助燃劑邊混合邊燃燒的過程，燃燒快慢由擴散快慢決定。

動力燃燒：燃料與助燃劑先混合后然后燃燒的過程。燃燒快慢由可燃混合物的化學(xué)動力學(xué)因素決定。

差異：動力燃燒——燃燒之前混合均勻

擴散燃燒——燃燒之前不混合

四種類型燃燒室與管式燃燒室的關(guān)系目前燃氣輪機的燃燒室主要有四種類型：圓筒形燃燒室、分管形燃燒室、環(huán)管形燃燒室、環(huán)形燃燒室，圓筒形燃燒室就是單個大號的管式燃燒室，較少應(yīng)用3。右圖是分管形燃燒室、環(huán)管形燃燒室、環(huán)形燃燒室的截面圖（垂直于燃氣輪機軸線的截面）示意圖。

由若干個管式燃燒室環(huán)繞燃氣輪機主軸排列組成一個整體的燃燒室稱為分管形燃燒室；由若干個管式火焰筒繞燃氣輪機主軸排列在一個環(huán)形燃燒室內(nèi)稱為環(huán)管燃燒室；在環(huán)形燃燒室內(nèi)有一個環(huán)形火焰筒稱為環(huán)形燃燒室。