燃气轮机原理 第四章 燃烧室4-1&4-2&4-3

① 燃烧室进口气流速度很大，一般在 120~180m/s之间，相当于4倍12级台风的 速度。在如此高的气流速度下，组织燃烧 十分困难。高速气体在燃烧室内流动，还 会造成很大的总压损失。必须采取措施降 速，即使降速后的速度也还相当高，不采 取其它措施，仍不能保证火焰稳定。
② 燃烧室容积很小，但要在短时间内发出大 量的热能，要燃烧相当多的燃料，而且要 求燃烧完全。 涡喷-6发动机：10个火焰筒，总容积不到 0.07m3，但每小时要烧掉2.5吨燃油。 燃烧室的发展趋势：长度缩短，体积减 小，燃料燃尽程度接近100%。
3
航空燃气轮机
= (1.2 ~ 3.5) × 108 qvp
地面重型燃气轮机 主燃烧室 火焰筒 蜂窝煤炉
qvp = (1.2 ~ 5) × 107
qvp = (7.5 ~ 9.08) × 107
qvp = (12.34 ~ 20.73) × 107 qvp = 4.3 × 10
6
KJ /( m ⋅ bar ⋅ h )
一次空气供应方式
将一次空气全部通过装在火焰管头部旋流器供入 燃烧区 将一次空气分别由旋流器和开在火焰筒前段的几 排一次空气射流孔供入燃烧区
2—旋流器 5—一次空气射流孔
试验表明，第 种供气方式，即将一 次空气分别由旋流器和开在火焰筒前 段的几排一次空气射流孔供入燃烧 区，可以保证燃烧室具有比第 种供 气方式，即将一次空气全部通过装在 火焰管头部旋流器供入燃烧区，更为 宽广的负荷变化范围。这是由于在第 种供气方式中，燃烧室具有“一次空 气量自调特性”。
航空发动机的污染表现
• 由于燃烧组织的不完全，特别是富油时，排放大 量的CO直接造成对人类健康的危害； • 局部富油时因缺氧，生成大量的炭粒子，形成可 见黑烟雾，造成污染； • 由于燃烧时温度较高，特别是在地面起飞状态 时，容易形成NOx类物质，对人类及其他生物危 害很大； • 燃烧室工作时，特别是加力燃烧室在不稳定工作 时，产生低频高分贝的强噪声污染。
3
火焰筒的容热强度为蜂窝煤炉的40倍，从产生热量 的功能上来看，一个火焰筒相当于1300个蜂窝煤炉。
7.使用寿命长 燃烧室内火焰温度很高，火焰筒壁面 经常受着高温燃气的侵蚀，由于气流 和火焰的紊流脉动，使火焰筒承受着 交变高温燃气引起的热应力，经常产 生裂纹、烧蚀和变形等故障。
7.使用寿命长
影响燃烧室寿命的主要因素是火焰筒壁温， 延长寿命主要从以下方面入手： 火焰筒材料；
地面燃气轮机，用多级涡轮充分吸收能 量，然后以轴功率形式输出，带动其它 机件（如发电机）作功。 还有一部分能量随燃气以热能的形式排 放到大气。
燃烧室是一个能量转换器
燃料的化学能
燃 烧 涡轮
航空燃气轮机
机械功（经压气机增压空气） 动能（产生推力） 热能随燃气排放至大气
热能
尾喷管
燃烧室是动力机械的能量发源地。
* 3
一个矛盾
若达到烧着的程度，涡轮叶片承受不了； 若考虑涡轮叶片耐温程度而减少供油，又 烧不着。 解决办法：
先在火焰筒头部按接近恰当的油-空气比例（油和空气中 的氧基本上都用光）进行充分的燃烧，这时头部气流温 度接近2500K，然后用剩余的空气将高温气流掺混，把 温度降下来，以达到涡轮叶片接受的温度。 先燃烧后降温 一次空气和二次空气
6.尺寸小和重量轻
为了提高发动机的推重比和减小迎风面 积，力争在容积小的燃烧室中单位时间内 烧掉较多的燃料。 容热强度 qvp ：每立方米的燃烧容积里在 单位压力下每小时实际放出多少热量。
3600 qma f H u η b qvp = * V B P2
VB ：燃烧室空间容积
KJ /( m ⋅ bar ⋅ h )
ηb =
( qma + qmf ) h* g − ( qma h* a + qmf h*f ) 3 2 qmf H u
96~98%，甚至可达100% 90%
主燃烧室 ： 加力燃烧室：
4.出口温度场符合要求
燃烧室出口气流温度场符合涡轮叶片高温强度 的要求，不要有局部过热点。要求： 火焰除点火过程的短暂时间外，不得伸出燃烧 室； 沿涡轮进口环形通道的圆周方向，温度尽可能 * 均匀，在整个出口环腔内最高温度 T 3 max 与平均 温度 T * m 之差不得超过100~120ºC； 3 沿叶高（径向）温度分布应符合等强度原则。
③ 燃烧室出口气流温度 T 受到涡轮叶片的 热强度的限制，不能过高，否则会使叶 片失稳变形，以至熔化或断裂，造成事 故。目前一般允许在1200K，叶片采取 冷却措施的发动机可达1600K。 由于涡轮叶片耐温的限制，燃烧室内供 油受到制约。燃烧室内供油只能烧掉空 气中氧的1/4。在贫油的均匀混气情况 下，火焰不能传播，燃烧不能进行。
在燃气轮机燃烧室中发生的燃烧过程总是 在余气系数 α 较大，且 α 的变化范围又很 宽的高速气流中进行的，因此燃烧室工作 有两点困难： 若把燃料直接喷到由压气机送来的全部空 气中去燃烧，那么燃烧区的温度必然很 低，燃料不能完全燃烧，燃烧效率非常 低； 由于气流的流动速度很高，因而燃烧火焰 很容易被吹熄。同时，还会产生非常大的 压降损失。
这种“分流”方法，相对于把燃料直接喷到 “全部空气”中去的燃烧方法，可以保证燃烧 区具有相当高的燃烧温度，有利于提高燃 烧反应的速度。 在分流方法中，控制“一次空气”的数量是改 善燃烧工况的关键。试验表明：在燃烧柴 油和天然气时，在满负荷工况下的一次空 气量控制在 α =1.1~1.3（相当于燃烧区温 度 为 1800℃ 左 右 ） ， 在 空 载 工 况 下 ， α =2.0~2.5（相当燃烧区温度为1000℃左右） 是合适的。否则，燃烧效率将严重恶化。
解决办法
1. 采用扩压器，使进入燃烧区的气流速度由 压 气 机 出 口 的 120~180m/s 降 低 到 20~30m/s左右，借以减小气流的压降损 失； 2. 采取气流“分流”的办法，以提高燃烧区的 温度； 3. 采用“火焰稳定器”，使在燃烧区内能够形 成一个特殊形态的气流结构，为稳定火焰 创造条件。
2.燃烧稳定性要好
燃烧室的稳定工作对发动机来说是至关重 要的。 燃烧稳定的两个含义： 在发动机工作过程中，通常情况下不熄 火； 不出现对发动机具有破坏性的燃烧，通常 为振荡燃烧。
稳定燃烧特性包线
燃料的成分主要为碳氢化合物 C x H y
C + O2 = C O2
2 H 2 + O2 = 2 H 2 O
机组负荷增加，燃烧火焰的伸长，后排射流孔供 入的空气向火焰补充所需的氧，防止缺氧引起的 燃烧不完全和火焰过长。
2—旋流器 5—一次空气射流孔
试验表明，具有一次空气量自调特性的供 气方式对于扩大燃烧室负荷变化范围的效 果是明显的。 例如，对某燃烧室 采用第 种供气方式
α = 4.94 → 14.4
采用第 种供气方式
3.413 = 14.7 L0 = 0.232
过量空气系数（余气系数）α ：实际供给的 空气量与理0
油气比 f =1/40~1/330 α=2.7~30
稳定燃烧特性包线
C2
p
P = const * T 2 = const
* 2
C 2 > C 2 p 时，燃烧不稳定
燃烧室性能之间的矛盾： 火焰稳定性 高容热强度 解决办法： 根据用途，做折衷考虑（trade-off） 压力损失大 使用寿命长
4-3 燃烧室中燃烧过程的组织
燃烧室中发生的整个工作过程包括：
燃烧区中气流流动过程的组织； 燃烧区中燃料浓度场的组织； 燃烧区中可燃混合物的形成、着火与燃烧； 混合区中二次掺冷空气与高温燃气掺混过程 的组织； 火焰管壁冷却过程的组织。
相同C 2 时，
α max − α min
* 3
越大越好
α min
α max
α
T 受涡轮材料的限制，
燃烧室不容易发生富油 熄火，易贫油熄火，一 般 α max > 25 。
1 - 富油熄火极限 2 - 贫油熄火极限
3.燃烧要完全
将所供燃料全部烧完，将化学能释放出来。 燃烧效率 η b ：燃料燃烧时实际用于加热 工质的热量（增加气体总焓）与这些燃料 完全燃烧时的理论放热量之比。
一次空气量自调特性
定义：随着火焰长度的伸缩能自动调整直 接参与燃烧反应的一次空气量的特性。
机组负荷降低，燃烧火焰的长度缩短，通过开在 火焰长度之后的一次空气射流孔供入的空气量不 会直接射到火焰中去掺冷火焰，低负荷时，燃烧 温度仍很高；
2—旋流器 5—一次空气射流孔
一次空气量自调特性
定义：随着火焰长度的伸缩能自动调整直 接参与燃烧反应的一次空气量的特性。
燃烧室出口温度径向分布
h
2 h 3
T 3 min
*
叶尖部分叶片很薄，散热条件差
温度系数 δ m ：
T 3m
*
T 3 max
*
T 3 max − T 3m δm = * * T3 −T2
* *
δ m 通常不超过20%
由于离心力的作用，叶片及 涡轮盘榫头连接部位应力大
5.压力损失小
出于组织燃烧的需要，燃烧室采用了复杂 的结构。 阻力系数 ζ b ：燃烧室总压损失与某参考 截面(最大截面或进口截面）气流动压头 之比。 * − P* P2 3 = ζb 1 2 ρ m Cm 主燃烧室 ： 20~30 2 加力燃烧室： 3~4
1千克碳完全燃烧需要8/3千克氧气 1千克氢气完全燃烧需要8千克氧气
航空煤油（C8H16）：含碳86%，含氢14%，1公斤煤油完全 燃烧需要消耗的氧气量（公斤）为
8 86% × + 14% × 8 = 3.413 3
稳定燃烧特性包线
大气中含氧气量为23.2%， 1公斤煤油完全燃烧需空气量（公斤）为
高性能耐热钢板
采取冷却措施； 分段气膜冷却，鱼鳞片气膜冷却 防止严重积炭。 火焰筒壁面温度不超过800度