03-2燃烧室的基本原理
燃烧热测定实验及其实际意义
与理论值比较及原因探讨
与理论值比较
将实验测得的燃烧热与理论值进行比较，分析二者之间的差异及其可能原因。如实验条件与理论条件的差异、测 量误差等。
原因探讨
针对实验值与理论值的差异，进一步探讨可能的原因，如实验方法的改进、测量精度的提高、实验条件的优化等 ，为后续的实验提供参考和改进方向。
04
CATALOGUE
准确称量样品质量；
控制好实验条件，如温度、压力等； 熟练掌握热量计的使用方法；
对实验数据进行准确记录和处理。
测定原理及方法
测定原理
燃烧热测定的基本原理是能量守恒定律。在绝热条件下，物 质燃烧所放出的热量等于其燃烧前后内能的变化。通过测量 物质燃烧前后温度的变化，可以计算出其燃烧所放出的热量 。
测定方法
燃烧热测定可以提供化学反应的热效应数据，用于计算反应热、生成热等热力学参数， 有助于深入理解化学反应的本质和规律。
热力学数据验证
通过燃烧热测定得到的实验数据与理论计算值进行比较，可以验证热力学理论和计算方 法的准确性和可靠性。
材料性能评估
材料燃烧性能评价
燃烧热测定可用于评估材料的燃烧性能 ，如易燃性、燃烧速度、燃烧温度等， 为材料的安全使用和防火设计提供依据 。
对于可回收利用的废弃物，应尽 量进行资源化利用，减少资源浪 费。
实验室安全常识普及
安全标识识别
了解实验室安全标识的 含义和作用，遵守标识
规定。
安全设施使用
熟悉实验室安全设施的 使用方法，如灭火器、 安全淋浴器、洗眼器等
。
应急处理措施
掌握实验室常见事故的 应急处理措施，如火灾 、触电、化学品泄漏等
。
误差分析
分析实验过程中可能产生的误差来源 ，如测量仪器的精度、环境温度的波 动、操作过程中的不稳定因素等，并 对误差进行合理估计。
火焰传播的原因和特点
火焰传播速度
火焰传播速度是指火焰在静止介质中蔓延的速度，通常以 米/秒（m/s）为单位进行测量。
火焰传播速度的影响因素
火焰传播速度受到多种因素的影响，包括可燃物的物理和 化学性质、燃烧条件（如氧气浓度、压力和温度）以及环 境因素（如风速和介质流动）。
火焰传播速度的测量
火焰传播速度可以通过实验进行测量，通常在实验室条件 下使用燃烧室或燃烧塔进行测量。
特点
森林火灾蔓延速度快，火势大，难以控制，破坏力强，对生态环境造成严重破坏。
油罐爆炸案例
原因
油罐爆炸通常是由于油罐内的油料泄漏、静电、雷击或人为操作失误等原因引起。
特点
油罐爆炸产生的火焰温度极高，火势猛烈，燃烧速度快，并可能伴随有毒气体和烟雾，对周围环境和 人员安全造成严重威胁。
家中火灾案例
原因
均相燃烧两大类。
均相燃烧是指可燃气体和空气混 合后形成的均匀混合物在燃烧过 程中产生的火焰传播，如天然气
、石油气等。
非均相燃烧是指可燃物与空气混 合不均匀，在燃烧过程中产生的 火焰传播，如木材、煤等固体可
燃物。
02
火焰传播的原因
可燃物的存在
可燃物种类
不同的可燃物有不同的燃烧特性，如易燃、难燃等。
在工业生产中，应尽量减少空气的进入，以降低氧气浓度，从而控制火焰的燃烧 。
惰性气体
在某些情况下，可以使用惰性气体（如氮气、二氧化碳等）来稀释空气中的氧气 ，降低燃烧的可能性。
控制火源的措施
消除火源
在工厂、仓库等场所，应消除火源，如禁止吸烟、禁止使用 明火等。
火源控制
对于必须使用火源的场所，应加强火源的控制和管理，如使 用防火设备、安装火灾报警器等。
火焰传播的影响因素
燃烧理论与基础 03第三章 燃烧流体力学
H h p/
H H vv/2
~
式中h为焓，H为滞止焓，Qa为组分a的反应 ~ H 热； 为包括动能的总焓；Qh则包括剪切功 流入的净速率和反应所产生和吸收的热能、 辐射能、电能等。
上式表示，内能加动能的增加率等于滞止焓 以对流与扩散两种方式流入单位体积内的净 速率，再加上源项 Qh。 式中的Γh表示热交换系数，其定义为：
仅适用于圆形自由射流的基本区域。
3、出口紊流度对自由射流的影响
从燃烧器喷出的射流都是紊流射流。由于燃 烧器的设计和加工各不相同，因而射流喷出 时具有不同的起始紊流度，将导致射流喷出 后扩散和衰减规律有较大的差异。 下图示出了不同初始紊流度的等温射流和不 等温射流的相对动压头沿射流轴线的变化规 律。
Γ S x j
当采用时间平均方法后，时平均方程中将出 现一些新的未知关联项，忽略密度脉动三阶 关联项，剩下的即 v ' 与 v v ，称为雷诺应力 项，它们的数值模化将在以后的燃烧数值模 拟章节中介绍。
' j
' i ' j
第二节 直流燃烧器空气动力特性
（3）化学组分方程
m ( ma ) ( v j ma ) (a a ) Ra t x j x j x j
式中，Ra是包括化学反应引起的产生（或消 耗）率以及颗粒反应产生的质量源。 化学组分a的质量分数ma的定义式为：
a a ma a
2 vi vi v j 2 vi ij ' ij ' x 3 x j 3 x j xi j
火排燃烧器工作原理
火排燃烧器工作原理
火排燃烧器是一种常用的燃气设备，用于将燃气燃烧为热能。
其工作原理主要包括供气、点火和燃烧三个步骤。
首先是供气阶段。
当用户需要使用燃气时，通过调节阀门使天然气等燃气进入燃烧器的供气管道。
供气管道一般设有过滤器，用于过滤燃气中的杂质以保护燃烧器内部的零部件免受损坏。
接下来是点火阶段。
当燃气进入燃烧器后，通过开启点火装置，引入点火源进行点火。
点火装置可以是电火花点火器、火柴或打火机等。
一旦点燃，燃气开始燃烧并形成火焰。
最后是燃烧阶段。
在火焰点燃后，燃气与空气在燃烧室内混合并燃烧。
火焰会不断燃烧并释放出大量的热能。
燃烧过程中会产生的废气会通过排烟管道被排出室外。
需要注意的是，为了确保燃烧的效率和安全性，火排燃烧器通常还配备有一系列安全装置和控制系统。
例如，火焰传感器可用于监测火焰是否正常燃烧，并在异常情况下切断燃气供应。
温度传感器可以监测燃烧室内的温度，当温度超过设定值时，可以发出报警并采取相应的措施。
总的来说，火排燃烧器通过供气、点火和燃烧三个步骤将燃气燃烧为热能，提供给用户使用。
它的工作原理简单且高效，同时通过安全装置和控制系统保障了使用的安全性。
2024版电控柴油发动机结构原理与维修第2版
促进发动机燃油经济性的优化和提升。
可再生能源利用
鼓励电控柴油发动机利用生物柴油等可再生能源。
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季节性保养注意事项
夏季
检查冷却系统、空调系统等，确保散 热良好；加强燃油系统清洁，防止气 阻。
冬季
检查加热系统、预热装置等，确保低温 启动性能；使用低凝点柴油，防止油路 结冰。
长期停放后启动前检查项目
01
电瓶电量检查
确保电瓶电量充足，必要时进行充 电或更换。
冷却系统检查
检查冷却液液位及质量，确保冷却 系统正常。
03
电控柴油发动机故障诊断与排除方法
故障诊断基本流程与技巧
基本流程
了解故障现象→读取故障代码→分析故障代码→检查相关部件→确认故障原因 →排除故障→验证维修结果。
技巧
善于利用故障诊断仪、善于观察与倾听、善于总结与归纳、善于借鉴他人经验。
常见故障类型及原因分析
燃油系统故障
供油不畅、喷油器堵塞或雾化不 良等，原因可能是燃油质量差、
维修后性能检测及调试技巧
维修完成后，要对电控柴油发动机进行全面的性能检测， 包括启动性能、动力性能、排放性能等。
对发动机进行必要的调试，如调整喷油正时、气门间隙 等，使发动机达到最佳工作状态。
使用故障诊断仪对电控系统进行检测，确保各传感器、 执行器工作正常。
在调试过程中，要注意观察发动机的运行情况，及时发 现并处理异常现象。
03
结合多种燃烧方式优点，提高发动机性能。
智能化和自动化技术在维修中应用
1 2
故障诊断系统 利用传感器和算法实现故障自动检测与定位。
远程故障诊断与维护 通过网络实现远程故障诊断、数据分析和维护。
燃烧系统简介资料课件
根据测试结果，对燃烧系统进行评估，确认其是否达到设计目标。同时，根据实际运行情况，对设计 方案进行优化和改进。
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07
案例分析：某型燃气轮机 的燃烧系统设计
设计背景与目标
背景
随着能源结构的转变，燃气轮机在能源领域的应用越来越广泛，而燃烧系统是燃气轮机的核心组成部分。
目标
设计一款高效、稳定、环保的燃烧系统，以满足燃气轮机的运行需求，同时实现低排放、低噪音和低能耗的目标 。
设计方案与特点
特点
混合器设计：采用先进的混合器 设计，实现空气和燃料的均匀混 合，提高燃烧效率。
新能源对燃烧系统的挑战与机遇
新能源的发展
随着新能源技术的进步，如太阳能、风能等，传统燃烧系统的应用受到限制，面临挑战。
新型燃烧系统的研发
为适应新能源的发展，科研人员正致力于研发新型的燃烧系统，如太阳能集热系统、燃料 电池等。
燃烧系统在新能源领域的应用
在新能源领域，燃烧系统的应用将更加广泛，如用于太阳能热发电、生物质能发电等。
过程的稳定性。
热量传递
02
燃烧室设计应确保热量能够有效地传递到周围的介质中，以实
现热能的利用。
耐高温材料
03
由于燃烧过程产生高温，因此燃烧室材料需要能够承受高温的
考验。
供风系统
风机
供风系统包括风机，用于向燃烧室提供足够的空 气。
风道设计
风道的形状和大小会影响空气流动的稳定性，进 而影响燃烧过程的稳定性。
04
燃烧系统的设计与优化
燃烧系统设计的原则与方法
安全性原则
燃烧系统设计应确保在各种运行工况下的安 全性，避免出现爆燃、回火等危险情况。
中国空间站燃烧科学实验系统燃烧室设计与分析
0254-6124/2021/41(2)-301-09Chin. J. Space Sci.空间科学学报ZHANG Xiaowu, ZHENG Huilong, WANG Kun, YANG Xiaofang. Combustion chamber design and analysis of the space station combustion science experimental system (in Chinese). Chin. J. Space Sci.,2021, 41(2): 301-309. DOI：10.11728/cjss2021.02.301中国空间站燃烧科学实验系统燃烧室设计与分析张晓武1>2郑会龙1王琨3杨肖芳11(中国科学院工程热物理研究所北京100190)2(中国科学院大学工程科学学院北京100049)3(天津航天机电设备研究所天津300450)主商要中国空间站燃烧科学实验系统能够在轨进行多种燃料的微重力燃烧实验，其关键组件燃烧室是可实现密 封的压力容器，为实验插件提供机械、氧化剂、废气排放、供电、控制、冷却等接口，支持实验插件完成相关功能.本文依据承压范围、漏率、透射光波段等设计技术指标进行燃烧室结构设计与力学分析.燃烧室采用分段式结构，由合叶门、锁紧圈、连接环、筒体等组件依次连接组成，连接结构处使用密封圈.通过燃烧室的承压分析、模态分 析以及随机响应分析，校核了燃烧室结构的强度、刚度及随机振动响应特性，验证了燃烧室设计的安全性与可靠性，能够满足发射及在轨工作要求.关键词燃烧室，微重力，压力容器，模态分析，随机振动中图分类号V 524.7C om bustion C ham berD esign and A n alysis o f th e SpaceS tation C om bustion Science E xp erim en tal S ystem ZHANG Xiaowu1-2ZHENG Huilong1WANG Kun3YANG Xiaofang1Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190)2(School of Engineering Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing100049)3(Tianjin Aerospace Institute of Electromechanical Equipment, Tianjin300450)Abstract The Chinese Space Station Combustion Science Experiment System is capable of conducting microgravity combustion experiments of multiple fuel types in orbit.The combustion chamber,one of the key components,is a pressure vessel that can be sealed.It is equipped with interfaces for the experiment inserts such as mechanical,oxidizer,exhaust gas emission,power supply,control and cooling.In this paper,the detailed design and analysis of the combustion chamber is based on the technical indicators such as pressure-bearing range,leakage rate,and transmitted light band.The combustion chamber adopts a sectional structure,which consists of a hinged door assembly,a locking ring assembly,a connecting ring assembly,a cylinder assembly,etc.Seals are used at the connection positions.The strength,stiffness and random vibration response of the combustion chamber **中国载人航天工程计划燃烧科学实验系统项目资助2020-06-08收到原稿，2020-08-03收到修定稿E~mail: ******************.通信作者郑会龙，E-mail: *******************302Chin. J. Space Sci.空间科学学报2021, 41(2)structure were checked through pressure analysis,modal analysis and random response analysis.The results verified the safety and reliability of the combustion chamber design,which can meet launch and in-orbit operational requirements.Key words Combustion chamber,Microgravity,Pressure vessel,Modal analysis,Random vibration〇引言燃烧过程能够实现能源利用及获取动力，但是燃 烧引发的火灾、爆炸、污染等也给人类造成了极大困 扰.人类社会的进步有赖于对燃烧现象的预测与控制 能力提升111•重力是燃烧过程的重要影响因素之一，能够引起颗粒或液滴沉降以及浮力诱导的自然对流，但浮力的存在掩盖了一些固有而微弱的现象.重力 可使燃烧过程的动量、热量和质量传递耦合关系发 生改变，因此常重力环境下对燃烧现象难以进行更深 入的研究％.微重力环境是一种理想的燃烧实验研 究条件，能够减轻浮力，抑制颗粒与液滴沉降，简化火 焰几何结构与燃烧过程，实现真正意义的球形火焰.在微重力环境下，一些微弱的效应，如扩散、辐射和 热泳等会控制整个燃烧过程.这为检验经典燃烧理论 及完善燃烧模型提供了有效途径.此外，在发展空天 推进以及航天器防火技术时.地面燃烧实验均不能再 现相关的燃烧过程，必须在微重力条件下进行[3斗相比传统方法通过落塔、落井、抛物线飞行飞 机获得短暂的微重力时间，空间站在轨期间能够提 供长期稳定的实验环境，完成地基微重力装置不能 实现的诸多实验美国、欧盟、日本等在国际空 间站（International Space Station,ISS)上开展了大 t t微重力燃烧研究工作IS S上开展燃烧实验 研究的有关设备包括安装在Destiny舱段的燃烧集 成柜（Combustion Integrated Rack,CIR)以及安装 在Columbus舱段的微重力科学手套箱（Microgravity Science Glovebox，MSG). 其中由 NASA 格伦研究 中心开发的C IR集成了光学诊断、燃料供给、废气 排放等多种功能，在役期间提供了大童可靠、有效的 微重力燃烧实验数据I11一161.中国载人空间站计划设计安装燃烧科学实验柜，用F开展微重力燃烧实验研究.燃烧科学实验柜由 柜体和科学实验系统两部分组成117，181.燃烧室是科学实验系统进行燃烧实验的密闭空间，属F压力容器，其设计在满足质M要求的前提下，应充分考虑密 封性能以及力学性能，保证结构的安全性与可靠性.1燃烧室设计输入中国空间站燃烧科学实验柜（Combustion Sci-ence Rack,CSR)在轨期间可以开展气、固、液微 重力燃烧实验，具有火焰温度、流场速度、材料表面 火焰传播速度、火焰形貌、火焰结构、中间组分光谱 特性、碳烟浓度场等实验参数的测量功能，如图1所 示.燃烧科学实验系统安装在C S R机架上，各类科 学实验在其燃烧室内部进行，燃烧科学实验系统包括 燃烧室、光学支撑平板、光学诊断等子系统，各子系 统的空间布局如图2所示.燃烧室是C S R科学实验系统的核心组件之一，实验插件安装在燃烧室内部，可自动完成点火并维 持火焰燃烧.兼具一定测量功能.燃烧室可为实验插 件提供标准机械接U及气、冷却、供电、信号等资源，图1空间站燃烧科学实验柜Fig. 1Space station com bustion sciencerack张晚武等：中国空间站燃燒科学实验系统燃燒室设计与分析303支持实验插件在燃烧室密闭环境中进行气、固、液 多种类型微重力燃烧实验：燃烧室沿周向布置光学 窗口，为光学诊断子系统提供了观测通道，测量K 域大小为50mmx 50mm ,测量内容包含火焰三维 形貌、火焰温度场、火焰速度场、碳烟浓度、燃 烧中间组分（OH /CH )等.除弱光检测自由基OH (307nm)/CH (432nm )外，其余测量要求透射波段均 处于可见光（380〜780nm )范围.燃烧室设计技术指 标见表1.强度高，阳极化性能好，具有一定耐磨性，且密度低 于合金钢等，常用F 航空航天领域.根据JB/T 4734—2002《铝制焊接容器》，在 巧彡0.4H V 时，设计温度下燃烧室简体的厚度为0■Pc A(1)设计温度下，燃烧室筒体的计算应力为c /=(2)2Se2结构设计燃烧室设计时.定义筒体内径为400mm ,实验允许气压在0.2〜3 atm (1 atm = 101 325 Pa ).燃烧实 验期间，火焰区域集中在燃烧室中央50mmx 50mm 的较小区域，热量传递对燃烧室壁面影响较小，并且 燃烧室内部配置了严格的温度监测与控制系统，因此 燃烧室筒壁最高温度不超过l 〇〇°C .考虑燃烧室的质 量限制，规定壳体厚度不超过l 〇mm .燃烧室材料选用超硬铝合金7075,该材料是一种冷处理锻压合金，V 值应不大于设计温度下燃烧室筒体的最大允许工作压力[•Pw ]=2(5e [c r ]f(^⑶式中，尺为计算压力，即在相应设计温度下用来确定 元件厚度的压力；A 为圆简内直径；为设计温度 下圆筒的材料许用应力；W 为焊接接头系数:V 为设计温度下圆筒的计算应力；P w 为圆筒的最大允许工作压力•本设计中，取计算压力巧=4atm = 0.4〇4Oxidizerand diluent subsystemExhaust cleaning subsystemCombustion chamber (Inserts includedinside)图2燃烧科学实验系统子系统空间布局关系Fig. 2 Sub-system s spatial layout relationship of com bustion science experim ental system表1燃烧室设计技术指标Table 1 Combustion chamber design specifications初始压力 压力控制范围：0.02〜0.3 M P a (绝压)，精度：±0.01 M P a 实验过程压力 允许实验过程压力：<0.3 MP a (绝压）通用功能 具有与供电能力、最大燃烧放热能力匹配的散热功能.为实验插件提供机械、电气接口漏率彡 0.5 x 1(T 6 P a .m 3.s—1 (氦检）观察窗透射波段300〜780 nm304Chin. J. Space Sci.空间科学学报2021，41(2)Hinge door assembly Locking ringassembly BearingInterface ringassemblyCylinderassemblyRear cover图3燃烧室结构Fig. 3 Structural diagram of the com bustion cham berMPa,7〇75铝合金许用应力[a]*为45MPa,焊接接头 系数p= 0.85,满足只^彡0.4H V通过计算得出当 燃烧室有效厚度心= 3.65 m m时，燃烧室最大允许 工作压力[Pw] = 0.415 MPa > 0.303 MPa = 3 atm,满足燃烧室最大工作压力使用要求，考虑安全裕度,燃烧室厚度设计为5 mm.国际空间站C IR技术成熟，借鉴其燃烧室设计 方案，结构采用分段式设计，由合叶门组件、锁紧圈 组件、轴承组件、连接环组件、筒体组件与后盖依 次连接组成（见图3).为保证燃烧室结构整体的密封 性，在各组件连接面之间以及光窗玻璃法兰处加工两 圈密封槽，槽内安装F108氟橡胶密封圈（见图4).燃烧室舱门锁紧与解锁采用齿啮式快开结构，该结构原理简单，承压能力强，方便航天员在轨操作，通 过合页门组件、锁紧圈组件、交叉圆柱滚子轴承实现. 在燃烧室门与锁紧圈上沿圆周方向加工均布的8组 扇形锁紧齿，通过旋转连接于交叉圆柱滚子轴承的锁 紧圈，使相配合的8组锁紧齿啮合与错开，如图5所 示.解锁后，可打开燃烧室门，进行插件更换及维修 操作，燃烧室舱门最大开合角度为11〇°，以防止碰撞.连接环组件上分布了气、液冷、电、信号等12 个接IJ,C S R科学试验系统通过接口实现如下功能: (1)为燃烧室供给氧化剂和稀释剂；（2)接入排气净化 子系统构成回路，完成燃烧实验气体过滤净化以及组 分分析;（3)实现燃烧室内部设备的供电及控制，并实 时监控内部状态；（4)从燃烧科学实验柜引入一路液 冷为实验插件冷板提供冷却介质，液冷工质为质量Installationposition ofcombustionchamber图4燃烧室密封设计Fig. 4 Com bustion chamber seal designLocking state Unlocking state图5燃烧室舱门锁紧与解锁Fig. 5 Com bustion cham ber hatch lockingand unlocking百分比36%的乙二醇水溶液.以燃烧室舱门关节处为〇°，各连接器的位置及编号如图6所示.表2给 出了各接口类型及对应功能.燃烧室筒体内侧壁对称布置两组插件导轨，为实 验插件提供了标准的机械安装接U.筒体外侧壁周向 均匀设置8个观察窗，每个窗口直径为100mm,厚 度8mm,选用融石英玻璃，该材料在300〜800m il波 段的透射率在90%以上,热膨胀系数低，具有非常稳 定的化学特性.由于双向承压，观察窗采用双向法兰 夹紧安装，并设置密封圈，保证简体内部气密性.此 外，为防止实验过程中示踪粒子、碳烟颗粒附着燃烧 室光窗玻璃等有关器件，影响后续实验，实验插件设张晓武等：中国空间站燃烧科学实验系统燃烧室设计与分析图6连接环接口编号Fig. 6 Connecting ring interface number表2连接环接□类型及功能Table 2 Interface type and functionof connecting ring编号零件类型功能1DN4氧化剂2DN4惰性气体3电连接器供电4电连接器信号5电连接器预留6DN8排气系统燃烧室回气7泄气阀释压8DN4稀释剂9DN8冷却液入口10DN8冷却液出口11传感器内部温度及压力监测12DN8排气系统燃烧室出气计了相对密封结构，即插件点火装置、气路系统、示 踪粒子释放机构及控制模块等安装在插件相对密封 的舱体内，舱体上设置了过滤网，该舱体与燃烧室无 压差，并能够隔离2 p m粒子进入燃烧室，防止微小 颗粒污染燃烧室光窗或排气净化子系统.3分析验证3.1燃烧室承压分析利用A N SY S进行燃烧室静态承压分析，燃烧 室结构选用7075铝合金，光窗玻璃为融石英，表3 给出了材料的性能参数.将燃烧室内腔设置为压力 面，并在燃烧室与光学支撑平板的连接处添加固定 约束.图7和图8分别给出了燃烧室内部压力为 0.3 M P a和0.9 M P a两种工况的分析结果.燃烧 室承压为0.3M P a时，最大应力在其底部正中间为 116.17MPa,观察窗的最大应力为8.69MPa;燃 烧室承压为〇.9M P a时，最大应力在底部正中间 为348.52MPa,观察窗的最大应力为26.07MPa. 7075铝合金的屈服极限为524MPa,融石英玻璃的 抗压强度为1150MPa,由此可见，两种工况下，燃烧 室均未失效.燃烧室的设计输入依据给出在轨实验期 间燃烧室内部压力< 0.3MPa，因而燃烧室安全系数 满足>3的工程要求，其承压性能良好.3.2燃烧室模态与随机响应分析燃烧室随柜体发射时经历较为复杂的振动环境，动力学分析能够校验燃烧室结构能否经受发射时的 振动，预知设计缺陷，燃烧室动力学仿真使用MSC. Patran/MSC.Nastran软件.通过模态分析计算燃烧 室的固有频率，采用Lanczos方法得到前6阶模态计 算结果，见表4.燃烧室基频为333.3 Hz，满足柜体要 求的大于74Hz,因而结构刚性较好，能有效避免共 振发生，造成破坏.当结构承受不可预知的连续载荷激励时可以采 用随机响应分析.随机响应的输入、输出均无法采用 时间的确定性函数表达,需要通过概率统计特性进行表3 材料参数表Table 3 Table of material parameters材料弹性模量/G P a泊松比密度/(t.m-3)7075 71 0.33 2.81融石英70 0.17 2.20305306Chin. J. Space Sci .空间科学学报 2〇21，41(2)描述.表5给出了燃烧室分析时所施加载荷的加速 度功率谱密度.设置了 5个关键节点，如图9所示， 其中Node 593771位于燃烧室顶部中心，Node 587663 位于燃烧室锁紧圈把手，Node 573510和Node 582258 位于燃烧室光窗中心.Node 573221位于燃烧室底部 中心.燃烧室随机响应分析结果见图10〜12,分别给出了;r , y , 2三个方向的燃烧室加速度响应云图、Von Mises 应力云图以及关键节点的加速度响应曲线.从图中可以看出：a ：方向最大加速度响应为32.6 g ,位于 燃烧室底部后盖，应力最大响应为9.22 MPa ,位于燃 烧室连接环上部;2/方向最大加速度响应为35.5 g ,位 于锁紧圈把手末端，应力最大响应为15.1 MPa ,位于 燃烧室连接环下部;2方向最大加速度响应为87.99,0_________0.300 m m m m m m zzzVon-Mises stress / Pa!1.1617x10s max 1.0326x10s 9.0356x1 〇7 U7.7448xl 〇7 L6.454〇xl 〇7 P 5_ 1632x1 〇7 卜 3.8724xl 〇7 L2.5816xl 〇7 | 1.2908x1 〇7 _ 47.403 min0.150Von-Mises stress / Pa.8.6919 (x l 〇6) max 7.7543j 6.81685.8793 J 4.9417 14.0042 3.0666 2.1291 ll.l915 ■0.2540 min0.300 m—…—10.150Von-Mises stress cloud of combustion chamber at 0.3 MPaVon- Mises stress cloud of opticalwindow glasses at 0.3 MPa图7 0.3 M P a 工况计算结果Fig. 7 Calculation results for 0.3 M Pa work conditionsVon-Mises stress / Pa i3.4852xl 〇x max 3.0979x10X 2.7107xl 〇K 2.3234xl08 1.9362x10* l.549〇x l 〇8 1.1617xl 〇x J7.7448xl07 |3.8724xl 〇7 1142.21 min0.150Von-Mises stress cloud of combustion chamber at 0.9 MPaVon-Mises stress / Pa12.6076xl07 max 2.3263x1 〇7 2.045〇xl 07 ■ 1.7638x1 〇7 1.4825xl07 1.2013xl07 H9.1999xl 〇6 J6.3873xI06 |3.5746xl 〇6 ■7.6202><105mino0.300 m0.150Von-Mises stress cloud of opticalwindow glasses at 0.9 MPa图8 0.9 M P a 工况计算结果Fig. 8 Calculation results for 0.9 M Pa work conditions表4 前6阶固有频率Table 4First six natural frequencies阶数第i 阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶频率/H z333.3366.2396.7434.5472538.8张晓武等：中国空间站燃烧科学实验系统燃烧室设计与分析307Node 593771Node 582258Node 573221Node 587663 Node 573510图9关键节点位置Fig. 9 Key node locations位于燃烧室U弯臂上，应力最大响应为11.2MPa，位于燃烧室连接环上部.三个方向关键节点的加速度响应曲线规律相似，在300H z以前，各节点加速度响应一致性良好，300 H z后各方向的加速度响应曲线陆续出现第一个峰值，与模态分析结果吻合.综上所述，:r，y方向最大加速度响应放大倍数分 别为3.37, 3.67,均小于5,满足刚度要求：2方向门弯臂处的加速度响应放大倍数为9.08,锁紧圈把手处放大倍数也较大，其余位置放大倍数小于5,需对响应较大的位置进行优化设计.X，仏2方向的最大应力响应分别为9.22, 15.1, 11.2MPa，能够满足工程材料力学方面的要求，即3倍均方根应力小于材料屈服极限（7075铝合金为524 M Pa),燃烧室强度足够.因此，燃烧室能够承受发射振动，满足发射工作要求.表5加速度功率谱密度Table 5 Accelerated power spectral density频率范围/H z功率谱密度总均方根加速度值每向试验持续时间10 〜50 3 dB/oct50 〜3000.25p2/Hz9.68 g(RMS)180 s300〜2000—12 dB/octResponse / (mms3.265T3.10 s I2 95s I2.805f2.645f2.4952.33-i2.185l2.035|1.8751.7251.56\1.415|1265|1.105|9.4941y\U Random vibration acceleration responseRMS cloud in x-directionStress / MPa9.2218.6〇|7-99P I7-38H6.76 H6-15H5.53 U4.924.313.693.082.461.851.240.6230.00907 Random vibration Von-Misesstress cloud in x-directiona C/3 c z593771587663573221573510582258图10 方向随机响应分析结果F ig. 10 R e su lts of x-d ire c tio n a l ra n d o m re s p o n se a n a ly sis308Chin. J. Space S c i .空间科学学报2021，41(2)u—一V，Random vibration acceleration responseRMS cloud in 少-directionResponse / (mm s ')3.55i 3.385l 3.205f :V (lY2.86-2.685i 2.51\ 2.335| 2.165 1.995 I.8I5 I.645 I.475 1.29\1.12i9.464Random vibration Von-Misesstress cloud in v-directionStress / MPa15.114.113.012.0 11.O H10.09.048.037.036.035.024.023.022.01 1.010.00752Random vibration acceleration response curve of key nodes in v-direction593771587663573221573510582258Frequency/Hz图11 2/方向随机响应分析结果Fig. 11 Results of y-directional random response analysisResponse / (mm s 2)Random vibration acceleration responseRMS cloud in ^-directionRandom vibration Von-Misesstress cloud in z-direction10000Random vibration acceleration response curve of key nodes in r-directionStress / MPa11.2|10.5|9.74 8.998.24 H 7.4916.746.005.254.503.75 3.002.251.50 0.7550.00602-593771 587663 —573221 —573510 —58225810.000 100.000 1000.000Frequency / Hzn001000100.0 / 3s u o d s<u a:图12 2方向随机响应分析结果F ig. 12R e s u lts o f 2-d ire c tio n a l ra n d o m re s p o n se a n a ly sis4结语根据中国空间站燃烧科学实验柜技术要求，开展了燃烧科学实验系统燃烧室的结构设计及力学分析. 燃烧室壁厚为5 mm ，含有实验插件机械接采用 快开门结构，通过连接环组件为实验插件接入系统 提供的氧化剂、供电、控制等各类资源，并通过筒 体的观察窗为系统提供数据采集窗口.利用ANSYS 对燃烧室进行了静态承压分析，结果表明在轨高压 实验期间，燃烧室能够承受3倍额定工作压力；利 用MSC .Patran /MSC .Nastran 对燃烧室进行了随机 响应分析，结果表明燃烧室整体强度满足要求，A 方向刚性良好，z 方向大部分结构刚度满足要求，但 门弯臂等位置需进行优化设计.参考文献[1] ZHANG Xia. 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燃烧器工作原理
燃烧器工作原理
燃烧器是一种将燃料与氧气混合并点燃的装置，用于产生热能或产生某种化学反应。
燃烧器的工作原理主要由燃烧过程、燃料供应系统和燃烧控制系统三部分组成。
首先，燃烧器的工作原理依赖于燃料与氧气的混合。
燃料可以是液体燃料、气体燃料或固体燃料，氧气则通常来自空气。
在燃烧器内部，燃料和氧气被喷射进入燃烧室，通过某种混合方式将二者充分混合。
混合的目的是为了创造一个适宜的混合比，以便实现有效的燃烧反应。
其次，燃烧器的工作原理包括燃料供应系统。
该系统负责将燃料输送到燃烧室中。
具体的燃料供应方式根据不同的燃烧器类型而有所不同。
液体燃料可以通过喷嘴或喷雾器进行雾化，形成细小颗粒或雾状，便于混合和燃烧。
气体燃料则通常通过阀门控制其流量，并与空气混合后进入燃烧室。
固体燃料可能需要经过预处理，如碾磨或破碎，然后通过供料装置逐步供应到燃烧区域。
最后，燃烧器的工作原理还包括燃烧控制系统。
这个系统通过监测和调节燃料和氧气的供应量，以及燃烧反应的过程参数来实现燃烧的控制和调节。
主要的控制参数包括火焰温度、燃料和氧气的流量、燃烧室的压力等。
通过控制这些参数，可以实现燃烧的稳定性、高效性和安全性。
燃烧控制系统通常包括传感器、控制器和执行器等设备。
总而言之，燃烧器的工作原理是通过将燃料与氧气混合并点燃，
产生热能或引发某种化学反应。
通过燃料供应系统和燃烧控制系统的协调工作，可以实现燃烧过程的调控和控制，以满足不同应用领域对热能的需求。
燃烧器的工作原理
燃烧器的工作原理
燃烧器是一种将可燃物质，如天然气、液体燃料或固体燃料，转化为能量（通常为热能）的设备。
它起到将燃料与氧气混合并引燃的作用，使能量产生并传递给需要的系统或设备。
燃烧器的工作原理主要涉及燃料供给、氧气供应和点火三个关键步骤。
在工作时，燃烧器通过燃料供给系统，将燃料送入燃烧器的燃烧室内。
这个过程通常涉及燃料泵、油嘴或喷嘴等设备，以确保燃料的适当流量和压力。
同时，燃烧器也需要氧气供应来与燃料混合。
氧气可以通过空气引入燃烧室，也可以通过其他氧气供应系统来提供。
在某些情况下，如高温燃烧过程中，纯氧气供应可能更为有效。
当燃料与氧气混合在一起后，需要点火来引发燃烧反应。
这可以通过电火花、火花塞或者火焰感应器等设备来实现。
一旦点火成功，火焰将延伸到整个混合物中，从而产生热能。
这个火焰通常由燃料的可燃部分和氧气的氧化反应产生。
燃烧器的设计和工作原理根据不同的应用和需求而有所差异。
例如，锅炉和炉子等工业燃烧器通常需要大量的热能产生，而燃气灶和燃油灶等家用燃烧器则更注重操作安全和能源效率。
总的来说，燃烧器通过燃料供应、氧气供应和点火等关键步骤将燃料与氧气混合并点燃，从而产生能量。
它在各个领域中发挥着重要的作用，如家庭取暖、工业加热和能源发电等。
《燃烧热的测定》课件
• 燃烧热概述 • 燃烧热测定实验 • 燃烧热测定实验中的注意事项 • 燃烧热测定实验的应用 • 实验思考题与习题
01
燃烧热概述
燃烧热的定义
燃烧热定义：在一定的压力下 ，可燃物完全燃烧时所放出的 热量。
燃烧热通常以每摩尔可燃物燃 烧时放出的热量表示，单位为 kJ/mol。
燃烧热是可燃物化学能转化为 热能的一种表现形式。
燃烧热的重要性
燃烧热是燃料热值的重要组成部 分，是评价燃料品质的重要指标
。
燃烧热的大小直接影响到燃料燃 烧时释放的热量，进而影响能源
利用效率和环境影响。
燃烧热的测定对于能源利用、环 境保护、化工生产等领域具有重
要意义。
燃烧热的测定原理
基于热力学第一定律，通过测量可燃物 燃烧前后系统温度的变化，结合已知的 热容数据，计算出燃烧热。
习题2
在燃烧热测定实验中，如何正确使用 氧弹？需要注意哪些安全事项？
习题3
简述燃烧热测定实验中，温度对实验 结果的影响。
习题4
根据实验数据，如何计算物质的燃烧 热？请给出计算公式和步骤。
THANKS
感谢观看
施。
04
燃烧热测定实验的应用
在能源领域的应用
燃料热值评估
燃烧热测定实验可以用于评估燃料的热值，为能源生产和 利用提供重要数据支持。
燃烧效率优化
通过测定不同燃料在不同条件下的燃烧热，可以优化燃烧 过程，提高燃烧效率，降低能源消耗和污染物排放。
新能源研发
燃烧热测定实验在新能源研发中具有重要作用，例如在研 究生物质能、太阳能等可再生能源的转化和利用过程中， 需要测定其燃烧热值以评估其应用潜力。
步骤六
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11
对燃烧室的基本要求
尺寸小、质量轻
尽可能地提高燃烧热强度，以减小燃烧 室的尺寸和重量，以适应整台燃气轮机 结构紧凑性的要求。
燃烧热强度：指在单位时间内、在单位体积的燃 烧空间中（或在单位面积的燃烧截面上），能够 释放出来的热量。 体积热强度 燃烧热强度
面积热强度
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00:20:23
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（二）燃烧室的型式
燃烧室分类
单（分）管燃烧室
顺流式
按气流流程 逆流式 按布置方式 联管燃烧室
环型燃烧室 圆筒燃烧室
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燃烧室的型式
顺流式燃烧室
空气自燃烧室的前端流入，燃烧后燃气 直接由后端排出，这时压力损失较小。
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燃烧室的型式
逆流式燃烧室
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9
对燃烧室的基本要求
压力损失小
工质流过燃烧室时，由于扩压、摩擦、 分流、掺混、倒流、热交换等，气体 的总压必然下降。流体阻力的大小与 燃烧室的结构和加热程度有关。
燃烧室的压力损失系数
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10
对燃烧室的基本要求
燃烧室出口温度场符合透平要求
温度沿叶片高度的分布，应能保证在最 小的叶片重量下，与应力沿叶片高度分 布相适应。
60
联焰管
传焰管的轴向位置应设置在回流区直径 最大的地方，因为这里容易点火。传焰 管的直径应足够大，以保证传焰的可靠 性，但又不能过分的大，因为贯穿在二 股气流中的大尺寸传焰管会在其下游产 生强烈的旋涡，影响火焰筒壁面的冷却。 分管燃烧室的联焰管伸出燃烧室外套， 因此，必须解决好联焰管同外套的密封 和联焰管本身的冷却问题。环管燃烧室 的联焰管包围在二股气流中，因此结构 较简单。
1、燃烧室是一个在连续的、高速气流中及 贫油混合气情况下进行的燃烧过程； 2、燃烧室在高温、大负荷下工作； 3、燃烧室在变工况下工作； 4、燃烧室需要具备燃用多种燃料的能力； 5、燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的 物理化学过程。
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对燃烧室的基本要求
点火可靠,燃烧稳定
要求启动时能迅速、可靠地点火燃烧， 并在整个启动、升温过程中不出现熄火、 超温和火焰过长等现象。未装点火器的 火焰筒，也能借助联焰管迅速、可靠地 联焰，保证启动百分之百的成功。点火 可靠，燃烧稳定，不发生大幅度脉动。
00:20:23
3
燃气轮机燃烧室
一．燃烧室工作特点和要求
二．燃烧过程和气流的组织
三．燃烧室的结构和型式
四．燃烧室的变工况特性
五．气体燃料的燃烧技术
六．重油燃料燃烧技术
七．燃烧室的排气污染及其控制
00:20:23 4
一、燃烧室工作特点和要求
燃烧室工作过程
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5
燃烧室工作特点和要求
燃烧室的工作特点
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38
燃烧室的结构和型式
（a） 平面旋流器
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燃烧室的结构和型式
（b） 径向旋流器
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燃烧室的结构和型式
（c）包角旋流器
其特点是叶片在出口处的外径逐渐减小，即叶片径向高度逐渐减 小，使流出的旋转气流呈向内包的趋势，对燃用重油较为有利。
00:20:23 41
对燃烧室的基本要求
排气污染小
排气无黑烟，含NOx等有害成分少
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对燃烧室的基本要求
寿命长
燃烧室必须具有足够的刚度、强度和气密 性，能承受振动负荷。合理地组织燃烧， 燃烧室的高温元件冷却良好，避免火焰筒 等高温元件局部过热、严重变形、裂纹和 积炭等，有助于燃烧室部件可靠性和寿命 的提高。目前，重型燃气轮机的翻修寿命 要求在20000～30000h。
逆流分管燃烧室通常布置在压气机或透平外围。圆 筒型逆流式燃烧室布置在机组上，其形式可为顶立、顶 卧、侧立、切向等，机组轴向长度较短，还能使燃烧空 气得到火焰筒内燃气的预热，有利于燃烧，但因气流往 返而压力损失较大。
2、气流“分流”的办法
一次空气 ≈ 25%
压气机送来的空气 冷却空气 二次空气
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燃烧区中气流流动过程的组织
经火焰筒上孔、缝的气流流动
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燃烧区中气流流动过程的组织
经火焰筒上孔、缝的气流流动
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燃烧区中气流流动过程的组织
燃烧区中的气流流动
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燃烧室中燃烧火焰的概况
火焰波峰与火焰筒轴线之间的第三区段， 在那里，充满了高温燃烧产物。由喷油 嘴喷射出来的燃料，基本上是在这个区 域内蒸发变成油气的。
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燃烧室中二次掺冷空气与高温燃气的掺混
燃烧产物温度太高，温度场也不均匀，必须由 二次空气掺冷。火焰筒内外压差一般为0.01～ 0.02MPa，二次空气约占空气总流量的70 ％～85％，二次空气经混合射流孔进人的速度 约为80－100m／s，一般在燃烧完成之后的 区域射入火焰筒，不宜过早或过于集中，以免 使局部火焰温度过低、燃烧不完全。在较后的 区段内，掺冷空气穿插深度需适当，才能掺混 均匀使温度场均化，所以火焰筒混合区的气孔 开得也较大。
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2、燃烧区中燃料浓度场的组织
燃料的燃烧方式
气体的燃烧方式
{
预混燃烧
扩散燃烧
液体的燃烧方式： 雾化燃烧
雾化 蒸发 扩散混合 燃烧 掺冷
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燃烧区中燃料浓度场的组织
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3、燃烧室中燃烧火焰的概况
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燃烧室中燃烧火焰的概况
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燃烧室中燃烧火焰的概况
5、燃料喷嘴
A. 液体燃料的雾化
B. 燃油喷嘴
C. 影响喷嘴喷雾特性的因素
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A液体燃料的雾化 雾化机理
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液体燃料的雾化
雾化机理
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液体燃料的雾化
雾化质量的评定 （1）雾化细度
“平均直径” （2）雾化均匀度 （3）雾化锥角
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燃气收集器
在分管型和环管型燃烧室中，需要用燃 气收集器（又称燃气过渡段）把火焰简 出口的圆形截面过渡并转变为透平喷嘴 前的扇形截面。
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燃气收集器
为了提高燃气收集器的工作可靠性，在 型面变化剧烈的地方，可以局部地开启 一些冷却小孔，使壁面获得冷却保护， 并适当减弱一些这个部位的刚度，以消 除一部分内应力。
气动雾化喷嘴（空气雾化喷嘴）
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蒸发管式喷嘴
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甩油盘式喷嘴
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C 影响喷嘴喷雾特性的因素
喷嘴的结构特点
喷油压降
燃油物理性质
喷雾空间中气体介质参数
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6、点火装臵
点火装置的作用是在启动时向燃烧 室提供初始点火炬。当燃烧室主燃 区能连续、稳定地燃烧时，点火装 置即停止工作。 点火设备要位于气体流速较低，油 气浓度较合适处，并要能提供足够 的能量才能点着。
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B 燃油喷嘴
I.
直射式喷嘴 II. 离心式喷嘴 III. 气动雾化喷嘴（空气雾化喷嘴） IV. 蒸发管式喷嘴 V. 甩油盘式喷嘴
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燃油喷嘴
直射式喷嘴
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燃油喷嘴
离心式喷嘴
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离心喷嘴的油膜运动
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燃油喷嘴
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3、火焰筒
燃烧室的结构和型式
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4、旋流器
燃烧室的结构和型式
旋流器位于火焰筒的头部，大多为环状围绕燃料喷嘴 安装，可多个使用，也可以多个并列或同心组合应用， 以改善燃烧过程或缩短火焰长度。旋流器可使一次空气 沿火焰筒内壁作螺旋状的旋转运动，有的旋流器能把一 部分空气射入雾化油锥内，可以减少积炭。 叶片式旋流器在结构上又分为：（a）平面旋流器； （b）径向旋流器；（c）包角旋流器
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燃烧区中气流流动过程的组织
措施：
① ② ③
采用扩压器 采取气流“分流”的办法 采用“火焰稳定器”
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燃烧区中气流流动过程的组织
扩压器及其气流流动
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燃烧区中气流流动过程的组织
气流“分流”的办法
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20Leabharlann 燃烧区中气流流动过程的组织
火焰筒内壁与火焰波峰之间的第一区段。在这 个区域内，充满了一次新鲜空气和燃料的混合 物，它不断地接受由火焰波峰传递过来的热量， 以及促使燃烧反应进行的活化分子的交换，从 而使可燃混合物逐渐进入着火状态。
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燃烧室中燃烧火焰的概况
火焰波峰所占的空间范围，即所谓第二区段。 在这里，燃料与空气的混合物在火焰波峰范围 内发生化学反应作用而逐渐完成燃烧过程。这 时，燃料的浓度迅速下降，而燃料和空气混合 物的温度将逐渐升高到最高值。这个区段又称 为燃烧反应区。
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8、燃气收集器
在设计中应保证燃气收集器具有一定的 强度和刚度，使能承受热冲击应力和振 动负荷而不致开裂。 燃气收集器出口流场的均匀性将随收集 器如收敛度之增大而得到改善。收敛度 的增大虽然可以缩短收集器的长度，但 是却会使型面的变化比较剧烈，在热冲 击下容易产生较大的内应力。