淺析航空燃燒室及其發展趨勢

周蕊燕　賈譯鈞

摘 要：燃燒室作為航空發動機的關鍵部件之一，其位于壓氣機和渦輪之間，作用是將燃料的化學能經過燃燒而把熱量釋放出來，產生的熱量用來做功而轉化為發動機的推力。因此，發動機的可靠性、經濟性和壽命在很大程度上取決于燃燒室的可靠性和燃燒有效程度，本文主要系統講述了燃燒室的分類、性能參數以及發展方向，進一步推動航空發動機的研究。

關鍵詞：航空發動機；燃燒室；性能指標；低污染燃燒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.201

1 燃燒室分類

1.1 單/分管燃燒室

單/分管燃燒室是由多個在內、外殼之間的單管燃燒室組成的，其之間的關系是，每個都有著各自的火焰筒和外套，在火焰筒之前會有些旋流器、噴油嘴以及點火裝置，聯焰管之間都會相互連接，有著火焰的傳播與均勻作用。常常見于早期的渦輪噴氣發動機。其優點包括：進行試驗和檢修的時候相對比較容易些，不需要很龐大的設備；而且維護、檢查與更換時候會相對比較方便快捷，只需要拆除部分發動機；在總體結構的安排上面，與離心壓氣機的配合比較默契。但是也此類型的燃燒室也會有些缺陷：由于環形截面積的使用效率極低，而導致燃燒室內部的氣流平均速度比較大，此現象對燃燒不利，同時也會產生許多總壓損失；氣動性能也很差，是因為依靠高空的傳焰管來傳遞火焰；火焰筒壁面氣膜冷卻所需要的空氣量比較多；出口溫度場分布不均勻等。

1.2 環/聯管燃燒室

此燃燒室多用在軸流式對應壓氣機的發動機上面，是由很多個單獨的火焰筒沿著周向均勻布置，并且排列在內外殼間的環形腔內部，相鄰之間也是采用聯焰管連接。與單管燃燒室相同的是有獨自使用的火焰筒，不用的是只在兩個火焰筒上面裝有點火裝置。其優點有：其長度小而且質量輕，與壓氣機流場的匹配很容易，并且壓力損失小，外殼體間可互相傳遞扭矩，因此可以提高發動機的整體剛性，進而有利于是重量減輕。它的缺點包括：出口截面的溫度分布不容易維持，其燃油流動與空氣的流型很難進行配合，而且在探究過程中，需要很大的氣源，與整機流量相一致，費用不低等。

1.3 環形燃燒室

此燃燒室由四個同心的圓筒構成，而且在火焰筒的端部裝有一圈燃油噴嘴和火焰穩定裝置。這樣會與壓氣機出口和渦輪進口的環形氣流通道可以有很好的氣動配合，可以減少流動損失，縮短燃燒室頭部的擴壓段。在軸流式壓氣機的發動機中比較常見。結構特點是，在燃燒室內外殼之間還可以構成環形燃燒區與摻混區。按照燃燒室內部氣體的流動狀況，可以分為直流環形、回流環形與折流環形燃燒室三種。它的優點是：結構最為緊湊，性能較好，近年來使用率高；可以獲得較均勻的出口溫度場；空間的使用率非常高，殼體間有利于扭矩與力的傳遞，還可以減輕重量。缺點包含有：燃油分布與環形的進氣不容易配合。而且調試比較費勁，要有大型的氣源裝備，也不容易維護與拆裝。

2 燃燒室的主要性能指標

由于燃燒室是發動機中重要的一部分，因此為了適應發動機的要求，燃燒室必須要滿足一定的性能指標參數，有兩種方法來評價。一種是燃燒室的設計水平，另一種是其工作狀態是否正常。然而對于不同類的發動機，要求的側重點是不一樣的[1]。

一般來說，發動機燃燒室的性能衡量指標有：燃燒室的燃燒效率、啟動點火狀態、高空再點火狀態，工作穩定的范圍，出口溫度的分布，污染物的排放量，燃燒室的壽命等。

3 燃燒室的發展狀態及趨勢

為了得到環保性的適航要求，現在航空領域的主要發展目標是降低污染物的排放，尤其是氮氧化物的排放。現在研制的低污染燃燒技術包括：LPP（貧油預混預蒸發）燃燒方式、RQL（富油-快速-貧油）燃燒方式、LDI（貧油直接噴射）燃燒方式、MP-LDI（多點噴射貧油直噴）燃燒方式以及雙環腔燃燒（DAC）技術等大量低排放燃燒技術等[2]。然而，我國在高效低排放燃燒技術方面的研究才剛剛起步，與國外先進水平相比差距還很大。與此同時，國際上主要的發動機公司都申請了大量的專利，對其研制的低排放燃燒技術和產品進行全方位的保護和嚴格的保密。鑒于此，我國目前只有靠現有的能力，發展完全屬于自己的高效低排放燃燒技術，可以在大力借鑒國外先進技術的基礎上，不斷發展具有自主知識產權的高效低排放燃燒技術，實現低排放燃燒技術的跨越式發展。

LPP燃燒室較短，具有極高的燃燒效率，并且NOx和碳煙的排放極低，但其燃燒穩定性不好，存在回火、自燃等不穩定因素；RQL燃燒室燃燒效率高，低NOx排放，貧油熄火邊界寬，燃燒穩定，沒有回火和自燃現象。與LPP燃燒室相比較，RQL燃燒室穩定性和安全性較高，而且它可以適應各種不同組分的燃油， 但其碳煙排放很高，燃燒區長。貧油直接噴射LDI（ lean direct injector） 燃燒室，它是貧油預混預蒸發模型（LPP）的一種變形，則燃燒區較短。不同的是，LDI燃燒室中燃油是直接射入燃燒區，因此沒有LPP模型與生俱來的自燃和回火隱患。而多點貧油直噴（MP-LDI）燃燒室的模型，即在燃燒室頭部采用多個旋流器和噴嘴實現分級分區供油，這種燃燒室能在不同工況下實現分級控制燃油量，從而有利于擴大穩定工況范圍，燃燒充分，縮短燃燒室長度；便于控制燃燒室中的溫度分布并降低NOx的排放，提高燃燒室性能。由于其眾多的優越性，使得 MP-LDI燃燒室成為發動機燃燒技術發展的一個重要方向。

參考文獻：

[1]周賀，張志軒.燃燒與燃燒室[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009（09）：237-238.

[2]劉大響，金捷等.大型飛機的發展現狀和關鍵技術分析[J].航空動力學報，2008，23（06）：976-980.

作者簡介： 周蕊燕（1989-），女，山西運城人，碩士，研究方向：航空發動機燃燒設計與分析技術。