第4章燃烧室、加力燃烧室和尾喷管
Burner and Nozzle
第4.1节 燃烧的基本知识
Basic Knowledge of Burn
在空气流中连续不断的喷入燃油，形成火焰，稳定燃烧，必须满足以下两个条件： 一、油气比在一定的范围内才能进行燃烧
目前航空燃气轮机一般都使用航空煤油作为燃料。航空煤油在燃烧前由喷咀在高压下将煤油喷成雾状，在空气中蒸发，与空气混合。煤油与空气的混合比例(油气比)是一个重要的参数。 对一定量的空气来说，喷入的燃油量在燃烧后正好将空气中的氧气完全用完称为理论所需燃油量，实际喷入燃油量与理论所需燃油量之比称为燃料系数用β表示。
对一定量的燃油来说，将燃油完全烧完所需的空气量称为理论所需空气量，实际空气量与理论所需空气量之比称为空气系数或称为余气系数，以α表示。 β<1或α>1表示喷入空气的燃油较少，燃烧后不足以将空气中的氧气燃烧完，这种情况称为贫油；β>1或α<1则表示喷入空气的燃油太多，将空气中的氧气烧完后还有剩余的燃油，这种情况称为富油。
在一定的贫油或富油的范围内(油气比范围内)才能进行燃烧，过于贫油或富油是无法进行燃烧化学反应的。可以进行燃烧的油气比范围与油气混合后的混气压力和温度有极大的关系。
二、火焰周围气流速度必须低于火焰传播速度
β=1的均匀混气在常温常压下火焰的传播速度远低于1m/s，在紊流的气流中，火焰传播速度有所提高，能达到每秒数米或十多米，这与气流的紊流度有很大的关系。要使火焰能稳定燃烧，它周围的气流速度必须低于火焰传播速度。
第4.2节 主燃烧室
Burner
主燃烧室是航空燃气轮机的主要部件之一，它介于压气机与涡轮之间，压气机出口的气流进入燃烧室，在其中喷入燃油进行燃烧，成为高温燃气进入涡轮。 然而，压气机出口的气流速度一般在150m/s左右，在这样高速的气流里是无法稳定火焰进行燃烧的。此外，受涡轮材料耐热性的限制，燃烧室出口的燃气温度一般在1200～1700K范围内，相当于燃料系数β大约在0.25～0.4范围内。在这样的贫油状态下，燃烧是无法进行的。
一.主燃烧室为组织火焰、稳定燃烧所采取的结构措施
首先，为了保证在形成火焰进行燃烧的部分达到比较合适的燃料系数范围，使燃料系数达到 β=1左右。在燃烧室内设置火焰筒，空气从火焰筒壁上的圆孔或气膜缝隙进入火焰筒内，在喷入燃油的火焰筒头部，根据需要设计一定数量的圆孔和缝隙，以保证火焰筒头部的燃料系数达到 β=1左右。
喷入燃烧室的燃油在火焰筒头部进行燃烧后温度可达到2000K以上，燃烧后的高温燃气在火焰筒后部与进入的二股冷却空气相渗混，使燃气温度达到所需要的数值。
图4.2.1 火焰筒头部燃烧过程示意图
其次，由于火焰传播速度很低，为了保持火焰稳定燃烧，在火焰筒头部喷油嘴周围设置空气扰流器，使空气在火焰筒头部内形成旋涡，旋涡中心为低压区，使一部分已经燃烧的高温燃气倒流回来形成回流区，不断的点燃由燃油雾滴蒸发形成的新鲜混气。
图4.2.2 扰流器结构图
图4.2.3 扰流器作用示意图
一般情况下，主燃烧室都采用离心式喷油嘴，在高压作用下燃油经喷油嘴高速旋转喷出，与喷咀外空气相撞击形成极细小的雾化油滴，并很快蒸发与空气混合，形成新鲜混气。
图4.2.4 双路式离心喷嘴结构图
图4.2.4a 离心喷嘴油束运动示意图
燃油喷嘴的另一种形式，如图4.2.5所示，叫蒸发管。燃油由喷油管喷出，与来自压气机的一部分空气在蒸发管内掺混，并经T型热管壁加热蒸发。实践表明，使用蒸发管的燃烧室其燃烧效率较高、不冒烟，出口温度场也比较均匀，不随喷油量的变动而变化。当前，这种蒸发管式供油装置已与环形燃烧室相配合，得到了广泛使用。
图4.2.5 T型蒸发管的工作示意图
近年来，很多发动机上都采用气动雾化喷嘴，简称气动喷嘴。图4.2.6 即为RB211发动机所用的气动喷嘴结构示意图。燃油通过集油槽和切向孔将油喷射到内环的外壁面上。由于供油压力不高(约为3～5×105Pa)，燃油只是紧贴在壁面形成一层旋转的油膜，在内环腔中气流的吹动下，沿壁面向下游扩展，这里是个窄喉道内环气流加速流动，油膜在内环气流和外环气流的交义切吹下，碎裂成细小的油珠，由内外两股气流强紊流的带动，较好地掺混于气流中，形成均匀的油雾进入火焰筒头部，即燃油离开喷嘴时已经较好的雾化，不必再需要一段距离进行雾化，很快达到可燃状态。实践表明，这种气动喷嘴可大大降低发烟度和热辐射量，且不必要高压油泵，出口温度场也均匀稳定。
图4.2.6 RB211发动机所用的气动喷嘴
二、主燃烧室的点火装置
图4.2.7 点火装置图
航空燃气轮机燃烧室的点火装置如图4.2.7 所示，是利用外电源，使高压火花塞打火，将点火装置中由起动喷油嘴喷出的燃料和空气或氧气的混合气体加热到着火温度，使它首先燃烧，然后再依靠这个起动喷嘴火焰点燃整个燃烧室。燃烧室点燃以后，点火装置即停止工作。为保险起见，一台发动机的燃烧室一般都有两个点火装置。
三、主燃烧室的结构形式
图4.2.8 三种基本形式燃烧室的结构示意图