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燃气透平环形燃烧室与环管形燃烧室的比较

(2015-01-14 23:28:38)
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杂谈

燃机和航空发动机的燃烧室有两种,一种叫作环管形燃烧室,一种叫作环形燃烧室

  环管燃烧室是由数个火焰筒围成一圈所组成,在火焰筒与火焰筒之间有传焰管相连以保证各火焰筒的出口燃气压力大至相等。可是既使是如此各各火焰筒之内的燃气压力也还是不能完全相等,但各火焰筒内的微小燃气压力还不足以为患。但在各各火焰筒的出口处由于相邻的两个火焰筒所喷出的燃气会发生重叠,所以在各火焰筒的出口相邻处的温度要比别处的温度高。火焰筒的出口温度场的温度差异会给涡轮前部的燃气导向器带来一定的损害,温度高的部分会加速被烧蚀。比如在使用了8个火焰筒的环管燃烧室的JT3D上,在火焰筒尾焰重叠处其燃气导流叶片的寿命只有正常叶片的三分之一。

  与环管式燃烧室相比,环形燃烧室就没有这样的缺点。故名思意,与管环燃烧室不同,环形燃烧室的形状就像是一个同心圆,压缩空气与燃油在圆环中组织燃烧。由于环形燃烧室不像环管燃烧室那样是由多个火焰筒所组成,环形燃烧室的燃烧室是一个整体,因此环形燃烧室的出口燃气场的温度要比环管形燃烧室的温度均匀,而且环形燃烧室所需的燃油喷嘴也要比环管燃烧室的要少一些。均匀的温度场对直接承受高温燃气的燃气导流叶片的整体寿命是有好处的。

  与环管燃烧室相比,环形燃烧室的优点还不止是这些。

  由于燃烧室中的温度很高,所以无论环管燃烧室还是环形燃烧室都要进行一定的冷却,以保证燃烧室能更稳定的进行工作。单纯的吹风冷却早以不能适应极高的燃烧室温度。

现在人们在燃烧室中最普便使用的冷却方法是全气膜冷却,即在燃烧室内壁与燃烧室内部的高温燃气之间组织起一层由较冷空气所形成的气膜来保护燃烧室的内壁。由于要形成气膜,所以就要从燃烧室壁上的孔隙中向燃烧室内喷入一定量的冷空气,所以燃烧室壁被作的很复杂,上面的开有成千上万用真空电子束打出的冷却气孔。现在大家只要通过简单的计算就可以得知,在有着相同的燃烧室容积的情况下,环形燃烧室的受热面积要比环管燃烧室的受热面积小的多。因此环形燃烧的冷却要比环管形燃烧室的冷却容易的多。在除了冷却比较容易之处,环形燃烧室的体积、重量、燃油油路设计等等与环管燃烧室相比也着优势。

  但与环管燃烧室相比,环形燃烧室也有着一些不足,但这些不足不是性能上的而是制作工艺上。

  首先,是环形燃烧室的强度问题。在环管燃烧室上使用的是单个体积较小的火焰筒,而环形燃烧室使用的是单个体积较大的圆环形燃烧室。随着承受高温、高压的燃烧室的直径的增大,环形燃烧室的结构强度是一大难点。

  其次,由于燃烧室的工作整体环境很复杂,所以现在人们还不可能完全用计算的方法来发现、解决燃烧室所面临的问题。要暴露和解决问题进行大量的实验是唯一的方法。在环管燃烧室上,由于单个火焰筒的体积和在正常工作时所需要的空气流量较少,人们可以进行单个的火焰筒实验。而环形燃烧室是一个大直径的整体,在工作时所需要的空气流量也比较大,所以进行实验有一定的难度。在五六十年代人们进行环行燃烧室的实验时,由于没有足够的条件只能进行环形燃烧室部分扇面的实验,这种实验不可能得到燃烧室的整体数据。

  但由于科技的进步,环形燃烧室的机械强度与调试问题在现如今都以经得到了比较圆满的解决。由于环形燃烧室固有的优点,在八十年代之后研发的新型涡扇发动机之上几忽使用的都是环形燃烧室。

  为了更能说明两种不同的燃烧室的性能差异,现在就以同为普·惠公司所出品的使用环管形燃烧室的第一代涡扇发动机JT3D与使用了环形燃烧室的第二代涡扇发动机JT9D来作一个比较(二手数据)。

两种涡扇发动同为双转子前风扇无加力设计,不过推力差异比较大,JT3D是8吨级推力的中推发动机,而JT9D-59A的推力高达24042公斤,但这样的差异并不妨碍我们对它们的燃烧室作性能上的比较。首先是两种燃烧室的几何形状,JT9D-3A的直径和长度分别为965毫米和627毫米,而JT3D-3B的直径是1020.5毫米、长度是1070毫米。很明显,JT9D的环形燃烧室要比JT-3D的环管燃烧室的体积小。JT9D-3A只有20个燃油喷嘴,而JT3D-3B的燃油喷嘴多达48个。燃烧效率JT3D-3B为0.97而JT9D-3A比他要高两个百分点。JT3

D-3B八个火焰筒的总表面积为3.579平方米,而JT9D-3A的火焰筒表面积只有2.282平方米,火焰筒表面积的缩小使得火焰筒的冷却结构可以作到简单、高效,因此JT9D的火焰筒壁温度得以下降。JT3D-3B的火焰筒壁温度为700-900度左右,而JT9D-3A的火焰筒壁温度只有600到850度左右。JT9D的火焰筒壁温度没有JT3D-3B的高,可是JT9D-3A的燃烧室出口温度却高达1150度,而JT3D-3B的燃烧室出口温度却只有943度。另外较小的直径能在航空发动机上实现更小的迎风面积,迎风阻力也更小。以上所列出的几条足以能说明与环管燃烧室相比环形燃烧室有着巨大的性能优势。

最后环形燃烧室虽然在性能上有较大的吸引力,但是其维护成本较高,维护操作性相对不强,零部件数量相对较多,对后勤维护压力比较大。

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