燃燒室思考和練習題_答案

1、燃燒室及污染排放思考和練習題（1）航空燃氣輪機燃燒室的功用是什么？答：燃燒室的功用是把燃料中的化學能經過燃燒釋放出來，轉變?yōu)闊崮?，直接加到發(fā)動機的空氣當中，使其作功能力提高。（加工壓縮后的高壓氣流進入燃燒室，在燃燒室中進行充分有效地燃燒，燃燒后的高溫高壓燃氣驅動渦輪提供壓縮系統(tǒng)所需要的功，除此之外，剩余的高溫高壓燃氣一部分通過噴管排出，產生推進力，推動飛行器前進，另一部分通過動力渦輪，做機械傳動，帶動螺旋槳或風扇，產生推力和升力。）（2）航空燃氣輪機燃燒室采取何種技術措施來滿足發(fā)動機對燃燒室的性能要求？答：1.擴壓降速：燃燒室進口氣流馬赫數(shù)在0.2到0.35之間，如果采用一定措施保證火焰穩(wěn)定，

2、在如今加溫比2左右的情況下，加熱損失將高達3-12%，從循環(huán)來看，大大降低了作功能力，所以需要降低燃燒區(qū)速度，可大幅度降低加熱損失。加熱損失：2.燃油霧化（壓力，空氣，甩油盤，蒸發(fā)管）3.低速區(qū)或回流區(qū)穩(wěn)定火焰（旋流器）4.空氣分股：流速考慮，設置背風擋板，使高速氣流繞流，從而保證火焰穩(wěn)定；可燃性考慮，航空燃油的化學恰當油氣比為0.0676，而燃燒室中設計油氣比范圍為0.015-0.033，轉換為當量比為0.22-0.49.分股空氣一部分進入燃燒區(qū)，一部分進入摻混降溫區(qū)（3）為什么早期的燃燒室體積和長度都比現(xiàn)在燃燒室大？p224答：早期的燃燒室容熱強度(單位工作壓力、單位燃燒室容積下，每小時燃

3、燒的燃油所放出的熱量)小，所以體積和長度大。（燃燒室長度 Lc：所有的燃燒室都必須足夠長到能容納一個低速火焰穩(wěn)定區(qū)和一個高速混合區(qū)，以降低出口溫度分布。燃燒室長度與火焰頭部的比例 (Lc/Hd) 隨著燃燒室技術的發(fā)展不斷降低。）（4）燃燒室火焰筒內為什么要分區(qū)？以燃燒室油氣比0.03來說明。答：（5）請敘述燃燒室的正常工作過程，點火起動過程和熄火過程。答：正常工作過程：氣流流動過程的組織-燃料濃度場的組織-燃燒區(qū)中可燃混合物的形成、著火與燃燒-混合區(qū)中二次摻冷空氣與高溫燃氣摻混過程組織-火焰管壁冷卻過程點火啟動過程：燃燒室在地面狀態(tài)情況下，由起動機帶動發(fā)動機至一定的轉速，燃燒室噴油，采用點火裝

4、置點火，在一定時間內使燃燒室所有的燃油噴嘴噴出的油霧都能著火熄火過程：（6）燃燒室的主要結構部分包括什么，各有什么作用？答：擴壓器，降低壓氣機出口氣流速度，恢復動壓頭，利于燃燒室組織燃燒機匣：用于安裝火焰筒，連接發(fā)動機壓氣機部分和渦輪、加力燃燒室部分，是承力件；同時，機匣與火焰筒一起，構成環(huán)腔二股空氣流動噴嘴：用于燃油霧化和空間分布旋流器：使氣流旋轉，產生中心回流區(qū)，強化穩(wěn)定火焰燃燒過程帽罩：是空氣按照環(huán)腔、頭部所需量分股，流動不發(fā)生分離，減小流動損失火焰筒：燃燒室承溫部件，火焰筒上開有各種孔，實現(xiàn)氣流分量，在其間油氣兩相流穩(wěn)定高效燃燒，并在下流與冷氣摻混，滿足出口溫度需要，同時壁面采用有效地

5、冷卻保護措施，防止燒壞。（7）在某一個燃燒室出口測量的CO濃度為200ppm，未燃碳氫的濃度為50ppm，這兩個濃度值是在壓力1.0325×105Pa，溫度288K條件下測得的，燃燒室油氣比0.025，煤油的熱值是43500kJ/kg，請問，該燃燒室的燃燒效率是多少？（8）為什么要規(guī)定燃燒室的出口溫度品質？出口溫度分布系數(shù)和平均徑向溫度分布系數(shù)的定義是什么，典型的數(shù)值范圍，對渦輪的影響如何？答：燃燒室出口溫度分布關系到渦輪的工作環(huán)境；出口溫度分布系數(shù)：指燃燒室出口溫度最大值超出平均值的量與燃燒室溫升之比，0.25-0.35，越低越好平均徑向溫度分布系數(shù)：燃燒室出口徑向溫度分布沿周向平

6、均后與出口燃氣平均溫度之差，再與進出口燃氣平均溫度之差之比，不超過0.15（9）某燃燒室進、出口平均溫度分別為800K、1650K，實測出口溫度分布數(shù)據(jù)如下表習1，請分析出口溫度分布的品質。設計的出口溫度分布曲線參考下表習2。表習 1徑向位置周向位置1周向位置2周向位置3周向位置4周向位置501405 1365 1345 1495 1385 101540 1520 1563 1583 1543 201620 1608 1678 1628 1758 301637 1767 1767 1687 1797 401685 1793 1763 1693 1793 501730 1814 1764 171

7、4 1784 601701 1927 1767 1727 1757 701750 1831 1731 1851 1741 801710 1760 1730 1810 1620 901653 1643 1683 1763 1613 1001325 1385 1495 1555 1405 表習2徑向位置0102030405060708090100-0.03-0.05-0.050.020.050.0750.090.0950.07-0.02-0.3（10）為什么要規(guī)定發(fā)動機燃燒室的慢車貧油熄火邊界？（p223）答：慢車狀態(tài)是發(fā)動機的最小穩(wěn)定工作狀態(tài)。在發(fā)動機降工況時，需要減油門（燃燒室減油），而轉子由

8、于慣性，減速較慢，空氣流量也降低的較慢，這樣就出現(xiàn)了燃燒室貧油工作狀態(tài)。圖8-4-4中虛線是燃燒室中油氣比的變化過程，油氣比不能低到進入圖中的陰影區(qū)（貧油熄火邊界），如果此燃燒室穩(wěn)定性不好，油氣比落在了陰影區(qū)，就出現(xiàn)了熄火，即所謂的空中熄火，屬于重大事故。軍用航空渦輪發(fā)動機，f小于等于0.005，民用航空燃氣渦輪發(fā)動機f小于等于0.007。（11）為什么燃燒室需要一定的壓力降？壓力降為什么不能太大？壓力降增加1，航空燃氣渦輪發(fā)動機的單位推力會降低多少？以推力為10000daN（1daN=10N（牛頓）daN是力的單位），增壓比25，渦輪前溫度為1600K的一個發(fā)動機為例。P224答：氣流流過燃

9、燒室,由于粘性及溫升，會導致氣流總壓降低?？倝簱p失由兩部分組成，擴壓器損失（無用損失）和火焰筒損失（用于增加了氣流的穿透和摻混，為有用損失）。壓力降太大會減低發(fā)動機性能，對于民用發(fā)動機，會增加耗油量，對于軍用噴氣發(fā)動機，會降低推力。 （12）如表83所示，是一個額定推力50kN，總增壓比為30的發(fā)動機在ICAO CAEP規(guī)定的各個運行模式下的NOx排放指數(shù)。各運行模式下的NOx排放物指數(shù)和燃油流量參數(shù)Idle/taxi(7% Foo,4.0min)Approach(30% Foo,26min)Climb(85% Foo2.2min)Takeoff(100% Foo0.7min)Mf(kg/hr

10、)26267616201910EI NOx (g/kg fuel)3.54.51012確定該發(fā)動機燃燒室的排放是否能夠滿足CAEP4的標準。P229答：CAEP4的標準為：故滿足要求（13）列出單層火焰筒壁熱平衡方程表達式？P283答：燃氣向壁面的輻射換熱+燃氣向壁面的對流換熱+沿火焰筒壁面的導熱=通過壁面的導熱=壁面與環(huán)腔空氣的輻射換熱+壁面與環(huán)腔空氣的對流換熱（14）氣膜冷卻的優(yōu)點和缺點？p288答：優(yōu)點：可以在高壓力和高溫熱應力下工作幾千消失，而且冷卻縫槽開可以減輕重量，并使火焰筒的機械強度得到加強；缺點：壁溫不均勻，在冷卻氣膜出口位置溫度最低，在接近下一道氣膜出口時溫度最高。所以從本質

11、上是對冷卻氣體的浪費（15）通過查閱文獻資料，列舉先進冷卻方式的種類及應用。P289答：（16）加力燃燒室的作用是什么？與主燃燒室相比，工作條件有何差異？答：加力燃燒室能使發(fā)動機在短時間內加大推力，增加飛行的機動性，使發(fā)動機取得高度速度優(yōu)勢，擴大飛行包線以及超聲速飛行和其他作戰(zhàn)需求，在短時間內得到最大推力以滿足起飛、爬高、加速、追擊等工作要求。異同分析：對于小涵道比軍用渦扇發(fā)動機，通常的設計中，經過復燃加力后的燃氣都要經過噴嘴排出，因此，首先是外涵通道與核心機通道氣流混合，這個過程是主燃燒室所沒有的。擴壓降速時，擴壓器設計基本相同。（1.5分）其它的設計特點是相同的，但是具體的技術措施不一樣。

12、燃油霧化，主燃燒室通常采用空氣霧化噴嘴，離心噴嘴或蒸發(fā)管噴嘴（答出一種即可），家里燃燒室通常采用直射式噴嘴。（1.5分）低速區(qū)和回流區(qū)穩(wěn)定火焰：主燃燒室通常采用旋流器形成的回流區(qū)穩(wěn)定火焰，而加力燃燒室通常采用鈍體（或答v型槽，沙丘均可）形成回流去穩(wěn)定火焰。（1.5）空氣分股：在主燃燒室中，由于燃燒的當量比低于煤油的化學恰當比，采用空氣封股措施形成主燃區(qū)和摻混區(qū)，并形成火焰桶壁面冷卻，以達到高效、穩(wěn)定，高耐久性及符合渦輪要求的出口溫度分布，而家里燃燒室中，為了追求最大的家里比，燃燒的當量比是接近煤油化學恰當比，主要的空氣是用于參加燃燒，但是為保證加力燃燒室工作可靠性，少部分氣流用于隔熱屏的冷卻。

13、（17）渦噴發(fā)動機和渦扇發(fā)動機加力燃燒室有何區(qū)別（原理，結構）？渦扇發(fā)動機加力燃燒室有哪幾種組織燃燒方式？答：區(qū)別：原理上渦輪噴氣發(fā)動機加力燃燒是在燃燒過的高溫氣流中組織燃燒，而渦輪風扇發(fā)動機加力燃燒是在外涵新鮮空氣和流過渦輪的已燃氣的混合氣（也有分開的）中組織燃燒；二者的主要區(qū)別是燃燒組織方式不同，結構上主要是進氣部分不同，前者采用的是單流路的擴壓器，后者采用的是雙流路的混合擴壓器（18）加力比的定義是什么？加力比主要取決于什么？提高加力比受到哪些因素制約？答：加力比是指主機狀態(tài)相同（渦輪前溫度相同）時，開加力后的發(fā)動機推力與不開加力時的推力之比，記為；加力比主要取決于加溫比，正比于加溫比的

14、平方根；加溫比與燃燒前馬赫數(shù)有密切關系，對于加力比很大的渦扇加力，應選用較低的流動馬赫數(shù)，否則即使噴油燃燒加熱，推力也未必會增加或者增加甚微；加溫比還與飛行馬赫數(shù)直接相關，當媽棵樹增加時，加力比迅速增加，尤其是超音速飛行時。（19）常用加力燃燒室有哪些點火方案？答：預燃室點火、熱射流點火、催化點火和高能噴嘴直接點火。（20）加力室V形穩(wěn)定器火焰穩(wěn)定機理是什么？與主燃燒室旋流穩(wěn)定火焰有何異同？答：P300（21）為何加力燃燒室比主燃燒室更易發(fā)生振蕩燃燒？試舉幾種消除振蕩燃燒的措施。答：振蕩燃燒又叫燃燒不穩(wěn)定，是燃燒放熱反應脈動引起的燃燒速度和釋熱率的周期性變化與燃燒室的聲學特性發(fā)生共振而產生的不

15、穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。原因：從能量耗散角度而言，加力燃燒是在加力筒體內進行，在邊界上缺乏聲耗散機制（即缺乏減震機制，與主燃燒室不同），因此加力燃燒室易于發(fā)生振蕩燃燒：存在著激發(fā)振蕩的脈動源，如渦輪葉片旋轉尾跡引起的流動和壓力脈動，氣流流過加力燃燒室內障礙物旋渦周期性脫落引起的壓力脈動當脈動源的壓力脈動頻率和加力燃燒室固有頻率耦合時，產生共振，壓力脈動增加壓力脈動引起加力燃燒室內物理過程的脈動以及化學反應過程的脈動，從而激發(fā)燃燒放熱的脈動當放熱脈動和壓力脈動耦合時，氣流脈動獲得能量，壓力脈動幅度增加，而壓力脈動增加，又使放熱脈動進一步增加隨著壓力脈動幅值增加，壓力脈動機械能的損失也增大，直到激發(fā)振蕩的能

16、量與各種耗散能量相等時，壓力脈動的幅值不再增加，達到飽和（振蕩燃燒）。措施：橫向振蕩燃燒抑制方法：減小壓力驅動能量，增加脈動機械能的耗散縱向振蕩燃燒的抑制方法：幾何尺寸調整，燃燒規(guī)律調整（22）了解沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的穩(wěn)焰機理和優(yōu)點。答：穩(wěn)焰機理：從丘頂向兩側成點源發(fā)散，引起了橫臥于地平面上的旋流效應；整個沙丘成渦管彎曲，中間粗兩頭逐漸變細，兩個月牙之間存在兩個轉涙點，形成牛角狀的拱橋效應；沙丘外形遵循能量耗散最小的自然規(guī)律優(yōu)點：新月形沙丘具有頑強的抗干擾性能，和同樣阻塞比的V形穩(wěn)定期相比，阻力下降75-80%，貧油穩(wěn)定性得到大幅度擴展，點火性能也得到了改善?？牲c燃風速比V形槽高出40%左右，

17、而且燃燒效率也得到提高，在低溫低壓下仍能保持其原有的性能。（23）燃氣輪機燃燒室燃燒的排放物有哪些？ICAO規(guī)定的污染物有哪些？危害？P309答：、冒煙、；ICAO中規(guī)定的污染物有、冒煙、，其中衡量的關鍵指標是；能使人缺氧。（24）與常規(guī)燃燒室相比，低污染燃燒室為什么能作到低污染？答：（隨著汽輪機功率的變化，和具有相似的變化趨勢，而和冒煙的變化趨勢相似，但與前兩者相反）對常規(guī)燃燒室來講，只能采取折中的辦法，即不論燃氣輪機的工作狀態(tài)如何，控制燃氣輪機主燃區(qū)的溫度在1700-1900K內，4種污染物的生成量會保持在一個較低的水平。因此，低污染燃燒的關鍵就是通過燃燒室結構的改進和供油供氣方式的更改，

18、將主燃區(qū)的溫度控制在1700-1900K的窗口內，以降低污染物排放量（25）分級燃燒室的種類及優(yōu)缺點？p325答：周向分級，優(yōu)點是在降低4種污染排放物的同時，也拓寬了貧油熄火邊界，缺點是低功率時，不供油的噴嘴下游的低溫區(qū)凍結了化學反應，降低了燃燒效率，也增加了和的排放量軸向分級（串聯(lián)），優(yōu)點：主燃級點火順利和快速；主燃級進口空氣溫度高，因此即使在當量比時，燃燒效率也較高；具有較好的徑向出口溫度分布、搞的燃燒效率，有利于延長渦輪的壽命；主燃級啟動時無推力滯后；大功率時由于低當量比而降低了排放；在大雨條件下，具有較高的工作穩(wěn)定性。缺點：由于燃燒室軸向分布，導致長度增加；較大的火焰筒表面積需要更多地

19、冷卻空氣；較多的燃油噴嘴桿壁干擾了外環(huán)腔流路；預燃級油路不能用于冷卻主燃級油路徑向分級（并聯(lián)）（26）LPP、LDI、以及RQL的基本原理及優(yōu)缺點？P326答：LPP（貧油預混預蒸發(fā)）工作原理，燃油進入燃燒室前與空氣充分混合并蒸發(fā)完全，進入燃燒室的油氣混合物是一種近似于氣態(tài)燃料分布均勻的狀態(tài)。優(yōu)點：在接近貧油熄火邊界當量比下燃燒，主燃區(qū)溫度低，停留時間短，NOx排放低；缺點：在較高的進口溫度和壓力下容易產生自燃和回火，啟動燃燒不穩(wěn)定。 LDI貧油直接噴射低污染燃燒室RQL富油燃燒-急冷-貧油燃燒低污染燃燒室（27）航空燃氣輪機主燃燒室中的主要霧化方式有哪些？其基本原理是什么？p234答：離心噴

20、嘴：借助燃油的壓力使燃油霧化，燃油切向運動，受離心力，形成空心油膜，在表面力和氣動力作用下失穩(wěn)形成油霧 空氣霧化噴嘴：靠噴嘴的空氣速度剪切油膜p244 甩油盤噴嘴：燃油通過空心的中心軸，靠離心力從甩油盤上打的孔甩出 蒸發(fā)管噴嘴：燃油從噴嘴噴出，部分噴射到蒸發(fā)管的高溫壁面，另一部分與進入蒸發(fā)管的高溫氣流混合后隨空氣流動（28）為什么離心噴嘴中間會存在一個空心渦？這對計算一定離心噴嘴壓力降條件下的噴嘴流量有什么影響？p238答：空心渦：隨著半徑減小，速度增加，離心力增加，將旋流器中的燃料甩向外壁，形成空心渦；隨著速度增加，導致靜壓下降，燃油沸騰溫度下降，中心燃油容易蒸發(fā)，形成空心渦（29） 空氣霧

21、化噴嘴霧化顆粒度的主要影響因素有哪些？（30） 突擴擴壓器的結構和性能有什么特點？（31） 旋流器的主要種類有哪些？旋轉射流產生回流區(qū)的機理是什么？主要類型的旋流器旋流數(shù)推導p254。答：軸向葉片式旋流器，徑向葉片式旋流器。 產生回流區(qū)機理：由可得，氣體微團的離心力靠沿著徑向的壓力梯度來平衡，只要有速度，必定存在外徑壓強大，內徑壓強小，當兩者壓力差達到一定程度時，中心壓力接近真空，從而導致下游氣流（壓力接近環(huán)境壓力）逆流運動填補真空，從而產生回流區(qū)。（32） 現(xiàn)代燃燒室的典型設計點油氣比條件下，為什么要采用主燃孔射流？為什么要采用摻混孔射流？為什么會有流量系數(shù)p263，流量系數(shù)的主要影響因素p264？答：主燃孔射流：聯(lián)合構成并縮短回流區(qū)，強化燃燒過程摻混孔射流：調整徑向溫度分布，減少熱點。流量系數(shù)：因為通過射流孔的流量不僅與