|
燃燒室基礎(chǔ)知識 |
Combustion Chamber Fundamentals |
燃氣輪機的燃燒室將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢簹鈾C壓入的高壓空氣加熱到高溫以便到渦輪膨脹做功,燃料為液體燃料(例如汽油)或氣體燃料(例如天然氣)。
本節(jié)用一個管式燃燒室模型來介紹燃燒室的基本原理與結(jié)構(gòu),圖1是管式燃燒室的外殼剖視圖,燃燒室呈桶狀,前端空氣入口是通往壓氣機的出口,高溫燃燒氣體從后端出口是通往渦輪。燃燒室入口內(nèi)呈喇叭狀,迅速擴大的截面可降低壓氣機流出氣流的速度,以利于燃燒,燃燒室這前一段稱為擴壓器。 |

圖1--燃燒室外殼剖視圖
|
在燃燒室前端裝有燃料噴嘴,噴嘴噴出的燃料與進入的空氣在燃燒室內(nèi)燃燒,產(chǎn)生高溫高壓燃氣從出口噴出,見圖2。 |

圖2--燃燒室原理示意圖
|
燃燒室內(nèi)燃燒溫度高達2000多度,壓力在20至30多個大氣壓,燃燒室外殼在這樣高溫下很難承受這樣的高壓。為了降低燃燒室壁的溫度,在燃燒室內(nèi)設(shè)火焰筒,火焰筒采用耐高溫材料制成,空氣氣流通過火焰筒前方入口與筒身的進氣孔進入火焰筒內(nèi),燃料與空氣混合后在火焰筒內(nèi)燃燒,由于氣流是從火焰筒外流向火焰筒內(nèi),在火焰筒外是沒有火焰的,使燃燒室壁不會受到火焰的燒烤,溫度較低保證強度。而火焰筒只承受高溫,不承受壓力,圖3是在燃燒室外殼內(nèi)的火焰筒示意圖。 |

圖3--燃燒室火焰筒示意圖 |
火焰筒前方是主燃區(qū),中部是補燃區(qū),后部是過渡段(燃氣導(dǎo)管)。圖4是燃燒室氣流走向示意圖,白色箭頭線表示氣流在燃燒室的走向。 |

圖4--火焰筒氣流走向示意圖
|
雖然火焰筒采用耐高溫材料制成,也難承受高溫的燒烤,為了降低火焰筒的溫度,利用空氣進入火焰筒時對其冷卻。通過進氣孔進入火焰筒的空氣能對火焰筒壁起到一定的冷卻作用,但還不夠,還要一些措施來降低火焰筒壁的溫度,下面介紹一種在航空發(fā)動機中常用的方法——小孔氣膜冷卻法,圖5是這種火焰筒的結(jié)構(gòu)示意圖。 |

圖5--采用小孔氣膜冷卻的火焰筒
|
這種火焰筒的圓周開有很多小孔,氣流沿壁進孔并沿內(nèi)壁走過一段距離,可有效降低這一段的溫度,由于一圈小孔僅降低一段的溫度,所以采用多段的結(jié)構(gòu),圖中的火焰筒有三段(含燃氣導(dǎo)管)。圖6中的淺藍色箭頭線表示小孔冷卻氣流的走向。 |

圖6--小孔氣膜冷卻氣流走向示意
|
為了看清結(jié)構(gòu)與氣流走向,該火焰筒僅繪有3段,實際上許多火焰筒有更多段;圖中也夸大了火焰筒中兩段相套部分的徑向間隙,實際火焰筒段間相套部分的徑向間隙是很小的,小孔也是很小的,也很多。
除了小孔氣膜冷卻法外還有多種方法,原理大同小異,其結(jié)構(gòu)請另找參考資料。
圖7是裝有小孔氣膜冷卻法火焰筒的管式燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖,在火焰筒入口有渦流器與燃料噴嘴,在火焰筒前端還有點火裝置。 |

圖7--管式燃燒室結(jié)構(gòu)圖? ?
|
燃料從噴嘴噴向火焰筒內(nèi),在噴嘴外圍有葉片式渦流器,圖5是從兩個角度看到的燃料噴嘴與渦流器。 |

圖8--燃料噴嘴與渦流器?
|
渦流器也稱空氣擾流器,目前多數(shù)渦流器是由多個偏轉(zhuǎn)的葉片組成的葉片式渦流器,氣流通過時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)在火焰筒頭部內(nèi)形成旋渦,旋渦中心為低壓區(qū),使一部分已經(jīng)燃燒的高溫燃氣倒流回來形成回流區(qū),不斷的點燃由燃油霧滴蒸發(fā)形成的新鮮混合氣。
除了葉片式渦流器還有喇叭形渦流器采用非流線體來產(chǎn)生渦流。
燃燒室多采用離心式噴油嘴,在高壓作用下燃油經(jīng)噴油嘴高速旋轉(zhuǎn)噴出,與噴咀外空氣相撞擊形成極細小的霧化油滴,并很快蒸發(fā)與空氣混合,形成新鮮混合氣。
目前氣動霧化噴嘴(氣動噴嘴)在新型燃燒室中得到廣泛應(yīng)用,優(yōu)點是燃油離開噴嘴時已經(jīng)較好的霧化,在火焰筒頭部形成均勻的油霧,燃燒效果好。
點火裝置采用高壓火花塞打火,點燃燃料和空氣的混合氣體。
圖9是燃燒器氣流走向圖,在燃燒室內(nèi)的白色箭頭線就是氣流在燃燒室的流向。來自壓氣機的高壓空氣從燃燒室入口進入,擴壓減速后分兩路進入火焰筒,一路從渦流器進入火焰筒與燃料混合后燃燒;另一部分空氣流經(jīng)火焰筒外壁從進氣孔與冷卻小孔進入火焰筒與剩余燃料燃燒,這部分氣流對燃燒室外殼與火焰筒壁起到冷卻作用,同時降低到渦輪的氣流溫度。 |

圖9--燃燒器氣流走向圖
|
目前燃氣輪機的燃燒室主要有四種類型:圓筒形燃燒室、分管形燃燒室、環(huán)管形燃燒室、環(huán)形燃燒室,圓筒形燃燒室就是單個大號的管式燃燒室,較少應(yīng)用。圖7是分管形燃燒室、環(huán)管形燃燒室、環(huán)形燃燒室的截面圖(垂直于燃氣輪機軸線的截面)示意圖。 |

圖10--燃燒器主要類型截面示意圖
|
由若干個管式燃燒室環(huán)繞燃氣輪機主軸排列組成一個整體的燃燒室稱為分管形燃燒室;由若干個管式火焰筒繞燃氣輪機主軸排列在一個環(huán)形燃燒室內(nèi)稱為環(huán)管燃燒室;在環(huán)形燃燒室內(nèi)有一個環(huán)形火焰筒稱為環(huán)形燃燒室。在后面章節(jié)里將分別介紹這三種燃燒室的基本結(jié)構(gòu)。 |
|