[科普中国]-管式燃烧室

简介

燃烧室是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置，是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备。活塞到达上止点后其顶部与汽缸盖之间的空间，燃料即在此室燃烧。燃气轮机的燃烧室将燃料的化学能转变为热能，将压气机压入的高压空气加热到高温以便到涡轮膨胀做功，燃料为液体燃料（例如汽油）或气体燃料（例如天然气）。在燃烧物理学中有四种守恒方程，即总质量守恒、动量守恒、能量守恒及组分守恒方程2。

管式燃烧室模型管式燃烧室模型如右图，是管式燃烧室的外壳剖视图，燃烧室呈桶状，前端空气入口是通往压气机的出口，高温燃烧气体从后端出口是通往涡轮。燃烧室入口内呈喇叭状，迅速扩大的截面可降低压气机流出气流的速度，以利于燃烧，燃烧室这前一段称为扩压器2。

在燃烧室前端装有燃料喷嘴，喷嘴喷出的燃料与进入的空气在燃烧室内燃烧，产生高温高压燃气从出口喷出，燃烧室内燃烧温度高达2000多度，压力在20至30多个大气压，燃烧室外壳在这样高温下很难承受这样的高压。为了降低燃烧室壁的温度，在燃烧室内设火焰筒，火焰筒采用耐高温材料制成，空气气流通过火焰筒前方入口与筒身的进气孔进入火焰筒内，燃料与空气混合后在火焰筒内燃烧，由于气流是从火焰筒外流向火焰筒内，在火焰筒外是没有火焰的，使燃烧室壁不会受到火焰的烧烤，温度较低保证强度。而火焰筒只承受高温，不承受压力。

管式燃烧室的组成火焰筒火焰筒前方是主燃区，中部是补燃区，后部是过渡段（燃气导管）。图4是燃烧室气流走向示意图，白色箭头线表示气流在燃烧室的走向3。

虽然火焰筒采用耐高温材料制成，也难承受高温的烧烤，为了降低火焰筒的温度，利用空气进入火焰筒时对其冷却。通过进气孔进入火焰筒的空气能对火焰筒壁起到一定的冷却作用，但还不够，还要一些措施来降低火焰筒壁的温度，下面介绍一种在航空发动机中常用的方法——小孔气膜冷却法。

这种火焰筒的圆周开有很多小孔，气流沿壁进孔并沿内壁走过一段距离，可有效降低这一段的温度，由于一圈小孔仅降低一段的温度，所以采用多段的结构，图中的火焰筒有三段（含燃气导管）。图6中的浅蓝色箭头线表示小孔冷却气流的走向。

为了看清结构与气流走向，该火焰筒仅绘有3段，实际上许多火焰筒有更多段；除了小孔气膜冷却法外还有多种方法，原理大同小异。

点火装置在火焰筒入口有涡流器与燃料喷嘴，在火焰筒前端还有点火装置。

涡流器也称空气扰流器，目前多数涡流器是由多个偏转的叶片组成的叶片式涡流器，气流通过时产生旋转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合气。

除了叶片式涡流器还有喇叭形涡流器采用非流线体来产生涡流。

喷油嘴燃烧室多采用离心式喷油嘴，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，形成新鲜混合气。

目前气动雾化喷嘴（气动喷嘴）在新型燃烧室中得到广泛应用，优点是燃油离开喷嘴时已经较好的雾化，在火焰筒头部形成均匀的油雾，燃烧效果好。

点火装置采用高压火花塞打火，点燃燃料和空气的混合气体。

管式燃烧室的工作过程气流扩压减速4，

喷油雾化，

点火，

形成燃烧回流区，

.燃烧，

掺混冷却

管式燃烧器的气流走向在来自压气机的高压空气从燃烧室入口进入，扩压减速后分两路进入火焰筒，一路从涡流器进入火焰筒与燃料混合后燃烧；另一部分空气流经火焰筒外壁从进气孔与冷却小孔进入火焰筒与剩余燃料燃烧，这部分气流对燃烧室外壳与火焰筒壁起到冷却作用，同时降低到涡轮的气流温度。

管式燃烧室工作条件①燃烧室在高温、大负荷下工作5

②燃烧室在变工况下工作

③燃烧室在具有腐蚀性的环境下工作

④燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过程

⑤燃烧室中的燃烧在高速气流及贫油混合气情况下进行 （“空气分股”、“减速扩压”、“反向回流”）。

管式燃烧室的影响燃气轮机运行时，燃烧室在宽广的工况范围内工作。在燃气轮机工作情况的过程中，燃烧室进口的空气流量、温度、压力、速度以及燃油消耗量都会发生变化，这些变化反过来又会影响整台燃气轮机的性能。所以，弄清燃烧室的变工情况特性，对整台燃气轮机的变工况运行有积极地意义4。

扩散燃烧：燃料与助燃剂边混合边燃烧的过程，燃烧快慢由扩散快慢决定。

动力燃烧：燃料与助燃剂先混合后然后燃烧的过程。燃烧快慢由可燃混合物的化学动力学因素决定。

差异：动力燃烧——燃烧之前混合均匀

扩散燃烧——燃烧之前不混合

四种类型燃烧室与管式燃烧室的关系目前燃气轮机的燃烧室主要有四种类型：圆筒形燃烧室、分管形燃烧室、环管形燃烧室、环形燃烧室，圆筒形燃烧室就是单个大号的管式燃烧室，较少应用3。右图是分管形燃烧室、环管形燃烧室、环形燃烧室的截面图（垂直于燃气轮机轴线的截面）示意图。

由若干个管式燃烧室环绕燃气轮机主轴排列组成一个整体的燃烧室称为分管形燃烧室；由若干个管式火焰筒绕燃气轮机主轴排列在一个环形燃烧室内称为环管燃烧室；在环形燃烧室内有一个环形火焰筒称为环形燃烧室。