浅析航空燃烧室及其发展趋势

周蕊燕　贾译钧

摘 要：燃烧室作为航空发动机的关键部件之一，其位于压气机和涡轮之间，作用是将燃料的化学能经过燃烧而把热量释放出来，产生的热量用来做功而转化为发动机的推力。因此，发动机的可靠性、经济性和寿命在很大程度上取决于燃烧室的可靠性和燃烧有效程度，本文主要系统讲述了燃烧室的分类、性能参数以及发展方向，进一步推动航空发动机的研究。

关键词：航空发动机；燃烧室；性能指标；低污染燃烧

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.201

1 燃烧室分类

1.1 单/分管燃烧室

单/分管燃烧室是由多个在内、外壳之间的单管燃烧室组成的，其之间的关系是，每个都有着各自的火焰筒和外套，在火焰筒之前会有些旋流器、喷油嘴以及点火装置，联焰管之间都会相互连接，有着火焰的传播与均匀作用。常常见于早期的涡轮喷气发动机。其优点包括：进行试验和检修的时候相对比较容易些，不需要很庞大的设备；而且维护、检查与更换时候会相对比较方便快捷，只需要拆除部分发动机；在总体结构的安排上面，与离心压气机的配合比较默契。但是也此类型的燃烧室也会有些缺陷：由于环形截面积的使用效率极低，而导致燃烧室内部的气流平均速度比较大，此现象对燃烧不利，同时也会产生许多总压损失；气动性能也很差，是因为依靠高空的传焰管来传递火焰；火焰筒壁面气膜冷却所需要的空气量比较多；出口温度场分布不均匀等。

1.2 环/联管燃烧室

此燃烧室多用在轴流式对应压气机的发动机上面，是由很多个单独的火焰筒沿着周向均匀布置，并且排列在内外壳间的环形腔内部，相邻之间也是采用联焰管连接。与单管燃烧室相同的是有独自使用的火焰筒，不用的是只在两个火焰筒上面装有点火装置。其优点有：其长度小而且质量轻，与压气机流场的匹配很容易，并且压力损失小，外壳体间可互相传递扭矩，因此可以提高发动机的整体刚性，进而有利于是重量减轻。它的缺点包括：出口截面的温度分布不容易维持，其燃油流动与空气的流型很难进行配合，而且在探究过程中，需要很大的气源，与整机流量相一致，费用不低等。

1.3 环形燃烧室

此燃烧室由四个同心的圆筒构成，而且在火焰筒的端部装有一圈燃油喷嘴和火焰稳定装置。这样会与压气机出口和涡轮进口的环形气流通道可以有很好的气动配合，可以减少流动损失，缩短燃烧室头部的扩压段。在轴流式压气机的发动机中比较常见。结构特点是，在燃烧室内外壳之间还可以构成环形燃烧区与掺混区。按照燃烧室内部气体的流动状况，可以分为直流环形、回流环形与折流环形燃烧室三种。它的优点是：结构最为紧凑，性能较好，近年来使用率高；可以获得较均匀的出口温度场；空间的使用率非常高，壳体间有利于扭矩与力的传递，还可以减轻重量。缺点包含有：燃油分布与环形的进气不容易配合。而且调试比较费劲，要有大型的气源装备，也不容易维护与拆装。

2 燃烧室的主要性能指标

由于燃烧室是发动机中重要的一部分，因此为了适应发动机的要求，燃烧室必须要满足一定的性能指标参数，有两种方法来评价。一种是燃烧室的设计水平，另一种是其工作状态是否正常。然而对于不同类的发动机，要求的侧重点是不一样的[1]。

一般来说，发动机燃烧室的性能衡量指标有：燃烧室的燃烧效率、启动点火状态、高空再点火状态，工作稳定的范围，出口温度的分布，污染物的排放量，燃烧室的寿命等。

3 燃烧室的发展状态及趋势

为了得到环保性的适航要求，现在航空领域的主要发展目标是降低污染物的排放，尤其是氮氧化物的排放。现在研制的低污染燃烧技术包括：LPP（贫油预混预蒸发）燃烧方式、RQL（富油-快速-贫油）燃烧方式、LDI（贫油直接喷射）燃烧方式、MP-LDI（多点喷射贫油直喷）燃烧方式以及双环腔燃烧（DAC）技术等大量低排放燃烧技术等[2]。然而，我国在高效低排放燃烧技术方面的研究才刚刚起步，与国外先进水平相比差距还很大。与此同时，国际上主要的发动机公司都申请了大量的专利，对其研制的低排放燃烧技术和产品进行全方位的保护和严格的保密。鉴于此，我国目前只有靠现有的能力，发展完全属于自己的高效低排放燃烧技术，可以在大力借鉴国外先进技术的基础上，不断发展具有自主知识产权的高效低排放燃烧技术，实现低排放燃烧技术的跨越式发展。

LPP燃烧室较短，具有极高的燃烧效率，并且NOx和碳烟的排放极低，但其燃烧稳定性不好，存在回火、自燃等不稳定因素；RQL燃烧室燃烧效率高，低NOx排放，贫油熄火边界宽，燃烧稳定，没有回火和自燃现象。与LPP燃烧室相比较，RQL燃烧室稳定性和安全性较高，而且它可以适应各种不同组分的燃油， 但其碳烟排放很高，燃烧区长。贫油直接喷射LDI（ lean direct injector） 燃烧室，它是贫油预混预蒸发模型（LPP）的一种变形，则燃烧区较短。不同的是，LDI燃烧室中燃油是直接射入燃烧区，因此没有LPP模型与生俱来的自燃和回火隐患。而多点贫油直喷（MP-LDI）燃烧室的模型，即在燃烧室头部采用多个旋流器和喷嘴实现分级分区供油，这种燃烧室能在不同工况下实现分级控制燃油量，从而有利于扩大稳定工况范围，燃烧充分，缩短燃烧室长度；便于控制燃烧室中的温度分布并降低NOx的排放，提高燃烧室性能。由于其众多的优越性，使得 MP-LDI燃烧室成为发动机燃烧技术发展的一个重要方向。

参考文献：

[1]周贺，张志轩.燃烧与燃烧室[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009（09）：237-238.

[2]刘大响，金捷等.大型飞机的发展现状和关键技术分析[J].航空动力学报，2008，23（06）：976-980.

作者简介： 周蕊燕（1989-），女，山西运城人，硕士，研究方向：航空发动机燃烧设计与分析技术。