PW4000发动机的燃烧室结构原理和故障分析.doc

上海交通职业技术学院毕业设计(论文 第15页

上海交通职业技术学院
毕业论文

普惠4000发动机的燃烧室结构原理和故障分析

姓 名： 管阅聪
专 业： 航空机务
学 号： 08号
完成日期： 2010.3
指导教师: 罗玉梅
15

摘 要

近年来，全球主要民航发动机产业进入了一个超现代阶段。全球主要产民航发动机的公司分别有通用，波音，普惠等等。他们是目前所有民航飞机所用发动机的这主要产商。那么此次论文所要讨论的就是普惠公司所产的PW4000型发动机。对其结构进行分析，包括各部件的工作原理。
本文将从对其的燃烧室的结构基本工作原理和性能特点来分析，对这些资料的了解和分析可以帮助我们在今后的维护工作中良好的解决问题。最后我将详细写出我对其故障分析和解决方案。

关键字：PW4000发动机,工作原理，故障分析

ABSTRACT

In recent years, the world's major aviation engine industry has entered a ultra-modern stage. Producing the world's major aviation companies were engines of General Motors, Boeing, Pratt & Whitney and so forth. They are currently used for all civil aircraft engines, mainly manufacturers. So this paper is to be discussed by the middle of Pratt & Whitney PW4000 engines. Analysis of its structure, including the various components of the work.
This article from the combustion chamber of the structure of its basic working principle and performance characteristics to analyze, on the understanding and analysis of these data can help us in the future maintenance of good problem-solving. Finally, I will write my detailed analysis of its failures and solutions. .

Keywords: PW4000 engine, working principle，Failure Analysis.

目 录

摘要 2

ABSTRACT 3

绪论 5

第一章 发动机燃烧室的组件及燃烧方法 6

1.1 PW4OOO发动机的组件 6

1.1.1燃烧室的机匣 6

1.1.2燃烧室的扩压器 6

1.1.3燃烧室的燃油喷咀 6

1.1.4燃烧室的火箭筒 7

1.1.5燃烧室的点火器 7

1.2 PW4000发动机的燃烧室的稳定燃烧的方法· 8

1.2.1降低燃烧室内部区域气流速度 8

1.2.2提高火焰传播速度 9

1.2.3稳定点火源 9

第二章 燃烧室的常见故障及预防措施 10

2.1燃烧室的局部过热及预防措施 10

2.2燃烧室熄火的原因与措施 11

结论 13
致谢 14
参考文献 15

绪 论
普惠4000型发动机是美国普惠公司生产的推理为213.5~373.1daN、流量比为4.8~6.4的涡扇发动机.于1987年投入使用。目前广泛应用于大型的民用航空客机上，可以为B747 400, A310, A300, B767, B777 及MD-11等机型提供动力。它是目前比较强力的涡轮风扇发动机。
发动机的主要部件有进气道、排气系统、压气机、燃烧室、燃气涡轮组成。那么燃烧室可谓是发动机的核心部件，整台发动的工作原理少不了燃烧室的工作效率。
燃烧室位于压气机和涡轮之间，是燃气涡轮发动机的主要部件，燃烧室的主要任务是将燃油喷聚出的大量燃油和来自压气机的大量空气混合并进行燃烧，释放能量，气体温度升高，燃气膨胀的加速，在发动机的所有工作状态下，高温高压的燃气流过涡轮和喷管时，对涡轮做功并使得燃气加速，从而使得涡轮带动压气机高速转动，并使发动机产生推力。
那么只有了解燃烧室的工作的原理和故障，才能使得我们这些未来的机务人员对与发动机燃烧室的维修做的更好。希望这次讨论能给我们带来很大帮助。

第一章 发动机燃烧室的组件及燃烧方法
1.1发动机燃烧室的组件
1.1.1 机匣
燃烧室的机匣用来构成2股气流的通道
在环型燃烧室中，燃烧室机匣是由内、外机匣组成，内、外机匣直径很大，厚度很薄，又都是需要承受负荷，是发动机的主要受力结构，因此，内、外机匣必须具有足够的强度和刚度。这里牵扯到强度和刚度的概念：
强度：材料或结构在不同的环境条件下承受外载荷的能力
刚度：作用在弹性元件上的力或力矩的增量与相应的位移或角位移的增量之比。

1.1.2扩压器
扩压器的功用是降低来自压气机的气流速度，使得进入火箭筒的气流能够燃烧得稳定、完全，同时把气流分为通过火箭筒头部的一股气流和二股气流。扩压器构造合理对改善燃烧条件，改善燃烧室性能，减小燃烧室尺寸和减轻重量具有重要意义。下图的是PW4000的扩压器在燃烧室的位置

图1 扩压器的位置
1.1.3燃油喷咀
PW4000的燃油喷咀是气动喷咀。气动喷咀的构造如图2所示：
图2 气动喷咀
气动喷咀喷出的是油气混合气，由喷咀喷出来的燃油量是已雾化的。
气动喷咀的优点是油气混合得比较均匀，避免了富油，减少了冒烟和积炭，不要求很高的供油压力，而且在较宽的工作范围内，喷雾锥角大致保持不变，所以容易使得燃烧室出口温度分布比较均匀，稳定，气动喷咀的缺点：在起动时，气流速度较低，压力较小，雾化不良，由此时油气不能充分掺混，而使得燃烧室稳定工作范围变窄。

1.1.4 火焰筒
火焰筒是燃烧室的主要组成，它由旋流器和火焰筒筒体等部分组成。
旋流器的功用是形成火焰筒头部的回流区，以保证火焰筒前端的燃烧区内混合气，稳定和完全燃烧。
火焰筒筒体的结构应保证合理地进气，在前部使进入火焰筒的空气与喷咀喷出的燃油混合并形成回流区，及点燃混合气，使混合气稳定和完全燃烧：在后部有掺混孔，流入二股气流，使燃气温度降低。由于筒体既要承受混合气燃烧产生的高温，又要接受由于掺混孔进去的冷空气，因此受热不均匀，易出现裂痕，掉块，烧穿，烧损等故障，这影响发动机的工作和寿命，为了改善筒体受热不均匀的情况，在筒壁上孔稀少且孔径大的部位或在大孔之间开若干个小孔。
PW4000的火焰筒掺混孔的散步比较均匀，尤其是在温度变化比较剧烈的地方，为了防止其烧坏，其孔径都保持在中孔径左右。
1.1.5点火器
点火器是发动机在地面气动或高空再起动时用来点火的装置，PW4000发动机上装有2个点火器
发动机的点火器可分为间接点火和直接点火。间接点火是先点燃气动喷咀的燃油，形成小股火焰，然后用小股火焰去点燃工作喷咀的燃油，它的点火能量大，高空再点火焰比较容易实现，但结构复杂重量较大。
那么另一种是直接点火器，它是用电咀直接点燃火箭筒头部的混合气，随着高能电咀的发展，使电咀能在低压下，放点量大大增加，因此，直接点火器已经得到广泛的应用。PW4000发动机多数型号都是采用这种点火方式。为了避免发动机在环境影响中空中熄火。并且利用其环绕型燃烧室的特点充分燃烧混合气体，提供稳定燃烧。
1.2燃烧室的稳定燃烧
从燃烧室的工作特点可知，在组织燃烧的过程中必须解决稳定燃烧和涡轮等燃气部件工作安全问题，即在保证工作安全的前提下，实现稳定燃烧。为了保证稳定燃烧，混合气余系数接近于1，使火焰传播速度最大，但是在燃烧室内使用这种混合进行燃烧，燃烧室出口燃气温度将超过2200K左右，大大超过最高允许值，就会烧坏涡轮叶片，为了保证涡轮叶片不被烧坏，混合室混合气的余系数应喂3.8~4.5，然而在燃烧室内，这样大的余气系数的混合气，又不能稳定燃烧。。可见保证稳定燃烧和保证发动机安全存在着尖锐的矛盾。
那么普惠4000型发动机是这样改善矛盾，并且实现较稳定燃烧：

1.2.1降低燃烧室内局部区域气流速度
为了降低气流速度，PW4000在扩压器和旋流器的应用和锥形火焰稳定器的追加：
1．扩压器：讲燃烧室进口的气流通道做成扩散形，使进入燃烧室的气流速度降低，但是受到发动机横截面积尺寸不能过大或扩散段不能过长的限制，利用扩散降速的方法，只能使气流从燃烧室进口处的120米/秒左右的速度降低到40米/秒左右的速度，这个速度比火焰传播速度大的多，所以需要采用旋流器或火焰稳定器降低气流速度。

2．旋流器：旋流器是由若干旋流片按一定角度斜向排列而成的，它安装在火箭筒的前部，当空气流过旋流器后，由轴向运动变成旋转运动，气流被惯性离心力甩向四周，使燃烧区中心部分空气稀薄，形成低压区。于是，火箭筒后部一部分高温燃气，便向火焰筒中心的低压区倒流回来，形成回流，在燃烧区中，有回流的区域叫做回流区，也叫主流区。

3．锥形火焰稳定器：这是一个特色结构,是一个空心椎体（如图4）。空气经过锥体流向四周，同时借粘性作用，不断地把锥体后面的气体带走，使锥体后面气体的压力减少，于是，火焰筒后部的
图（4）锥形火焰稳定器
高温燃气便想锥体后面倒流回来，形成回流，从而达到降低气流速度的目的。

1.2.2提高火焰传播速度
1．气流分股：在燃烧室内装有火焰筒，并把整个火焰筒划分为燃烧和掺混两个区域，空气分两股进入火焰筒
第一股气流由头部和前段筒壁上的气孔进入火焰筒，和喷入燃烧室中的燃油混合成余气系数接近于1的混合气，以获得尽可能大的火焰传播速度。第二股气流通过火焰筒后段筒壁上直的气孔进入冷却区，与炽热的燃气掺合，一方面使燃气温度降低，以保证涡轮安全工作。另一方面还可以使得尚未完全燃烧的混合气体进行补充燃烧。
2. 促使燃料迅速汽化：燃烧在燃烧室中与空气混合形成混合气，混合过程中大致可以分为两个阶段
第一阶段，燃油被撕扯成大量的油珠，称为燃油的雾化
第二阶段，油珠吸取周围热量而蒸发，变成蒸汽，称为燃油汽化
燃油气化后与空气混合形成混合气，燃油气化后与空气混合形成混合气，燃油气化越快，则火焰传播速度越大，而燃油气化的快慢，主要取决于雾化质量和燃油周围温度。
PW4000通过长口径燃油喷咀来实现对燃油高度雾化的过程。并且通过旋流器、锥形火焰稳定器的回流作用来赠高燃气温度，使之气化迅速。
1.2.3 稳定点火源
由于PW4000采用的是直接点火器的方式，其稳定性交高。在燃烧区前段主流区靠近回流区域就会出现一个火焰传播速度正好等于气流速度的地区，这个区域就是稳定点火源。
但是稳定点火源的位置是会发生改变的。当发动机的工作情况改变时，燃烧室内气流速度和混合气、余气系数都会发生变化。如果余气系数变化大，使得火焰传播速度都小于气流速度，那么再也找不到形成点火源的区域，燃烧室就要熄火，可见点火源的存在是稳定燃烧的前提，而能够维护稳定燃烧的贫、富油极限间的范围，叫做稳定燃烧范围。

结论·燃烧室的稳定工作离不开每个部件的各自功能和组合功能，对于混合燃气的燃烧过程也是相当紧密的。其中关键点在于：余气系数，火焰传播速度，以及燃烧室的横截面积。
第二章 燃烧室的常见故障级预防措施

2.2燃烧室的局部过热及预防措施

燃烧室出现局部过热的原因：

1.燃料浓度分布发生变化
1） 喷射角过大。每一种燃烧室喷咀的喷射角，都有规定的数值，如果过大，就会引起火焰筒前段产生过热现象。而喷射角的变化，是由于喷孔或切向孔直径的变化引起的。如果燃料中含有杂质或发生锈蚀，积炭等现象，都会导致碰孔或切向孔直径发生变化
2） 燃油锥体偏斜。在正常情况下燃油锥体的中心线应该和燃烧室的中心线始终保持在规定的范围内，如果燃油锥体过度偏斜，会导致火焰筒受热不均匀。温度相当悬殊，内部产生较大的热应力。而燃油锥体的偏斜，一般是由于喷咀安装倾斜了或喷咀内部零件装配得不符合要求所致

3） 燃油雾化不良。喷咀在使用过程中，如果内部表面发生损伤或生锈，就会造成燃料雾化不良，严重时，甚至会出现由于颗粒较大的、比较密集的油珠构成的油柱，在油柱附近，燃气温度显著升高，如果油柱直接喷到筒壁上燃烧，则局部过热现象会更加严重
2.空气的正常流动遭到破坏
1）火箭筒变形.(例如，火箭筒的进口变形，使得进口面积变小，进入火焰筒燃烧区的空气量减少，使得混合气的余气系数减小了，可能引起火焰筒前段局部过热。

2）燃烧室的安装不正确。一旦火焰筒的安装发生偏斜，难么会使得火焰筒和外圈间隙的不均匀，从而发生空去流入量的或大或小。关键在间隙小的区域，由于间隙小，空气流入量也相对小，造成火焰筒散热不均匀，发生局部的过热现象。此外，气体在发动机其它机件内流动发生变化，也会破坏空气的正常流动，引起燃烧室局部过热。
3.喷油量过大。
这是PW4000型发动机燃烧室最频繁发生的问题。在使用中，如果推油门过猛：在维护过程中，装错了喷油量不同的喷咀，都会引起喷油量过多，从而导致燃烧室局部过热。如果喷咀有故障，也可能造成喷咀油量过多，而导致燃烧室局部过热。

那么下面将介绍预防局部过热的措施：
通过上面的讨论和分析，发现到多数燃烧室局部过热的原因都在火焰筒和喷咀的两个部件上导致的。因此，只要我们在维修过程中，使用符合技术规范的喷咀，加强对喷咀的维护，使喷咀不受到损伤和生锈;正确拆装燃烧室，使燃烧室各部分的间隙保持正常，在使用中，按规定操纵发动机，不使燃烧室喷油量突然增大，这样就能避免燃烧室的火焰筒损坏，导致局部过热现象的发生。
2.3燃烧室熄火以及预防措施
在飞行过程中，发动机燃烧室熄火会导致严重性的航空事故。因此在哲理必须要弄清楚燃烧室熄火的一些关键因素。
1.熄火的现象以及根本原因
在飞行过程中，当燃烧室熄火时，将出现下列现象：飞机发生抖动，飞机发出不正常的声音，转速和排气温度突然下降，油门操纵失控，飞机失去推力，飞行速度不断减小。
2.影响稳定燃烧范围的因素
1. 燃烧室进口气流速度：当燃烧室进口速度增大时，稳定燃烧范围减少。此时燃烧室无法维持稳定的燃烧，导致熄火。当燃烧室进口速度减小是，虽然在一定范围内能稳定燃烧，但是如果使用贫油混合气是，空气流动速度减小，会使得喷咀所喷出的燃油的雾化质量变差，导致火焰传播速度变小，便不能形成稳定的点火源。那么也会熄火
2. 混合气的初温、初压：在燃烧进口气流速度保持不变的情况下，混合气的初温、初压升高时，火焰传播速度增大，混合气稍富油或贫油些，都不会直接影响稳定的点火源产生。但是混合气初压低于一个大气压时，初压下降，稳定燃烧范围将打打缩小，从而导致熄火
3.怎么防止空中熄火
1. 飞行人员应按照规定使用飞机和发动机，操作动作柔和。防止高空猛抽油，大速度下滑造成发动机熄火停车；防止在高空小速度飞行时，操纵飞机的动作粗猛而造成发动机熄火停车。
2. 防止发动机进入喘振状态。防止低空大速度飞行，由于收油门引起发动机喘振而导致熄火停车：机务人员在每次的维护过程中要加强对放气机构的检查，使其经常处于良好状态。
3. 飞行时防止飞机进入其它飞机的尾流。因为进口温度突然升高，会使空气流量突然间小，可能使得发动机进入喘振状态，同时。由于废气内氧气很少，在瞬间供油量不变的情况下，燃烧室余气系数将超出稳定燃烧范围的富油极限，这样都会造成发动机熄火停车
4.保证燃油雾化良好：发动机在高空作业时供油量很少，喷咀前油压很低，喷咀工作量对稳定燃烧范围的影响很大，如果喷孔划伤，锈蚀或积炭而造成喷油雾化不良，就会使高空稳定燃烧的范围过小而引起熄火停车。
从以上叙述中我们要了解到，我们要按照规定使用和维护发动机，燃烧室熄火的现象是完全可以避免的，如果万一由于操作不慎，而造成高空熄火停车，则应立即按照正确的方法与步骤进行空中气动。
作为机务人员要严格按照《维护使用手册》的程序对发动机进行维护，只有持有对应维修执照的人员才能对其进行维护和放行。
总 结
在这个以航空交通普及化的时代，对于飞机部件的维护和使用是任何一个从事航空事业的人员必须掌握的，发动机的发展历程也是日异月新。PW4000作为目前大量飞机的民用发动机，它的功绩和性能是卓越的。
本文针对PW4000发动机的燃烧室作一定的了解和认识。当然对于发动机而言，它的进气和排气系统、压气机、燃气涡轮等部件也是至关重要的。目前多数的涡轮风扇发动机都是采用类似结构。
目前国内的航空领域已达到新的一个阶段，那么对于航空事业的安全问题和技术规范问题是人们最关心的。为了能够保证航空事业的稳定持续发展，机务人员所要做到的事情非长多。在不停的维护工作中，要保持最觉醒状态，避免产生厌恶，匮乏等消极表现，这样会直接影响到维护工作的正常进行。对于格格部件的维护手册和相关须知必须了如指掌。
本文讨论的燃烧室虽然只是发动机的一个部件，但是其文章的理念就是告诉自己，对部件的了解熟习和相关数据进行分析，才能很好的找到其维护的方法。从不同的角度来对部件的养护和使用做出决策。
相信今后每当想起本论文，我都会在自己的航空事业中，不断激励自己，给自己信心，创造美好的工作事业。
致 谢
经过一番努力，我的毕业论文已经圆满的完成。其中包含着诸多的努力和师生们的帮助。心理的喜悦让我让我有了知足。在此我要感谢很多人，首先要感谢的是我们的辅导老师王蓉蓉和王月英，在她们的指导下，我能努力的学习，以至于在学论文的时候，感到一定的从容和镇定。接下来要感谢我的论文辅导老师，罗玉梅老师，经过罗老师的指导和帮助下，我的论文经过了第二轮的重编，原来的那份论文是比较粗略的，并且有些偏题。虽然这篇文章写的时间没有上次的长但是，能过把握住主题与核心，我很高兴。
回顾这三年的大学学习生活，我脑海里有数不尽的事。他们都是真真切切的。同班学友们的真挚友情，指导老师的无限热情，我发现我已经很难离开这么个集体。上海交通职业技术学院，你给了我知识，你给了我快乐，你给了我成长，你给了我人生的目标。同时我还要感谢我的家人给予我努力和支持，没有你们就没有我的今天。
在这转眼之际，我将踏入社会，我怀念从前的美好事物，也对未来充满希望。希望我能够在未来成就属于自己的事业。谢谢
参考文献
1. 《航空发动机学》, 上海交通职业技术学院主编.

2. 机务在线:

3. PPT《PW4000发动机燃烧室讲座》 作者 罗舒：

4. PPT《现代民用航空发动机结构说明-经典发动机结构》 作者 张辉：

5. 百度百科: