燃烧室工作过程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3,燃烧室的工作过程,燃烧室的工作过程由以下几部分组成：,1,、气流流动过程的组织,2,、燃料浓度场的组织,3,、燃烧区中可燃混合物的形成、着火与燃烧,4,、混合区中二次掺冷空气与高温燃气掺混过程组织,5,、火焰管壁冷却过程组织,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,高过量空气系数给燃烧室工作带来的困难：,1,、燃烧区温度低，燃烧不完全，燃烧效率低；,2,、气流流动速度高，燃烧火焰容易吹熄,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,解决方法：,1,、加装扩压器，减小气流流速，进而减小压降损失。,2,、采用气流“分流”的办法提高燃烧区温度；,3,、采用火焰稳定器，为稳定火焰创造条件。,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,一次空气供气方案：,1,、将一次空气全部由装在火焰管头部的旋流器供入燃烧区；,2,、将一次空气由旋流器及前几排射流孔供入。,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,火焰稳定器的作用：,3-2,燃烧室中气流流动过程组织,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,环状气流层的影响：,1,、增强湍流，为改善燃料与一次空气的混合创造条件；,2,、为燃料的连续点火及火焰稳定创造条件。,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,表征火焰管气流结构特性的参数：,1,、回流区最大直径,2,、回流区长度,3,、最大直径处与旋流器距离4,、高温燃气回流量,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,一次空气旋流器结构参数的影响：,1,、旋流器叶片安装角,2,、轮毂比,3,、旋流器外缘直径与火焰管圆柱段直径的比值,4,、叶片数目,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,结构形式的影响：,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,一次空气供气方式的影响,1,、回流区缩短,2,、减弱环形流动强度,3,、减弱气流切向分速度,4,、使回流区变形,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,射流孔供入空气量的影响：,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,一次射流孔布局的影响,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,射流深度的影响：,3-2,燃烧区中气流流动过程组织,燃烧工况的影响：,1,、温度升高回流区缩小,2,、速度场平坦,3,、回流量下降,3-3,燃烧区中燃料浓度场组织,要求：,确保在任何工况下，燃烧空间中燃料与空气的局部配合关系都处在可燃范围内。,3-3,燃烧区中燃料浓度场组织,影响因素：,1,、燃料的喷射特性（喷油嘴）,2,、一次空气的分配规律,3,、一次空气流动特性,3-3,燃烧区中燃料浓度场组织,1,、燃料雾化质量对浓度场分部的影响：,雾化颗粒过粗燃烧时间长，不易燃烧完全，燃烧效率低；惯性较大容易在火焰管壁面凝结。,雾化颗粒直径过小，穿透能力小，燃料不能有效分布到燃烧空间中去。,3-3,燃烧区中燃料浓度场组织,2,、燃料在燃烧空间的分布,不均匀分布,轴线附近缺少新鲜空气,一次空气主流区，空气流速高温度低,因此，燃料主要分布在回流区与一次空气主流区边界，向两侧浓度逐步下降。,3-3,燃烧区中燃料浓度场组织,3,、一次空气补给方案,一次空气的补给方案决定于燃料的挥发性。,过早，温度低降低挥发程度，不利于形成预混可燃物。,过迟，火焰延长。,4,、喷雾锥角,燃烧区中可燃混合物的形成着火与燃烧,燃烧区中火焰类型：,1,、预混可燃气体湍流火焰传播,2,、湍流扩散燃烧,3-3,燃烧区中可燃混合物的形成着火与燃烧,区别：,预混燃烧火焰前锋传播速度受化学动力学因素控制，燃烧完成取决于火焰前锋的传播速度。,扩散燃烧取决于燃料与氧化剂的混合，新鲜空气的补给决定燃烧效率。,（要求化学反应速率高于扩散速率）,3-4,燃烧室掺混过程的组织,掺混目的：,1,、使高温燃气达到要求的初温值,T,3,*,2,、使出口温度场的均匀程度达到要求的范围。,影响因素：,1,、掺混空气量,2,、射流孔的结构型式、尺寸和布局,3,、射流深度,4,、高温燃气的温度场,5,、燃烧室外壳与火焰管之间二次流道中的流动情况,一、掺冷空气量的影响,二、二次掺冷空气流动参数的影响,二次掺冷空气流动参数的定义：,掺冷空气流动参数直接关系着射流速度、射流流量、射流深度,燃烧室流动阻力损失对温度场均匀性的影响：,三、二次掺冷空气射流深度的影响,射流深度估算方法：混合区前燃气的最高温度区域大致分布在火焰管轴线附近，为使这部分高温燃气冷却降温，必须把二次掺冷空气喷射到火焰管中心区域内。,H=,（,0.350.65,）,df,df,-,射流平面上火焰管直径,四、射流孔之间周向间距的影响,防止掺冷空气交混分层流动形成阻塞圈,五、射流孔布局的影响,两种开孔方案掺冷效果对比,最后一排射流孔位置的影响,六、二次空气流道气流流动均匀性影响,3-5,火焰管壁冷却过程组织,火焰管破坏形式：,裂纹、翘曲、变形、,烧穿等。,火焰管壁冷却目的：,合理组织二次空气流，使火焰管受热部件得到有效冷却，确保壁面温度比较均匀的保持在材料使用寿命容许范围内。,第四章 液体燃料雾化和喷油嘴,液体燃料燃烧特点,1,、扩散燃烧,2,、非均相燃烧,液体燃料燃烧过程,1,、雾化,2,、蒸发,3,、掺混,4,、燃烧,液体燃料燃烧过程示意图,4-1,液体燃料的雾化机理,液体燃料喷散雾化目的：,1,、把连续燃料射流分裂成为细滴，以求增加液体燃料蒸发的总表面积。,2,、把燃料合理的分布到燃烧空间中去,燃油雾化现象,雾化颗粒的形成,1,、液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。,2,、由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。,3,、在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形油珠。,4,、在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。油珠破碎过程,气动力,表面张力,油珠表面受力分析,外力：气动力、惯性力,内力：表面张力、粘性力,2,、液珠破碎条件,表面张力气动力,表面张力,气动力,如果,=q,，,则：,定义,韦伯准则数,实验中发现：,8,We,10.7,：,液珠只发生变形而不破碎，,10.7,We,14,：,液珠开始破碎,We14,：,全部液珠破碎成细小的雾珠，,We,，,平均直径愈小,薄膜破碎：,1,、轮毂式破碎,2,、穿孔膜破碎,3,、波浪式破碎,4-2,液体燃料雾化质量标准,一、喷雾锥角,二、喷雾射程,三、燃料分布特性,四、雾化颗粒细度,1,、按油珠直径求出的平均直径,2,、按油珠表面积求出的平均直径,3,、按油珠体积求出的平均直径,4,、质量中间直径（,MMD,）,作为平均直径,大于或小于这个直径的油珠的质量各占,50%,5,、索太尔（,sauter,）,平均直径（,SMD,）,d,s,三、液珠尺寸的分布,1,、数量积分分布,2,、重量积分分布,3,、液滴数量的微分分布,4,、液滴重量的微分分布,（,）,油珠群几种典型分布,Rosin-Rammler:,P,(,psi,),均匀指数,Nukiyama-Tanasawa:,正态分布：,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,1,、离心喷油嘴的结构和工作过程,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,2,、离心喷嘴理论,1944,年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论。,基本假设：,流体为无粘性的理想流体；,不计喷嘴内部流动的径向分速度；,喷嘴处于最大流量状态工作。,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程,根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为,不计粘性时，流体的动量守恒，故有,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,径向平衡条件：,由于无径向运动，流体满足径向平衡条件：,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,积分得,（与,r,无关）,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,在燃油与空气核的交界面上有,：,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,空气核界上的切向速度为,又据连续方程有,A,称为离心喷嘴的几何特性参数，表示离心喷嘴几何相似的准则,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,为轴向速度系数,为流量系数,流量,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,最大流量原理,流量系数,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,雾化锥角,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,几何系数与流量系数关系曲线：,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,离心喷嘴设计计算程序,设计程序：,1,、选定雾化锥角，由此确定几何特性参数,A,2,、,确定流量系数,3,、确定喷嘴的孔径,4,、确定喷嘴其它尺寸,已知条件：,供油能力（供油量）、供油温度和压力燃油物性参数（密度、粘度）,离心喷嘴几何参数的影响,表现在几何特征参数：,表现在几何特征参数：,空心涡加大油膜薄,雾化好,摩擦损失,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,3,、目前测量粒径的方法,（,1,）接触式,印痕法、石蜡法等,（,2,）非接触式,激光散射技术,马尔纹粒度仪,脉冲激光全息技术,4.3,单油路离心喷油嘴的工作原理与设计,4.4,影响雾化的因素,影响喷雾特性的因素：,喷油嘴结构,喷油压降,液体燃料的物理性质,燃烧空间气体介质的物理性质,4.4,影响雾化的因素,喷油压降的影响：,1,、喷油压降影响喷雾射程,2,、喷油压降提高至一定程度后对喷雾锥角的影响不明显,3,、喷油压降提高，油滴平均直径明显减小,4,、背压提高后喷油压降的影响减小。,4.4,影响雾化的因素,液体燃料物理性质的影响：,粘性,表面张力,密度（惯性力）,4.4,影响雾化的因素,气体介质的物理性质的影响,a,供油压力和液体射流与空气的相对速度,b,空气压力,主要体现在离心力、湍流度作用不大的情况下,4-5,常用喷油嘴的结构形式及工作特性,一、喷嘴类型,直流喷嘴,离心喷嘴,气动喷嘴,旋转喷嘴,4-5,常用喷油嘴的结构形式及工作特性,直流喷嘴,特点：,结构简单，尺寸紧凑，安装布置方便,雾化角小，雾化质量差,4-5,常用喷油嘴的结构形式及工作特性,离心喷嘴,特点：,雾化锥角大，雾化质量好,采用双油路，可获得更大的供油能力,4-5,常用喷油嘴的结构形式及工作特性,气动喷嘴,特点：,雾化质量高,排气冒烟少,贫油熄火范围窄,可采用特殊的气化剂,4-5,常用喷油嘴的结构形式及工作特性,其它喷嘴,第,5,章燃烧室结构,燃烧室基本结构：,扩压器,喷油嘴,火焰筒,旋流器,点火器,联焰管,燃烧室基本结构,燃烧室最大截面积的确定：,燃烧室最大截面积与燃烧室阻力损失相关,平均速度的大小影响燃烧室阻力损失,火焰筒相对截面积的影响：,1,、外环道流组损失,2,、火焰筒内空气流量分配关系,3,、燃气出口温度场分布特性,火焰筒截面积,火焰筒头部过渡锥角,头部过渡锥角应与旋流器配合，以头部不发生气体分离现象为原则。,燃烧室扩压器,压气机出口与燃烧室并不在同一轴线上，应设计过渡型线减少转弯流动损失。,燃烧室扩压器,合理选择扩压器的长度,燃烧室扩压器,扩压器型线设计：,直锥型、等压力梯度、双扭线,一次空气配气机构,尺寸参数控制范围,与燃烧室配合工作注意问题：,1,、防止燃料喷至束腰环积碳，喷雾锥角控制在,5070,2,、加强头部冷却,平面旋流器,旋流器叶片角、轮毂比对旋流强度有重要影响：,通常旋流器叶片角在,4560,轮毂比的增加受火焰筒头部直径限制通常小于,0.75,旋流器出口通流面积计算,旋流器尺寸确定原则,旋流器通流面积与阻力损失相关,旋流器轮毂比、叶片角与旋流数相关,叶片厚度与加工方法相关,叶片数的选取,燃气混合机构,火焰管壁面冷却机构,流量系数,流量系数定义：,流量系数影响因素：,射流孔形状,几何尺寸,射流孔两侧气流流动参数,流动摩擦损失,出口与主流掺混损失,燃气收集器,1,、燃气收集器中心线上下通流面积沿轴线方向恒定不变,2,、在型面变化剧烈的地方增加冷却孔,3,、轴向尺寸与燃机整体结构相关,其他参数,点火器位置,连焰管位置,连焰管直径,喷雾锥角,主燃区长度,5.2,燃烧室的新技术和新发展,对于燃烧室的设计，重点在于强调易点火、燃烧稳定、燃烧效率高、低污染等方面。,发展方向：,高压比,高燃气初温,低污染,为解决高压比、高初温对燃烧室的冷却和使用寿命带来的困难，希望减小火焰管长度，因此需要：,1,、缩短火焰长度,2,、提高燃烧稳定性,3,、强化火焰管壁面冷却,燃烧室的污染问题,主要污染物,CO,，,Nox,，烟，,Sox,，,CH,过去,20,年，通过研究低污染燃烧的发动机，发动机的碳氢化合物减少了,90%,，,CO,和,NO,X,分别减少了,80%,和,30%,。因此，目前航空发动机排放的控制目标是降低,NO,X,的排放。,CO,的生成,低功率时较大：（喷油量减少）,1,）燃油雾化不好，停留时间太短，燃烧不完全,2,）混合不好，局部富燃料燃烧,3,）壁面冷却空气相对太大，导致猝熄燃烧，使反应不完全,CH,的生成与,co,生成原因类似，但,CH,易氧化浓度较,CO,小,减少,CO,排放措施,减少,CO,排放低功率时：,采用空气雾化喷嘴来改善燃油雾化,对燃烧室内各部分空气量重新分配，使主燃区的当量比接近于最佳值,(0.7),增加主燃区容积或停留时间,减少气膜冷却空气量,压气机放气,分级供油，分区燃烧,Nox,的生成,NO,生成机理,NO,的来源：,1,）空气中的,N2,分子氮,按反应机理：,热力,NO,瞬发,NO,2,）燃料中的,N,燃料氮,NOx,：,95%NO,；,5%NO2,热力,NO,生成,热力,NO,温度对反应速度的影响很大，所以称为,热力,NO,1800K,热力,NO,很少。,所以降低火焰温度能显著减少,NO,的产生,NO,往往不会在火焰面上产生，而是在高温烟气中,瞬发,NO,（,Prompt NO,）,Fenimore,：,富燃料,混气火焰面上快速反应生成大量的,NO,，称为瞬发,NO,。,机理与热力氮不同。,CH+N2,HCN,C+N2,CN,N,N,NO,N,瞬发,NO,生成机理,研究表明,：,1,）在,T2500K,时，,NO,的生成主要取决于,热力,NO,燃烧室的污染问题,影响燃料,NO,的因素：,（,1,）燃料含,N,量的影响：,实际燃烧过程中只有部分燃料,N,转化为,NO,，,实际生成,NO,与全部燃料,N,之比,称为燃料,N,转换率 ，影响燃料,N,转换率的因素：,当,1.3,时，,NO,随着燃料,N,含量增加而增加，但却下降。,当0.8,时，,NO,随着燃料,N,含量增加先增加后饱和，而下降。,（,2,）过量空气系数的影响：,试验结果表明，燃料,NO,与热力,NO,不同，它受温度影响较小，这是因为燃料中,N,的热分解温度比火焰温度低，当燃烧达到分解温度而进行分解，生成,NO,与火焰温度关系不大。,油气比对,NO,排放的影响：,喷水：,变几何燃烧室,径向,轴向,径,/,轴向,分级燃烧,催化燃烧室,贫油预混蒸发燃烧室,降低,NOx,的,燃烧技术,主要途径：,选用,N,含量较低的燃料，包括燃料脱氮和转变成低氮燃料,降低过剩空气系数，组织过浓燃烧，以降低燃料周围氧浓度,在过剩空气的条件下，降低温度峰值以减少热力,NO,在氧浓度较低情况下，增加可燃物在火焰前锋和反应区中的停留时间。,分级燃烧室,：,发展方向：,1,、提高预混,2,、化学回热,3,、贫油预混燃烧室,4,、在燃烧室采用催化金属或陶瓷基体反应器,5,、富油急冷,