详解航空涡轮发动机-卷3

9燃烧室压气机后面紧跟的是燃烧室。经过压气机压缩后的高压空气与燃料混合之后将在燃烧室中燃烧，产生高温高压燃气来推动燃气涡轮运转并从尾喷口高速喷出从而产生推力。航空发动机对燃烧室的要求是：第一，燃烧室单位容积的发热量或者说是热容强度要很高。通俗的说，就是要燃烧室在尽可能小的容积里完成高压空气与燃料的混合与充分燃烧。第二，要保证足够高的燃烧效率。第三，保证经过燃烧室后的气体达到所需的温度并要求出口温度场相当均匀。燃烧室的后面是涡轮，如果气流温度不均匀，有的地方特别热，有的地方特别冷（相对的冷，温度仍在千度左右），涡轮就会受不了 同一个涡轮叶片，转到热的地方就膨胀，转到冷的地方就收缩，一来二去，叶片很快就会发生金属疲劳，降低了使用寿命。燃烧室的设计难点在于，油气二相混合物的流动特性既不同于液态，又不同于气态，这种流场很难建立精确的数学模型。所以，燃烧室的设计过程很大程度上是通过实验来进行的，需要完善的试验设备和较长的试验时间。这也是我们为“昆仑” 发动机走完全设计过程而额手称庆的原因之一 这说明我们的发动机试验和测试技术装备有了很大进步。在喷气发动机上最常用的燃烧室有两种，一种是环管燃烧室，一种是环形燃烧室。早期的航空涡轮发动机上还采用过单管燃烧室。环管燃烧室是很常见的设计。这种设计中，燃烧室被分割成在垂直于发动机轴向的平面内环形布置的若干个火焰筒，燃烧就被限制在这个空间内进行。为了满足发动机对燃烧室的要求，火焰筒进行了巧妙的设计。火焰筒面向压气机来流方向的顶端安装了扰流器，燃油通过供油系统从火焰筒顶端的喷油嘴雾化喷出。高压气流分两股进入燃烧室：第一股气流通过扰流器进入火焰筒与雾化燃油混合直接参与燃烧，而大量的（约占总流量 6070 ）第二股气流则进入火焰筒与燃烧室外壳之间的空腔。这股气流有两个作用，其一是冷却、隔热；其二是通过火焰筒壁上经过精心设计角度的大量小孔以特定的速度和方向，分批分期地进入火焰筒补充燃烧并控制燃烧区域长度和燃烧室出口温度场，从而确保燃气以相当均匀的温度场进入涡轮部件。各火焰筒之间装有联焰管，用来传播火焰以减少所需的点火装置，还起到连通各个火焰筒，保证各火焰筒压力大致相等的作用。环形燃烧室是由两个与发动机同轴的套筒组成，原先火焰筒的功能则由内套筒代替完成。环形燃烧室的气流分布类似于环管燃烧室，一股气流进入内套筒参与燃烧，另一股气流则进入内外套筒之间的空腔，然后再分期分批进入内套筒，同样起到补充燃烧并控制燃烧区域长度和燃烧室出口温度场的作用。环形燃烧室不像环管燃烧室那样由多个火焰筒组成，而是一个整体，因此环形燃烧室的出口燃气场的温度要比环管燃烧室均匀，而且环形燃烧室所需的燃油喷嘴也比环管燃烧室少一些。另外，由于其暴露在高温燃气中的面积较小，在冷却和隔热方面也比环管燃烧室有优势，而且，进入的空气可以更多地参加燃烧和搀混，从而大大提高了燃烧效率和涡轮前温度，使发动机推力得到提高。虽然与环管燃烧室相比，环形燃烧室也存在着一些不足，但是这些不足不是性能上的而是制造工艺上的。随着科技的进步，环形燃烧室的机械强度和调试问题如今都已得到了比较圆满的解决。由于环形燃烧室固有的优点，在 20 世纪 80 年代之后研发的新型航空涡轮发动机采用的几乎都是环形燃烧室，“昆仑” 发动机上就采用了环形燃烧室的技术。10火焰筒涡轮经过了这么多“热身” ，高温高压气流终于可以大显身手，进入涡轮做功了。不过，在“工作”之前。先要排好队 在燃烧室中产生的高温高压燃气首先要经过一道燃气导向叶片，高温高压燃气在经过燃气导向叶片时会被整流并通过在收敛管道中将部分压力能转化为动能而加速，最后被赋予一定的角度以更有效地冲击涡轮叶片。从“ 航空涡轮发动机” 这个称呼上，就可以看出涡轮在发动机里的重要性。涡轮实际上是一个“风车”，在燃烧室来流的冲击下转动。涡轮的作用就是将一部分高温高压燃气的能量通过传动轴传递给前面的压气机，使其能够正常工作。在涡扇/涡桨发动机中，涡轮还要驱动风扇和螺旋桨叶片。涡轮是航空涡轮发动机三大核心部件中的“苦力” ，它“干的活最重”、“自身压力最大”而且“工作环境最差” 。说它“干的活最重”，是指每级涡轮要发出很大的功率，在现代航空涡轮发动机上，通常只有不超过三级的涡轮，可是就这么几级的涡轮却要发出上万匹马力的功率；“自身压力最大” 是说涡轮叶片在高速旋转时由于其本身的重量，会受到相当大的离心力，大到涡轮全速旋转时其离心力相当于在每个叶片上吊挂了一辆 5 吨卡车；说它“工作环境最差”则是指，涡轮的工作条件可以用“高温” 、“高压”、“ 高速”三个“高”来形容。现代航空涡轮发动机的涡轮进口温度最高达到 1800K 甚至 2000K（约 1727 摄氏度，超过大多数金属材料的熔点）；涡轮进口气压高达几十个大气压；在涡轮叶片边缘的气流速度通常可以接近甚至超过音速，只有这样的气流冲击到涡轮上，才能使涡轮发出足够大的功率。换句话说，能在“三高”条件下稳定工作就是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。对于气流而言，温度、速度和压力使密切相关的三个参量，于是，“三高” 要求最终就体现在尽可能提高涡轮进口温度上面了，而涡轮进口温度也就成了衡量发动机性能好坏的一个关键性指标。矛盾恰好也在这里，涡轮进口温度提高使发动机性能得到改善，但与此同时，涡轮开始叫苦不迭了。如何提高涡轮的耐热性能呢？有这样几个办法。第一，强制冷却。发动机设计人员在涡轮叶片上设计了很多细小的管道，高压冷空气通过这些管道流经高温叶片，起到强制冷却作用，这就是“空心气冷叶片” 。最早的涡扇发动机英国罗罗公司的“ 康维” 发动机就使用了空心气冷叶片。除了在燃烧室中使用的气膜冷却之外，在涡轮的燃气导向叶片和涡轮叶片上大多还使用了对流冷却和空气冲击冷却。对流冷却就是在空心叶片中不停地有冷却气流流动，以带走叶片上的热量。空气冲击冷却（也叫气膜冷却）实际上是一种被加强的对流冷却，即用一股或多股高速冷却气流强行喷射在要求被冷却的表面。冲击冷却一般用在燃气导向叶片和涡轮叶片的前缘上，由空心叶片的内部向叶片的前缘喷射冷却气体以强行降温。冲击冷却后的气体会从燃气导向叶片和涡轮叶片前缘的孔隙中流出，被燃气带动在叶片的表面形成冷却气膜。但是开在叶片前缘的冷却气流孔隙会使叶片更加难以制造，而且这些孔隙还会导致应力集中，对叶片的寿命产生负面影响。可是由于气膜冷却要比对流冷却的效果好的多，所以人们还是不惜代价地在叶片上采用气膜冷却。从某种意义上来说，在燃气导向叶片和涡轮叶片上使用更科学合理的冷却方法，可能要比开发更先进的耐高温合金更实际一些。因为采用空心冷却技术要比开发新合金投资少、见效快。现在涡轮进口温11度的提升其一半的功劳要归功于冷却技术的提高。由于采用冷却技术，目前各涡轮叶片实际所承受的温度要比涡轮进口温度低 200350 摄氏度，所以说叶片冷却技术对提高涡轮工作温度功不可没。第二，采用新的耐热材料制造涡轮叶片。一些先进航空发动机公司已经开始探索用耐热性能更好的陶瓷等材料制造涡轮叶片。可是如果没有深厚的科学基础作保证，高性能的涡轮材料研制也就无从谈起。当今有实力研制高性能涡轮的国家都把先进的涡轮盘和涡轮叶片的材料配方和生产工艺当作最高机密，也正是这个小小的涡轮减缓了一些国家成为航空大国的步伐。普通的碳钢在 800900时强度就大大降低了。但是在其中加入其它一些金属成分，尤其是镍、铬、钨等，制成耐热合金，耐高温水平就可以不断提高。我国在五十年代刚开始研制航空涡轮发动机时的耐热合金的最高水平是 800，在做了大量研究试验工作后提高到了 900。后来几十年，经过大量试验、研究，差不多每年都能提高二三十度，现在大约是 12001300 ，相当于 14731573K，加上耐热涂层、气动冷却和精密铸造的应用，我国先进航空涡轮发动机的涡轮前温度可以达到 18001900K,达到了世界先进水平。第三，通过改进叶片的制造工艺，挖掘现有叶片材料的耐热潜力。早在航空涡轮发动机诞生之初，人们就在涡轮的表面涂一层耐烧蚀的表面涂层来延长涡轮叶片的使用寿命。在 JT3D 涡扇发动机的涡轮叶片上，普 惠公司就用渗透扩散法在涡轮叶片上“ 镀”上一层铝、硅涂层。这种扩散渗透法与我们日常应用的手工钢锯条渗碳工艺有点类似。经过渗透扩散铝、硅的 JT3D 一级涡轮叶片其理论工作寿命高达 15900 小时。精密铸造技术也是推动涡轮叶片技术进步的重要手段。比如说单晶体叶片，就是通过精铸工艺使整个涡轮叶片成为一个单晶体，避免了晶格缺陷，比之传统工艺的叶片，其高温强度提高 8 倍以上。技术难度稍低而性能与单晶叶片接近的是定向凝固叶片，“昆仑” 发动机上就采用了先进的复合气冷定向凝固无余量精铸涡轮叶片。该叶片要求一次成型合格，不需要再加工，而且要求厚度非常均匀。这项技术具有世界先进水平，被称为现代航空涡轮发动机技术“皇冠上的一颗明珠” ，而这颗明珠如今已被中国科研人员牢牢摘得。要生产出符合要求的先进涡轮叶片，需要许多基础工业技术如材料、冶金、机械加工、工艺和检测等的全面进步。有人甚至说，像中国这样的大国，集中人力物力可以在短时间内搞出“两弹一星” ，但是由于基础工业的薄弱，很难在短时间内研制出一种能批量生产的先进航空涡轮发动机。因此，“昆仑”的研制成功的确反映了我国以基础工业为代表的综合国力的全面提高。加力燃烧室加力燃烧室是军用航空涡轮发动机特有的部件。一般来讲，当气流从燃烧室出来时的温度（即涡轮后温度）越高，输入的能量就越大，发动机的推力也就越大。但是，由于涡轮材料等的限制，目前航空涡轮发动机的涡轮后温度只能达到 1650K 左右。现代战斗机有时需要短时间增加推力，就在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油，让没有得到充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧，由于加力燃烧室内无旋转部件，温度可达 2000K，可使发动机的推力增加至 1.5 倍左右。其缺点就是油耗急剧加大，同时过高的温度也影响发动机的寿命，因此发动机开加力一般是有时限的，低空不过十几秒，多用于起飞或战斗时，在高空则可打开较长的时间。加力燃烧室里最重要的部件叫做火焰稳定器。火焰稳定器究竟起什么作用呢？打个比方，如果点起一支蜡烛，风一吹它就灭了，这是因为风的气流使火焰不稳定。如果加力燃烧室里面没有火焰稳定器，在加力燃烧室里就点不着火，因为有那么高速、高温、高压的气流在那儿流动着，要点着火是非常困难的。火焰稳定器为什么能够起稳定火焰的作用呢？原因在于它是一圈带有角度的喇叭口，这组供油12，气流从前边流过来，到了这个地方形成一个旋流，再喷油点火就可以燃烧起来，再喷油点火就可以烧到后面去，这样就可以使得加力燃烧室点起火来持续地燃烧。自 20 世纪 40 年代涡轮喷气发动机面世以来， V 型槽火焰稳定器一统天下。但火焰不易稳定，而且效率低，耗油率高，更可怕的是容易出现振荡燃烧，严重危及飞行安全。在世界航空史上，因航空发动机出现振荡燃烧故障而导致机毁人亡的事故并不罕见。几年来，美、苏/俄、英相继研制出了几种新型火焰稳定器，但性能上没有重大突破。中国的航空发动机专家高歌，受到沙漠中的沙丘启发，在导师、著名燃烧专家宁榥教授的指导下，研制成功了沙丘驻涡火焰稳定器。沙丘驻涡火焰稳定器使火焰燃