燃烧室思考和练习题.docx

燃烧室及污染排放思考和练习题（1） 航空燃气轮机燃烧室的功用是什么？把燃料中的化学能经过燃烧释放出来，转变为热能，直接加入到发动机空气中，提高做功能力（2） 航空燃气轮机燃烧室采取何种技术措施来满足发动机对燃烧室的性能要求？扩压降速燃油雾化低速区或回流区稳定火焰空气分股（3） 为什么早期的燃烧室体积和长度都比现在燃烧室大？早期燃烧室多采用单管燃烧室，由于独立的单管火焰筒和单管机匣导致长度较长，现在多采用环形燃烧室，结构紧凑，长度较短。早期的燃烧室容热强度小，所以体积和长度大。进口低温低压，同样参考速度下，燃烧室截面大，喷嘴为离心式和一个涡流器的组合，混合差，燃烧强度低。（4） 燃烧室火焰筒内为什么要分区？以燃烧室油气比0.03来说明。航空煤油化学恰当比0.068.若燃烧室设计点的油气比为0.03，远低于化学恰当比。从燃烧看，要保持燃料高效燃烧，只需44%空气，所以气流应分股。采取了燃烧分区后，燃烧区温度远高于金属材料温度，因此，采用一个薄壁火焰筒，讲受热受力分开，并在火焰筒上开孔，防止燃烧室损坏。（5）请叙述燃烧室的正常工作过程，点火起动过程和熄火过程。正常工作过程：气流流动过程的组织-燃料浓度场的组织-燃烧区中可燃混合物的形成、着火与燃烧-混合区中二次掺冷空气与高温燃气掺混过程组织-火焰管壁冷却过程点火启动过程：燃烧室在地面状态情况下，由起动机带动发动机至一定的转速，燃烧室喷油，采用点火装置点火，在一定时间内使燃烧室所有的燃油喷嘴喷出的油雾都能着火熄火过程：通过减少燃烧室的供入油流量，火焰慢慢变小，直到供入燃油不能被主燃区点燃，则熄火。（6）燃烧室的主要结构部分包括什么，各有什么作用？ 扩压器：降低压气机出口流速，恢复动压头利于组织燃烧机匣：安装火焰筒，连接发动机压气机部分和涡轮、加力燃烧室部分，是承力件，同时，机匣和火焰筒组成环腔二股气流的通道喷嘴：用于燃油雾化及空间分布旋流器：使气流旋转，产生中心回流区，强化稳定燃烧过程帽罩：使空气按照环腔，头部所需量分股时，流动不发生分离，以减小流动损失火焰筒：燃烧室承温部件，实现油气两相流的稳定燃烧，并在下游与冷空气掺混，满足出口温度分布需求（7）在某一个燃烧室出口测量的CO浓度为200ppm，未燃碳氢的浓度为50ppm，这两个浓度值是在压力1.0325105Pa，温度288K条件下测得的，燃烧室油气比0.025，煤油的热值是43500kJ/kg，请问，该燃烧室的燃烧效率是多少？（8）为什么要规定燃烧室的出口温度品质？出口温度分布系数和平均径向温度分布系数的定义是什么，典型的数值范围，对涡轮的影响如何？燃烧室出口温度分布关系到涡轮的工作环境；出口温度分布系数：指燃烧室出口温度最大值超出平均值的量与燃烧室温升之比，0.25-0.35，越低越好，主要影响涡轮导叶寿命平均径向温度分布系数：燃烧室出口径向温度分布沿周向平均后与出口燃气平均温度之差，再与进出口燃气平均温度之差之比，不超过0.15，主要影响高压涡轮导叶寿命 （9）某燃烧室进、出口平均温度分别为800K、1650K，实测出口温度分布数据如下表习1，请分析出口温度分布的品质。设计的出口温度分布曲线参考下表习2。表习 1径向位置周向位置1周向位置2周向位置3周向位置4周向位置501405 1365 1345 1495 1385 101540 1520 1563 1583 1543 201620 1608 1678 1628 1758 301637 1767 1767 1687 1797 401685 1793 1763 1693 1793 501730 1814 1764 1714 1784 601701 1927 1767 1727 1757 701750 1831 1731 1851 1741 801710 1760 1730 1810 1620 901653 1643 1683 1763 1613 1001325 1385 1495 1555 1405 表习2径向位置0102030405060708090100-0.03-0.05-0.050.020.050.0750.090.0950.07-0.02-0.3（10）为什么要规定发动机燃烧室的慢车贫油熄火边界？因为慢车熄火状态时发动机的最小稳定工作状态，是燃烧室减油过程中慢车贫油熄火重要性的说明，以为在发动机降工况时是减油门，转子由于惯性，减速较慢，空气量相对较多，出现了燃烧室贫油工况，如果此时燃烧室稳定性不好，出现熄火，即贫油熄火，贫油熄火边界限制了发动机的稳定工作边界，因此，对慢车状态的贫油熄火边界要加以限制。（11）为什么燃烧室需要一定的压力降？压力降为什么不能太大？压力降增加1，航空燃气涡轮发动机的单位推力会降低多少？以推力为10000daN，增压比25，涡轮前温度为1600K的一个发动机为例。P224答：气流流过燃烧室,由于粘性及温升，会导致气流总压降低。总压损失由两部分组成，扩压器损失（无用损失）和火焰筒损失（用于增加了气流的穿透和掺混，为有用损失）。压力降太大会减低发动机性能，对于民用发动机，会增加耗油量，对于军用喷气发动机，会降低推力。（12）如表83所示，是一个额定推力50kN，总增压比为30的发动机在ICAO CAEP规定的各个运行模式下的NOx排放指数。各运行模式下的NOx排放物指数和燃油流量参数Idle/taxi(7% Foo)Approach(30% Foo)Climb(85% Foo)Takeoff(100% Foo)Mf(kg/hr)26267616201910EI NOx (g/kg fuel)3.54.51012确定该发动机燃烧室的排放是否能够满足CAEP4的标准。答：CAEP4的标准为：故满足要求（13）列出单层火焰筒壁热平衡方程表达式？燃气向壁面的辐射换热+燃气向壁面的对流换热+沿火焰筒壁面的导热=通过壁面的导热=壁面与环腔空气的辐射换热+壁面与环腔空气的对流换热（14）气膜冷却的优点和缺点？ 优：可以在高压力高热应力下工作几千小时，冷却缝槽可以减轻质量，使火焰筒机械强度加强；缺：壁温不均匀，冷却气膜出口温度最低，在接近下一道气膜出口温度最高，是对冷却气体的浪费。（15）通过查阅文献资料，列举先进冷却方式的种类及应用。加强背部对流换热（火焰筒冷侧加装肋条，鳍），内对流换热（在火焰筒内通过层板，多邪孔来增大内对流换热面积），火焰筒内壁喷涂隔热涂料（等离子喷涂）（16）加力燃烧室的作用是什么？与主燃烧室相比，工作条件有何差异？ 作用：利用燃烧室排气中的剩余氧气量，重新喷入燃油在燃烧，以提高发动机推力；差异：加力燃烧室进口处总压较低、气流速度高、温度高，进入加力燃烧室的气体是燃气，含氧量较低（17）涡喷发动机和涡扇发动机加力燃烧室有何区别（原理，结构）？涡扇发动机加力燃烧室有哪几种组织燃烧方式？区别：原理上涡轮喷气发动机加力燃烧是在燃烧过的高温气流中组织燃烧，而涡轮风扇发动机加力燃烧是在外涵新鲜空气和流过涡轮的已燃气的混合气（也有分开的）中组织燃烧；二者的主要区别是燃烧组织方式不同，结构上主要是进气部分不同，前者采用的是单流路的扩压器，后者采用的是双流路的混合扩压器（18）加力比的定义是什么？加力比主要取决于什么？提高加力比受到哪些因素制约？加力比是指主机状态相同（涡轮前温度相同）时，开加力后的发动机推力与不开加力时的推力之比，记为；加力比主要取决于加温比，正比于加温比的平方根；加温比与燃烧前马赫数有密切关系，对于加力比很大的涡扇加力，应选用较低的流动马赫数，否则即使喷油燃烧加热，推力也未必会增加或者增加甚微；加温比还与飞行马赫数直接相关，当马赫数增加时，加力比迅速增加，尤其是超音速飞行时。（19）常用加力燃烧室有哪些点火方案？预燃室点火，热射流点火，催化点火，高能电嘴直接点火（20）加力室V形稳定器火焰稳定机理是什么？与主燃烧室旋流稳定火焰有何异同？p300（21）为何加力燃烧室比主燃烧室更易发生振荡燃烧？试举几种消除振荡燃烧的措施。因为加力燃烧是在加力筒内进行的，在边界上缺乏声耗散机制（减震机制）。措施：减少压力驱动能量，增加脉动机械能的耗散，几何尺寸调整（改变加力燃烧室冷段长度和全长，改变最大放热脉动轴向位置，使最大放热脉动区轴向位置接近压力波节点的轴向位置）燃烧规律调整（改变加力燃烧室横截面燃油分布，改变沿加力燃烧室长度的放热规律，改变多排火焰稳定器排列，减少当量放热脉动，减小火焰稳定器表面油膜不稳定蒸发所引起的放热脉动）（22）了解沙丘驻涡火焰稳定器的稳焰机理和优点。稳焰机理：从丘顶向两侧成点源发散，引起了横卧于地平面上的旋流效应；整个沙丘成涡管弯曲，中间粗两头逐渐变细，两个月牙之间存在两个转涙点，形成牛角状的拱桥效应；沙丘外形遵循能量耗散最小的自然规律优点：新月形沙丘具有顽强的抗干扰性能，和同样阻塞比的V形稳定期相比，阻力下降75-80%，贫油稳定性得到大幅度扩展，点火性能也得到了改善。可点燃风速比V形槽高出40%左右，而且燃烧效率也得到提高，在低温低压下仍能保持其原有的性能。（23）燃气轮机燃烧室燃烧的排放物有哪些？ICAO规定的污染物有哪些？危害？CO2 H2O，CO,UHC(未燃碳氢化合物)，冒烟，NOx；ICAO规定的是CO（结合血红蛋白，缺氧）,UHC(未燃碳氢化合物)（与氮氧化物在强光下形成光化学烟雾），冒烟（呼吸道疾病，增加了飞机可见性，降低军用飞机生存能力，高空飞行排气形成凝结尾流，高空大气污染），NOx（呼吸道疾病，酸雨，臭氧层空洞），其中衡量的关键指标是；（24）与常规燃烧室相比，低污染燃烧室为什么能作到低污染？燃烧室主燃区温度控制在17001900K，该温度下CO,UHC，SMOKE，NOx生成速度均较低（25）分级燃烧室的种类及优缺点？周向分级燃烧室：优：降低4种污染物排放同时拓宽了贫油熄火边界；缺：低功率时，不供油的喷嘴下游的温度区“冻结”了化学反应，降低了燃烧效率，增大了CO和UHC的排放量轴向分级燃烧室：优：主燃级点火顺利并快速；进口空气温度高，即使低当量比时燃烧效率也较高；较好的径向出口温度分布，较宽的稳定工作范围，高的燃烧效率，有利于延长涡轮叶片寿命；主燃级启动无推力滞后；大功率时NOx排放量低；大雨条件下，有较好的工作稳定性；缺：由于燃烧室轴向分布，长度增加；较大的火焰筒表面积需要更多的冷却空气；较多的燃油喷嘴杆壁干扰了外燃腔流路；顶燃级油路不能用于冷却主燃级油路径向分级燃烧室：优：如果两级燃烧室在轴向的投影坐标相同，可以设计使用供油座，使副油路的燃油冷却主燃级的喷嘴油路，防止小功率状态时燃油高温结焦 缺：贫油熄火边界差；结构复杂，喷嘴数目增多；需要较多的冷却空气增大的火焰筒表面积，对出口温度分布不利；由于油路分级，径向温度分布会改变，对燃烧室下游的高温区不利；在从小功率状态向大功率状态过渡时，两级燃烧室都偏离最佳设计状态（26）LPP、LDI、以及RQL的基本原理及优缺点？LPP（贫油预混预蒸发）工作原理，燃油进入燃烧室前与空气充分混合并蒸发完全，进入燃烧室的油气混合物是一种近似于气态燃料分布均匀的状态。优点：在接近贫油熄火边界当量比下燃烧，主燃区温度低，停留时间短，NOx排放低；缺点：在较高的进口温度和压力下容易产生自燃和回火，启动燃烧不稳定。 LDI贫油直接喷射低污染燃烧室RQL富油燃烧-急冷-贫油燃烧低污染燃烧室（27）航空燃气轮机主燃烧室中的主要雾化方式有哪些？其基本原理是什么？离心喷嘴：借助燃油压力使燃油雾化；空气雾化喷嘴：不只借助燃油压力产生油膜失稳，还依靠通过喷嘴的空气速度来剪切油膜甩油盘喷嘴：燃油通过一个空心的中心轴，靠离心力从甩油盘上打的孔甩出，在表面波及环境空气的作用下，射流失稳破碎，从而形成油雾蒸发管喷嘴：燃油从喷嘴喷出，一部分燃油喷射到蒸发管的高温壁面上，另一部分则与进入蒸发管的高温空气混合后随空气流动。（28） 为什么离心喷嘴中间会存在一个空心涡？这对计算一定离心喷嘴压力降条件下的喷嘴流量有什么影响？空心涡：随着半径减小，速度增加，离心力增加，将旋流器中的燃料甩向外壁，形成空心涡；随着速度增加，导致静压下降，燃油沸腾温度下降，中心燃油容易蒸发，形成空心涡由于产生了空心涡，会形成离心喷嘴的流量系数，Cd=m1An212（29） 空气雾化喷嘴雾化颗粒度的主要影响因素有哪些？ 燃油物性，如表面张力和粘性系数；燃油工况，如燃油流量和燃油压力。实验证明，表面张力大，粘性系数大，雾化变差，SMD增加；燃油压力小，喷嘴流量大，则SMD增大。（30） 突扩扩压器的结构和性能有什么特点？环形突扩扩压器有结构简单，气动效率高，能承受进口流动畸变及对加工误差不敏感的特点。它由两部分组成，从压气机出口到进入机匣之前为前置扩压器，进入机匣之后，与帽罩和机匣间的通道为突扩区域。（31） 旋流器的主要种类有哪些？旋转射流产生回流区的机理是什么？主要类型的旋流器旋流数推导。p254。答：轴向叶片式旋流器，径向叶片式旋流器。产生回流区机理：由可得，气体微团的离心力靠沿着径向的压力梯度来平衡，只要有速度，必定存在外径压强大，内径压强小，当两者压力差达到一定程度时，中心压力接近真空，从而导致下游气流（压力接近环境压力）逆流运动填补真空，从而产生回流区。轴向旋流器的旋流数：轴向旋流器旋转射流在旋流器出口切向动量矩为：轴向动量为：根据旋流数定义：径向旋流器的旋流数：径向旋流器旋转射流在旋流器出口切向动量矩为: 径向动量为：根据旋流数定义：（32） 现代燃烧室的典型设计点油气比条件下，为什么要采用主燃孔射流？为什么要采用掺混孔射流？为什么会有流量系数，流量系数的主要影响因素答：主燃孔射流：联合构成并缩短回流区，强化燃烧过程掺混孔射流：调整径向温度分布，减少热点。流量系数：因为通过射流孔的流量不仅与射流孔的几何及压力降有关，还与其形状，上游环腔的尺寸及上游流动有关，因此流量是按照有效面积来计算的，有效面积=射流孔的几何开孔面积X流量系数影响：几何结构参数（孔的几何结构和环腔高度）、压力参数（压力降除以动压头）（33） 横侧气流中的单股射流和多股射流的流动特点是什么？p268（34） 燃烧室的流量分配根据什么来分配的？ 主燃区空气流量分配：雾化空气量根据慢车工况的熄火特性要求和设计工况雾化颗粒度气液比要求来确定；头部冷却空气量根据头部冷却结构设计；主燃区壁面冷却气流根据主燃区避免冷却要求设计；主燃孔射流流量最后根据主燃区油气比选择为恰当比、富油、还是贫油来确定。 冷却气流量分配：冷却性能及选择的冷却结构 掺混空气量分配：出口温度分分布和掺混效果发动机整体性能，燃烧基本理论，燃烧室的其他性能（35） 不同当量比的主燃区燃烧性能有何特点？ 富油主燃区：主燃区空气流速低，使得点火容易，火焰稳定性好，表现为贫油熄火边界宽，小状态燃烧效率高。但容积释放率低，发光火焰，辐射换热增大，壁温高些，排气冒烟趋于增大，壁面，喷嘴表面积碳增多；燃烧室工作（辐射换热，壁温，寿命）随燃油类型及性质变化大；出口温度分布质量较差，要求中间区长度长些。 化学恰当比主燃区：释热率高，主燃区可小，设计状态燃烧效率高，火焰发光低，排气冒烟少，燃烧性质对燃烧室寿命影响小；但由于燃烧温度高，对壁面换热高，排气污染中氮氧化物含量高。 贫油主燃区：燃烧干净，蓝色火焰，无积碳，排气不冒烟，壁温低，出口温度分布系数比较低，不要中间区；但由于主燃区空气流速高，对火焰温度及点火不利；慢车效率低，小状态下，排气中一氧化碳及未燃烧碳氢化合物含量高。（36） Lefebvre燃烧效率准则是如何推导的？写出主要过程和假设。假设：蒸发，混合足够快，燃料充分燃烧。推到c=湍流火焰区释放热/燃料热值c正比于ST/UrefST正比于SLReaSL正比于exp（-E/RT）实验归纳系数m=0.75,b=300忽略p/qref项得到c=f()（37） Lefebvre贫油熄火准则中，考虑了哪些影响因素？燃烧室结构设计、燃烧室工作状态、与燃料有关性质（38） Lefebvre贫油点火准则为什么与贫油熄火准则类似？因为它们按照类似的规律受速度、直径、进口温度、进口浓度、混合比的影响，区别只是压力的指数项不同。（39） 燃烧室内火焰辐射有什么特点？辐射换热在多数燃气轮机燃烧室火焰筒所接收的热量中占主要，尤其在火焰筒存在非常有效的气膜冷却情况下，辐射换热就是唯一的由高温燃气到火焰筒壁面的传热，因为此时对流传热可为负，既有火焰筒壁面向气模冷却空气传热。燃气轮机燃烧产物的辐射传热由两部分构成：非发光辐射，主要是水蒸气和二氧化碳的辐射；发光辐射，主要取决于火焰中固体粒子（烟粒子）的数量和大小。（40）