航空发动机系列之:燃烧吧,发动机②

各位亲爱的观众盆友们,好久不久啊,这么久没见有没有想我呢?实在太想我的话,可以给我留言嘛,有什么问题也可以发给我,我们可以讨论一下。总之,欢迎大家与我互动。

今天我们继续来唠唠发动机的燃烧室部分,下面

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在说完分管燃烧室后,我们继续说说环管燃烧室(annular-can )

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图中我们可以看到环管燃烧室和分管燃烧室的一个最大的不同就是环管燃烧室每个火焰筒外面都有一个燃烧室的外壳,而分管燃烧室把单独的外壳变成了一整个燃烧室的外壁和内壁,然后所有的火焰筒都放在了这一个由内壁和外壁组成的环里面,所以叫做环管燃烧室。

和分管燃烧室类似的是,环管燃烧室的燃烧区域也是分开的,每一个火焰筒里面都有一个都有一个燃油喷嘴,然后气流分开进入每一个燃烧室的。同时环管燃烧室也是有两个点火器,点燃之后也是靠传焰管传输火焰。但是,环管燃烧室由于是安装在由外壁和内壁组成的气流通道内,这样每一个燃烧室的压力和温度都会更加的平均,并且能够更好的保持燃烧室内的压力。环管燃烧室的另外一个优点就是整体的重量会比分管燃烧室更轻,这不管是对发动机还是飞机来说都是更好的选择。

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上图是GE J79发动机的燃烧室部分,这就是一个典型的环管燃烧室,每一个火焰筒都是相连的,然后共享一个外壳。

什么?你说看着跟分管燃烧室没区别?看看下面的分管燃烧室的图片,你就一目了然了。

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这是分管燃烧室,里面蓝绿色是火焰筒,外面的灰色的是外壳,这种就是每一个外壳包裹的每一个火焰筒,所以每一个火焰筒里的压力不会像环管燃烧室那么的均匀。

在讲完环管燃烧室之后就是我们的重头戏——环形燃烧室。为什么是重头戏呢——当然不是因为头很重。

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在现代的民航客机上,基本上所有的发动机的燃烧室都是环形燃烧室。从上面那个图(不是周冬雨那个)我们可以看到三种燃烧室的演变以及它们的不同。这时我们会发现,怎么环形燃烧室没有火焰筒了?那燃烧该怎么进行呢?

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在环形燃烧室里面,火焰筒是不要滴,操作是简单滴。因为,从环管到分管燃烧室,我们把外壁整成了一个环,这样温度,压力的均匀性都有提高,而且还更轻,那么,要是我们把火焰筒也整成一个环呢?

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最后经过工程师们的不懈努力,终于,环形燃烧室诞生了。

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从上图我们可以很直观的看出环形燃烧室的火焰筒变成了火焰环了(图中土黄色部分),火焰在内环和外环之间燃烧。燃烧室的内外环都是由抗热材料构成,然后还是在表面用热喷涂的方式覆盖上一层热障涂层(Thermal Barrier Coating,简称TBC),涂层的材料以陶瓷为主。

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在燃烧室的前端同样有一圈燃油喷嘴,这些喷嘴由一个圆环固定,这个圆环叫做Combustion Dome(中文翻译过来叫燃烧室头部?如果谁知道更好的翻译麻烦告诉我,谢谢)。

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这个头部是一个环状结构,以CFM56为例,一共有20个孔,喷油嘴从孔中插入,然后喷射燃油。图中有点泛红的就是燃烧后的热障涂层,在刚刚进行完喷涂其实应该是白色的。

相比于之前两种燃烧室,环形燃烧室燃烧效果会更好,总压损失更小,而且结构简单便于维护,同时由于结构简单,所以出口处流场和温度场分布更加均匀。并且轴向尺寸更短,降低了发动机的整体重量。

上面介绍的环形燃烧室叫做全环形燃烧室,那么环形燃烧室只有这一种吗?

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环形燃烧室细分起来一共有四种,分别是

  • 带单独头部的环形燃烧室

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这种燃烧室的头部是分开的,气流和燃油进去以后才混合到一起。

  • 全环形燃烧室

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  • 折流环形燃烧室

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这种燃烧室由燃烧室外套、火焰筒内壳、封气套筒、供油管以及甩油盘组成。折流环形燃烧室的优点是充分利用了空间,缩短了转子支点间的距离。

  • 回流环形燃烧室

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这种燃烧室的高压气体经过折转再注入涡轮,这使得压气机和涡轮的轴向长度大大缩短,减轻了重量。


在上世纪80年代,为了实现节能减排,通用电气公司开发了双环形燃烧室(DAC)。下面是节选自CFMI官网上的文章节选关于双环形燃烧室,有兴趣看全文的同学,这里是网址:https://www.cfmaeroengines.com/press-articles/cfms-advanced-double-annular-combustor-technology/

Although the CFM56 single annular combustor meets current cycle regulations by a significant margin, the DAC significantly reduces NOx (oxides of nitrogen) emissions. Similarly, the improved fuel consumption of the CFM56-5B reduces CO2 (carbon dioxide) emissions by as much as 15 percent. The CFM56-5B and CFM56-7 DAC maintain emissions levels that are nearly 50 percent better than current requirements.

Aircraft engines produce four pollutants: smoke, unburned hydrocarbons, carbon monoxide, and NOx. Over the past two decades, emissions of all but NOx have been reduced to very low levels with the development of cleaner-burning engines. NOx contributes about 80 percent by weight of aircraft engine emissions during a 500 nautical mile mission, primarily during takeoff, climb, and cruise.

NOx is formed by the reaction of oxygen and nitrogen at very high temperatures. In a combustor, the highest temperatures occur when there is an optimum mixture of fuel and air. The amount of NOx formed is then determined by the 'residence' time that the burning fuel/air mixture stays at the high temperature. The CFM56 DAC reduces flame temperature and residence time by increasing the airflow velocity in the burning zone and physically shortening the length of the combustor.

总的来说呢,就是为了节能减排,所以研究了一个双环形燃烧室。

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