燃烧室思考和练习题答案.docx
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燃烧室思考和练习题答案
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？
答：
燃烧室的功用是把燃料中的化学能经过燃烧释放出来，转变为热能，直接加到发动机的空气当中，使其作功能力提高。
（加工压缩后的高压气流进入燃烧室，在燃烧室中进行充分有效地燃烧，燃烧后的高温高压燃气驱动涡轮提供压缩系统所需要的功，除此之外，剩余的高温高压燃气一部分通过喷管排出，产生推进力，推动飞行器前进，另一部分通过动力涡轮，做机械传动，带动螺旋桨或风扇，产生推力和升力。
）
（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？
答：
1.扩压降速：
燃烧室进口气流马赫数在0.2到0.35之间，如果采用一定措施保证火焰稳定，在如今加温比2左右的情况下，加热损失将高达3-12%，从循环来看，大大降低了作功能力，所以需要降低燃烧区速度，可大幅度降低加热损失。
加热损失：
2.燃油雾化（压力，空气，甩油盘，蒸发管）
3.低速区或回流区稳定火焰（旋流器）
4.空气分股：
流速考虑，设置背风挡板，使高速气流绕流，从而保证火焰稳定；
可燃性考虑，航空燃油的化学恰当油气比为0.0676，而燃烧室中设计油气比范围为0.015-0.033，转换为当量比为0.22-0.49.分股空气一部分进入燃烧区，一部分进入掺混降温区
（3）为什么早期的燃烧室体积和长度都比现在燃烧室大？
p224
答：
早期的燃烧室容热强度（单位工作压力、单位燃烧室容积下，每小时燃烧的燃油所放出的热量）小，所以体积和长度大。
（燃烧室长度Lc：
所有的燃烧室都必须足够长到能容纳一个低速火焰稳定区和一个高速混合区，以降低出口温度分布。
燃烧室长度与火焰头部的比例（Lc/Hd）随着燃烧室技术的发展不断降低。
）
（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。
答：
（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。
答：
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：
（6）燃烧室的主要结构部分包括什么，各有什么作用？
答：
扩压器，降低压气机出口气流速度，恢复动压头，利于燃烧室组织燃烧
机匣：
用于安装火焰筒，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，机匣与火焰筒一起，构成环腔二股空气流动
喷嘴：
用于燃油雾化和空间分布
旋流器：
使气流旋转，产生中心回流区，强化稳定火焰燃烧过程
帽罩：
是空气按照环腔、头部所需量分股，流动不发生分离，减小流动损失
火焰筒：
燃烧室承温部件，火焰筒上开有各种孔，实现气流分量，在其间油气两相流稳定高效燃烧，并在下流与冷气掺混，满足出口温度需要，同时壁面采用有效地冷却保护措施，防止烧坏。
（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1.0325×105Pa，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？
答：
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
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
（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5
0％
1405
1365
1345
1495
1385
10％
1540
1520
1563
1583
1543
20％
1620
1608
1678
1628
1758
30％
1637
1767
1767
1687
1797
40％
1685
1793
1763
1693
1793
50％
1730
1814
1764
1714
1784
60％
1701
1927
1767
1727
1757
70％
1750
1831
1731
1851
1741
80％
1710
1760
1730
1810
1620
90％
1653
1643
1683
1763
1613
100％
1325
1385
1495
1555
1405
表习2
径向位置
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-0.03
-0.05
-0.05
0.02
0.05
0.075
0.09
0.095
0.07
-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？
（p223）
答：
慢车状态是发动机的最小稳定工作状态。
在发动机降工况时，需要减油门（燃烧室减油），而转子由于惯性，减速较慢，空气流量也降低的较慢，这样就出现了燃烧室贫油工作状态。
图8-4-4中虚线是燃烧室中油气比的变化过程，油气比不能低到进入图中的阴影区（贫油熄火边界），如果此燃烧室稳定性不好，油气比落在了阴影区，就出现了熄火，即所谓的空中熄火，属于重大事故。
军用航空涡轮发动机，f小于等于0.005，民用航空燃气涡轮发动机f小于等于0.007。
（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（1daN=10N（牛顿）daN是力的单位），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8－3所示，是一个额定推力50kN，总增压比为30的发动机在ICAOCAEP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,4.0min）
Approach
（30%Foo,26min）
Climb
（85%Foo2.2min）
Takeoff
（100%Foo0.7min）
Mf（kg/hr）
262
676
1620
1910
EINOx（g/kgfuel）
3.5
4.5
10
12
确定该发动机燃烧室的排放是否能够满足CAEP4的标准。
P229
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？
P283
答：
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？
p288
答：
优点：
可以在高压力和高温热应力下工作几千消失，而且冷却缝槽开可以减轻重量，并使火焰筒的机械强度得到加强；缺点：
壁温不均匀，在冷却气膜出口位置温度最低，在接近下一道气膜出口时温度最高。
所以从本质上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。
P289
答：
（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？
答：
加力燃烧室能使发动机在短时间内加大推力，增加飞行的机动性，使发动机取得高度速度优势，扩大飞行包线以及超声速飞行和其他作战需求，在短时间内得到最大推力以满足起飞、爬高、加速、追击等工作要求。
异同分析：
对于小涵道比军用涡扇发动机，通常的设计中，经过复燃加力后的燃气都要经过喷嘴排出，因此，首先是外涵通道与核心机通道气流混合，这个过程是主燃烧室所没有的。
扩压降速时，扩压器设计基本相同。
（1.5分）
其它的设计特点是相同的，但是具体的技术措施不一样。
燃油雾化，主燃烧室通常采用空气雾化喷嘴，离心喷嘴或蒸发管喷嘴（答出一种即可），家里燃烧室通常采用直射式喷嘴。
（1.5分）
低速区和回流区稳定火焰：
主燃烧室通常采用旋流器形成的回流区稳定火焰，而加力燃烧室通常采用钝体（或答v型槽，沙丘均可）形成回流去稳定火焰。
（1.5）
空气分股：
在主燃烧室中，由于燃烧的当量比低于煤油的化学恰当比，采用空气封股措施形成主燃区和掺混区，并形成火焰桶壁面冷却，以达到高效、稳定，高耐久性及符合涡轮要求的出口温度分布，而家里燃烧室中，为了追求最大的家里比，燃烧的当量比是接近煤油化学恰当比，主要的空气是用于参加燃烧，但是为保证加力燃烧室工作可靠性，少部分气流用于隔热屏的冷却。
（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？
答：
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？
答：
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，当妈棵树增加时，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？
答：
预燃室点火、热射流点火、催化点火和高能喷嘴直接点火。
（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？
答：
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。
答：
振荡燃烧又叫燃烧不稳定，是燃烧放热反应脉动引起的燃烧速度和释热率的周期性变化与燃烧室的声学特性发生共振而产生的不稳定燃烧现象。
原因：
从能量耗散角度而言，加力燃烧是在加力筒体内进行，在边界上缺乏声耗散机制（即缺乏减震机制，与主燃烧室不同），因此加力燃烧室易于发生振荡燃烧：
①存在着激发振荡的脉动源，如涡轮叶片旋转尾迹引起的流动和压力脉动，气流流过加力燃烧室内障碍物旋涡周期性脱落引起的压力脉动
②当脉动源的压力脉动频率和加力燃烧室固有频率耦合时，产生共振，压力脉动增加
③压力脉动引起加力燃烧室内物理过程的脉动以及化学反应过程的脉动，从而激发燃烧放热的脉动
④当放热脉动和压力脉动耦合时，气流脉动获得能量，压力脉动幅度增加，而压力脉动增加，又使放热脉动进一步增加
⑤随着压力脉动幅值增加，压力脉动机械能的损失也增大，直到激发振荡的能量与各种耗散能量相等时，压力脉动的幅值不再增加，达到饱和（振荡燃烧）。
措施：
①横向振荡燃烧抑制方法：
减小压力驱动能量，增加脉动机械能的耗散
②纵向振荡燃烧的抑制方法：
几何尺寸调整，燃烧规律调整
（22）了解沙丘驻涡火焰稳定器的稳焰机理和优点。
答：
稳焰机理：
①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；②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；③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？
P309
答：
、
、
、
、冒烟、
；
ICAO中规定的污染物有
、
、冒烟、
，其中衡量的关键指标是
；
能使人缺氧。
。
。
（24）与常规燃烧室相比，低污染燃烧室为什么能作到低污染？
答：
（随着汽轮机功率的变化，
和
具有相似的变化趋势，而
和冒烟的变化趋势相似，但与前两者相反）对常规燃烧室来讲，只能采取折中的办法，即不论燃气轮机的工作状态如何，控制燃气轮机主燃区的温度在1700-1900K内，4种污染物的生成量会保持在一个较低的水平。
因此，低污染燃烧的关键就是通过燃烧室结构的改进和供油供气方式的更改，将主燃区的温度控制在1700-1900K的窗口内，以降低污染物排放量
（25）分级燃烧室的种类及优缺点？
p325
答：
①周向分级，优点是在降低4种污染排放物的同时，也拓宽了贫油熄火边界，缺点是低功率时，不供油的喷嘴下游的低温区冻结了化学反应，降低了燃烧效率，也增加了
和
的排放量
②轴向分级（串联），优点：
主燃级点火顺利和快速；主燃级进口空气温度高，因此即使在当量比时，燃烧效率也较高；具有较好的径向出口温度分布、搞的燃烧效率，有利于延长涡轮的寿命；主燃级启动时无推力滞后；大功率时由于低当量比而降低了
排放；在大雨条件下，具有较高的工作稳定性。
缺点：
由于燃烧室轴向分布，导致长度增加；较大的火焰筒表面积需要更多地冷却空气；较多的燃油喷嘴杆壁干扰了外环腔流路；预燃级油路不能用于冷却主燃级油路
径向分级（并联）
（26）LPP、LDI、以及RQL的基本原理及优缺点？
P326
答：
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？
p234
答：
离心喷嘴：
借助燃油的压力使燃油雾化，燃油切向运动，受离心力，形成空心油膜，在表面力和气动力作用下失稳形成油雾
空气雾化喷嘴：
靠喷嘴的空气速度剪切油膜p244
甩油盘喷嘴：
燃油通过空心的中心轴，靠离心力从甩油盘上打的孔甩出
蒸发管喷嘴：
燃油从喷嘴喷出，部分喷射到蒸发管的高温壁面，另一部分与进入蒸发管的高温气流混合后随空气流动
（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？
p238
答：
空心涡：
①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；②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
（29）空气雾化喷嘴雾化颗粒度的主要影响因素有哪些？
（30）突扩扩压器的结构和性能有什么特点？
（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。
（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p263，流量系数的主要影响因素p264？
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？
p259
（34）燃烧室的流量分配根据什么来分配的？
p268
答：
对于空气雾化喷嘴
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
（35）不同当量比的主燃区燃烧性能有何特点？
（36）Lefebvre燃烧效率θ准则是如何推导的？
写出主要过程和假设。
（37）Lefebvre贫油熄火准则中，考虑了哪些影响因素？
（38）Lefebvre贫油点火准则为什么与贫油熄火准则类似？
（39）燃烧室内火焰辐射有什么特点？
（40）NOx的生成机理及影响因素是什么？
在航空燃气轮机燃烧室中，什么状态下NOx的排放高？
为什么？
燃烧室中未燃碳氢和一氧化碳生产机理及其影响因素？
什么状态下CO和UHC的排放高？
为什么？
燃烧室冒烟产生机理及其影响因素？
（41）航空燃气轮机燃烧室低污染排放的温度区间在什么范围，为什么这个区间能够实现低污染排放？
（42）为什么小涵道比涡扇发动机加力燃烧室需要软点火？
（题目中页码均是按照北航讲义的页码标注的，和新书的页码不一致）
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