范文一：燃气轮机结构-燃烧室

第三章 燃气轮机

3.1 概述

（1） 燃烧室功用及重要性

1.保证燃机在各种工况下，将燃料化学能转换为热能，加 热压气机压缩的空气，用于涡轮膨胀做功。

2.燃烧室是燃机的主要部件之一，燃机的性能、可靠性、寿命 皆与它有密切关系 。

（2） 燃烧室的工作条件

①燃烧室在高温、大负荷下工作 ②燃烧室在变工况下工作

③燃烧室在具有腐蚀性的环境下工作

④燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过程 ⑤燃烧室中的燃烧在高速气流及贫油混合气情况下进行 （“空气分股”、“减速扩压”、“反向回流”）

（3）燃烧室的设计要求

① 不同工况下，燃烧室工作应稳定 ② 燃烧要安全 ③ 燃烧室具有最小的流体阻力 ④ 燃烧室出口温度场应能满足涡轮的要求 ⑤ 在任何使用条件下，燃烧室都应该迅速、可靠地启动点火，且联焰性好

⑥ 工作寿命长 ⑦ 燃烧室的尺寸和质量要小 ⑧ 排气污染应能满足国家标准要求 ⑨ 检视、装拆和维修应当方便

3.2三种基本类型燃烧室

的结构概述

（1） 分管燃烧室

1.结构特点

管形火焰筒的外围包有一个单独的壳体，构成一个分管，沿燃气轮机周围6-16

个这样的分管，各分管用传焰管连通，以传播火焰和均衡压力。

2.优点：

① 装拆、维修、检修方便 ② 因各个分管的工质流量不大，调试容易，实验结果比较接近实际

情况

3.缺点：

① 装拆、维修、检修方便 ② 因各个分管的工质流量不大，调试容易，实验结果比较接近实际

情况

（2）环管燃烧室

1 .结构特点 ：

若干个火焰筒均匀排列安装在同一个壳体内，相邻火焰燃烧区 之间用传焰管连通。

2.优点 ：

① 适合与轴流式压气机配合，布局紧凑、尺寸小、刚性小； ② 气流转弯小，流体阻力小，热散失亦小； ③ 调试比较容易，加工制造的工作量比分管小。 3.缺点：

① 燃烧室出口温度场沿周向不够均匀； ② 燃烧室的流体损失较大； ③ 耗费的材料、工时较多； ④ 质量较重。

（3） 环形燃烧室

1.结构特点 ：

内、外壳体与环管燃烧室类似，但火焰筒却有很大差别。在内外壳 体之间的环形腔中，布置了一个呈环形的火焰筒，即火焰筒内外壁 构成环形主燃区。 2.分类 ：

回流环形燃烧室 ；

直流环形燃烧室：全环形燃烧室 、带有单独头部的环形燃烧室 。

3.优点：

① 环形火焰筒制造简单，长度短，质量轻； ② 与轴流式压气机、涡轮配合方便，压力损失最； ③ 节约火焰筒冷却空气量约1/3； ④ 空间利用率最高，联焰性好。 4.缺点：

① 调试时需要大型气源； ② 火焰筒刚性差； ③ 燃料分布不均匀，组织燃烧困难； ④ 装拆维修困难。

3.3燃烧室基本构件的结构

（1）燃烧室基本构件的结构：

扩压器、燃烧室壳体、火焰筒、燃料喷嘴、点火装置 （2） 扩压器：

1. 功用：降低从压气机流出的气流速度，以利于燃烧的组织。 2. 分类：一级扩压器、二级扩压器、突然扩张式扩压器。

一级扩压器：压力均匀增加；总压损失小；流场均匀

二级扩压器：总损失不致很大，可缩短扩压器长度

突然扩张式扩压器： 长度很短，较少受到压气机出口流场的干 扰，总压损失偏大

(3)燃烧室壳体： 1.功用：

燃烧室壳体构成二股气流通道；在环管和环形燃烧室中，燃烧室壳体 由内外壳体组成，他们又是燃机的主要承力件。

2.燃烧室内壳体加强肋：

燃烧室内套很多采用由钣料冲压焊接的加强肋予以加强。为减轻质量，

在加强肋的辐板上可沿周向开许多减轻孔，在孔口处翻边加强。 3.燃烧室外套安装边结构 ：

（a）搭接滚焊形式，用的比较普通； (b)对接熔焊形式；

(c)搭接熔焊形式；它可以获得比滚焊更好的气密性；

(d)形式结构比较合理，因为焊缝远离安装边，可有效地减少焊接热影响

区对安装边造成的挠曲变形。

（4）火焰筒：

1. 组成：涡流器、火焰筒筒体、燃气导管等组成。 2. 涡流器：

①：功用：使高温燃气在火焰筒头部形成低速回流区，保证点火、

稳定燃烧和完全燃烧。

②：分类：无片式涡流器、叶片式涡流器（轴流式、径流式）。

叶片式涡流器

无片式涡流器利用喇叭形碗形、双锥形等非线性流体等产生低速回流区。

3. 火焰筒筒体：

筒壁的冷却方式有气膜式（如下图）和散热片式（已淘汰） (a)(b)为波形板气膜冷却结构；（c）为鱼鳞状缝隙膜冷却结构；(d)为双边冷却环；(e)为单边冷却环；(f)冷却环与缩腰小孔冷却气膜结构

4. 传焰管：

在分管和连管燃烧室中应装有传焰管，用来传递燃烧区之间的火焰并均衡火焰筒间的压力

（5） 燃料喷嘴：

1. 功用：将燃料雾化，加速混合气的形成，保证稳定燃烧和提高燃烧效

率。

2. 分类：离心喷嘴、气动喷嘴、蒸发喷嘴、甩油喷嘴。 3. 离心式喷嘴：

燃料以一定的压力切向进入内腔，如上图。在离心力的作用下，实

现雾化。

离心喷嘴可分为：双路双室双喷口喷嘴、双路双室单喷口喷嘴、双 路单室单喷口喷嘴

工作原理图及构造

5. 气动喷嘴：

利用压缩空气的吹散作用，实现燃油雾化。雾化质量的关键在于适 当控制雾化空气的流量和压力。

6. 蒸发管式喷嘴：

油气混合提前在蒸发管内进行，然后从蒸发管喷入火焰筒的主燃区 内，与大量空气混合后燃烧。

T型蒸发管的工作示意图

（6） 点火装置：

1. 功用：在燃气轮机启动时，向燃烧室提供初始点火火炬。 2. 分类：间接点火装置、直接点火装置。

3. 间接点火装置：实际上是小小燃烧室系统，现已基本不用

4. 直接点火装置：

利用高能电嘴产生的点火火炬直接点燃火焰管头部混合气体。 特点

：能量大、结构简单、工作可靠性好，应用广泛。

3.4 燃烧室结构的新发展

一、双环腔冲压进气的短环形燃烧室

二、单边进气的短环形燃烧室

三、涡流筒式燃烧室

四、可变几何形状的燃烧室

五、两级燃烧燃烧室

3.5燃烧室故障

1.积碳使火焰筒壁的金属表面和冷空气隔绝，并使壁面形成大面积的局部

过热。这将引起局部热应力，结果使火焰筒壁产生翘曲和破裂。

2. 发动机工作时，燃烧室外套、火焰筒各段以及联焰的焊缝和远离焊点

的不同部位上产生疲劳裂纹，是燃烧室至关重要的故障。

3. 由于温差大，在经受突然冷却的孔边上，以及离开孔的间壁上也可能

出现裂纹。

范文二：环形燃烧室燃气轮机

Annular Combustor Gas Turbine

环形燃烧室燃气轮机由轴流式压气机、环形燃烧室、轴流式涡轮组成。图1是环形燃烧室燃气轮机的外观图。

图1-环形燃烧室燃气轮机外观

燃气轮机的压气机转子与涡轮转子共用同一根转轴，一同组成燃气轮机转子，涡轮在向外部提供动力的同时也带动压气机一同旋转，图2是燃气轮机转子。

图2-燃气轮机转子

图3是燃气轮机剖面图，燃气轮机转子安装在机壳（气缸）内；在压气机与涡轮之间有环形燃烧室，燃烧室内安装环形火焰筒与多个燃烧器，由燃料管向多个燃烧器输送燃料。

图3-环形燃烧室燃气轮机外观

燃气轮机工作简单过程见图4：空气从进气口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；高压空气进入燃烧室，燃料与空气混合在燃烧室燃烧，产生高温高压燃气；高温高压燃气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。

图4-环形燃烧室燃气轮机气流走向

下面请观看环形燃烧室燃气轮机运转动画

范文三：燃气轮机性能分析报告2——燃气轮机燃烧室特性分析

动力与能源工程学院

燃气轮机性能分析 (报告二)

学 号:

专 业:动力机械及工程 学生姓名:

任课教师:

2010年 4月

燃气轮机燃烧室特性分析

一、概述

燃烧室是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备。 在整台燃气轮机中, 它位 于压气机与涡轮之间。 燃气轮机运行时, 燃烧室在宽广的工况范围内工作。 在燃 气轮机变工况的过程中,燃烧室进口的空气流量 a G 、温度 *2T 、压力 *2P 、速度 2C 以及燃油消耗量 f G 都会发生变化,这些变化反过来又会影响整台燃气轮机的性 能。 所以, 弄清燃烧室的变工况特性, 对整台燃气轮机的变工况运行有积极地意 义。

二、燃烧室特性参数

表征燃烧室性能指标的参数主要有燃烧室效率、 压力损失、 稳定性、 点火范 围、 出口温度分布和容热强度等, 但与燃气轮机变工况密切相关的参数主要是燃 烧室效率和压力损失, 前者直接关系到燃气轮机的燃料消耗量 (影响燃气轮机的 效率) ,而且还影响到流经涡轮的燃气流量;而后者直接影响到涡轮的膨胀比。

由于燃烧室内部燃烧过程的复杂性, 人们还不能全部用理论计算的方法给出 燃烧室效率和压力损失随工况的变化关系, 这些的关系式主要还是以实验为基础 的经验公式。

三、燃烧室效率的计算

由于燃烧室壁散热、 燃料燃烧不完全以及燃料产物的离解, 燃料的热值不能 完全利用。燃烧室效率 B η就是用来表征燃料燃烧完全程度的物理量。

燃料室效率的定义是燃油实际用于加热工质的热量与燃油完全燃烧时放出 的热量之比。

其表达式 **

3. 2. mg g ma a mf f

B mf u

q h q h q h q H η--=

式中:

ma q —燃烧室进口空气质量流量

mg q —燃烧室出口燃气质量流量 mf

q —燃油流量

*3. g

h

—燃烧室出口每千克燃气的焓

*2. a h —燃烧室入口每千克空气的焓

f

h —每千克燃油的焓

u H —燃油热值

在已知燃烧室结构尺寸的情况下, 燃烧室主要与燃烧室进口压力、 进口温度、 进口速度和油气比(余气系数)有关,因此燃烧室效率应该具有以下形式

**222(, , , ) B f T P c f ηα=或

由定性分析可得,随着 *2T 增加,燃烧室效率逐渐增加,在达到一定温度后, 效率基本保持不变。 这是因为在温度较低时, 燃料与空气的热交换和质量交换不 够充分, 即燃烧不够充分。 温度的升高对燃料的燃烧过程有改善作用, 但温度增 加到某一值后, 燃烧室中混流区的影响远远大于温度提高的影响, 所以效率不再 明显变化。 *2P 对燃烧室效率的影响比较显著,随着进口压力的提高,燃烧室效 率明显提高。这是因为进口压力越高,化学反应速率越高,火焰传播速度越快, 因此效率也越高。 2c 对燃烧室效率有着负影响, 随着入口速度的增加, 其效率显 著下降。这是由于 c2增加后,燃油在燃烧室内停留时间缩短,火焰未燃烬物容 易被吹向燃烧室的后段, 造成燃烧不完全。 此外, 对于一定的油气比或余气系数, 燃烧室效率存在极大值。 大于或小于这个油气比或余气系数, 燃烧室效率都将降 低。图 1— 3分别放映了效率和余气系数、入口滞止压力、入口速度和滞止稳定 的关系。

图 1 燃烧效率特性

图 2 η

B 与

P 2的关系

(a ) (b)

图 3 ηB -T 2和 ηB -C 2关系曲线图

而跟据现有的燃烧室试验数据,已总结出如下函数关系式:

()

2

175

2

T

.

m m

B

a

p A D e

f f

G

ηθ

??

==

?

??

式中:θ— 效率相似准则, 2

175

2m m

a

T

.

p A D e

G

θ=;

m

A — 燃烧室最大截面积;

m

D — 燃烧室最大截面直径

只需在不同的空气流量和进口压力下,测定几个

B

η值就可以画出一条 ()

B

f

ηθ

=的曲线,然后就可以推广应用到任意的入口温度、入口压力和入口流

量的情况下,来求取相应的

B

η值,

四、总压损失的计算

气流流过燃烧室时,总压损失由以下几个部分组成:

1) 扩压器中的流动损失。 它包括摩擦阻力和扩张角过大引起气流脱离的流动 阻力;

2) 气流流过燃烧室各部件时的流动损失。包括气流经头部装置 (扰流器或燃 烧碗等 ) 的压力损失及流经壁面进气孔或缝隙时的压力损失;

3) 进气射流与火焰筒内主流之间的混合损失;

4) 气流通过通道内各种障碍物 (支板、 档板、 喷嘴等 ) 所产生的附加压力损失;

5) 气流加热时,由于气流密度的变化所引起的热阻损失。

上述的燃烧室中五个部分的压力损失归纳起来可以分为二大类:一类是流动

阻力损失

L

φ;另一类是热阻损失

H

φ。燃烧室的总损失

B

φ可由以上两类阻力损失

相加获得

B L H

φφφ

=+。

流动阻力损失的可由下式定义:

23

2

2

22

L p p c

φρ**-=

式中 2p *

— 燃烧室入口处空气的总压; 3

p *

一燃烧室出口处燃气的总压; 2c — 燃烧室入口处空气的平均流速;

2ρ— 燃烧室入口处空气的密度。

但试验表明:在燃烧工况下, 燃烧室的流阻损失系数 L φ可以表示为如下的函 数关系,即

330022, 1L T T f K T T φφφ****????

==+- ? ?????

式中 0φ— 燃烧室冷吹风试验时的流阻损失系数;

K — 反应燃烧室结构差异的常数;

图 4 某型燃烧室流阻损失系数 L φ随 32

T T *

*的变化关系

而热阻损失可由下式计算:

2

32

1m H f T A b T A ξ*

*????=- ?

? ?

????

在设计工况点,燃烧室的压力损失大约为燃烧室进口压力的 1~7%;而在非 设计工况点, 燃烧室的压力损失随着燃烧室内的流量、 温度和压力的变化而变化, 并且可由下述公式计算:

2() d P

P P ?=

参考文献

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[5] 李涛,王德慧,李政 . 船用分轴燃气轮机主要部件变工况性能的初步研究 [J].汽轮机技术, 2004, 46(5):365-368

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[7] 刘喜超 . 单轴燃气轮机动态仿真 . 重庆大学硕士学位论文 [D].2006 [8] 宇震林,全宏许,高恩刘,燃气轮机燃烧室 [M].国防工业出版社, 2008 [9] 余景文,空气喷气发动机的燃烧室 [M].国防工业出版社, 1959

范文四：燃气轮机燃烧室中的管路设计

燃气轮机燃烧室中的管路设计

赵传亮,尚守堂,马宏宇,柴 昕

,中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳

110015,

摘要,燃气轮机燃烧室中的管路主要用于供油、引气和测试等,其重要性往往易被忽视,而成为故障易发部位。为了提高燃气 轮机燃烧室管路部件的可靠性,从实际应用出发,分析总结了燃烧室的管路设计中需要考虑的管路材料、直径以及壁厚的选择,形状 的确定,相配件的热膨胀协调、卡箍与支架的设计,振频及动应力计算与测试,焊接方式的选择与工艺控制,后期校形控制等主要因素。 通过对以上各设计细节的控制,可以从根本上解决管路易出现的各种问题,降低燃烧室管路故障发生的概率。

关键词,管路,设计,故障,燃气轮机,燃烧室

中图分类号V2,35.1 文献标识码A ,doi,

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.05.008

Design of Pipelines for Gas Turbine Combustor

ZHAO Chuan-lian， gSHANG Shou-tan，g MA Hong-yu， CHAI Xin

(AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute, Shenyang )110015, China Abstract: Pipelinesin combustor are usedfor fuel supply,air bleeding and testing. The importanceof the pipeline in combustoris often neglected, which usually causes combustorIn order to failure. increase the reliability of combustor pipelines, whenpipelines designing of a combustor, the key factors were analyzed and summarized according to the experience of practical applicatiobe n. More attention should

paidto the following aspects, such as the selectionof materia l, pipelin’s diameteerwall, thickness, the shape definition, thermal expansion

coordination, the designof clampand bracket,the calculationand testingof vibration frequencyand dynamic stresthes, selectionof welding, the controlof welding procedure, the controlof pipelines shape adjustmen， etc.t All kindsof problems happened on pipelinescan be fundamentally avoided. The probability of combustor pipelinewill be reducedfailurein this way by controlling the designdetails.

Key words: pipeline; design; failure; gas turbine;combustor

量作为产品质量的根源,占有更为重要的地位。 0 引言

本文针对燃气轮机燃烧室管路设计时需要考虑 燃气轮机燃烧室中的管路主要用于供油、引气和

的诸多问题展开论述,以期对该管路设计产生一定的 测试等,其工作特点是温度高、压力大,有时需要穿越 指导作用。 燃烧室机匣、外涵等部件,决定了在设计燃烧室管路

1 影响因素 时需要特别考虑一些问题。根据近年来航空发动机及

地面燃气轮机燃烧室研制的经验表明,往往是一些不 燃烧室的管路设计中需要考虑的管路材料、直 易引起重视的管路在燃烧室的使用中较易发生故障。 径以及壁厚的 选择 、形状 的确定 、相配 件的热膨胀 某型发动机燃烧室近年来发生2 起较大的的 故障均 协调、卡箍与 支架的设计 、振频及动 应力计算与 测 是管路故障,且均反复多次。出其现中 1 起是燃油管 试、焊接方 式的选择与 工艺控制 、后 期校形控 制等 路的裂纹故障,影响了正常的试车、试飞乃至型号的研 主要因素。

制周期。其原因既有设计问题也有生产与装配质量的 1.1 管路材料的选择

控制问题,这些问题交织在一起,相互影响,但设计质 随着发动机循环压比的增大,进入燃烧室内的气

收稿日期,1203-10-07 基金项目,燃气轮机工程研究项目资助

作者简介,赵传1亮9,76,,男,硕士,高级工程师,从事航空发动机主燃烧室设计工作E-mail,zcl606@,qq.com。

引用格式,赵传亮,尚守堂,马宏宇,等. 燃气轮机燃烧室中的管路设计[J]1.4 ,航空发动机40,5,,39-44,,Z20HA OChualinang,SHAN GShoutang,

MA Hongyu,el.t D aesign ofp ipelines for gas tuirnbe combusotr[J]. Aeroengine,2014,40,5,,-3944,

40 航 空 发 动 机 40 卷 第

[6]。例如某型发动机在外场试飞过程中发生燃油分流温度和压力也在逐渐提高,在燃烧室内参与工作的 率 管路所承受的温度和压力负荷也相应增大,因此要根 管焊缝裂纹故障,经分析认为裂纹故障产生的原因之 据燃烧室的使用工况选择相应的管路材料。 一是由于燃油分管手工取样尺寸不准确,致使在组件

在燃烧室内工作的管路的材料不仅要有良好的 中装配时需要进行大量校形,结果在焊缝处产生了较 高温强度以及持久、蠕变性能,还要有良好的高温抗 大的装配应力,在工作过程中装配应力与动应力叠 氧化、抗腐蚀能力,同时也要考虑到塑性以及质量、成 加,致使燃油分管出现裂纹。故障发生后,设计人员向 本等问题。此外,管路选材时也不能盲目追求高强度, 生产厂提供了由电子样机取样形成的管路坐标值,生 部分高强度材料的塑性较差,如果管路装配时对中性 产厂按这些坐标值生产出的管路形状准确,基本不需 不好,会在管路根部产生较大的装配应力,极易导致 校形就可进行焊接、装配,大大提高了生产效率,减小 管路在工作时发生断裂,因此,管路选材时要在强度 了故障发生的概。率因此,通过采用 C/CAADE 和 与塑性之间进行合理的折衷考虑。 CAM技 术,增强燃烧室管路设计的可靠性和维护性,

一般而言,燃烧室管路设计可优1选8N 0i9C,r 提高燃烧室的设计水平。

GH625,GH53等6 常用材料。 1.5 热膨胀协调设计

1.2 管路直径的选择 由于燃烧室上的管路经常需要穿过燃烧室机匣、

通常根据管路的用途选择相应的直径。一般而 外涵等部件,而燃烧室机匣以及外涵的温差较大,比 言,燃烧室内引气管路内径应保证最大引气状态下的 如推比 8 一级军机外涵与燃烧室机匣的温差可能达 引气量,并且管路损失需要满足相关部门提出的损失 到300? 以上,如果在设计时没有考虑热膨胀问题, 控制要求,燃油管路的直径应保证管路内的燃油流速 而未采取相应的补偿措施,那么如果管路同时穿越了

燃烧室机匣和外涵机匣,在管路工作时必定会在其轴 不能过大,以免产生太大的流阻损失,而使燃油泵负

荷过大,燃油或引气管路内流阻可通过试验或计算方 向和径向热膨胀量不一致而承受额外的载荷,可能导

[1]致管路或与其相配件提前失效。 法确定,测试用管路直径不宜过大,以减少测试响应

时间,但要保证足够的强度及刚度。 为了解决上述问题,首先合理地选择管路以及与 1.3 管路壁厚的选择 其相配件的材料。充分考虑管路和相配件的工作温度

和材料的线膨胀系数,尽可能保证相配件在工作时热 在管路设计时,应根据其使用条件以及所选择的

膨胀量一致,其次设法降低管路的刚性。某型发动机 材料选择适当的壁厚。过厚会增加发动机的质量和制

造难度,过薄会增大发生故障的概率。可以根据管路 燃烧室中使用的测压管路进行拉伸时,管路应力分布 内压、直径以及管路材料的许用应力进行估算来确定 情况如图 1、2 所示,分别表示的是管路上面的安装座

受拉变形位移为 0.4 壁厚。壁厚应最终选取工程上常用的尺寸系列或与制 mm的变 形、应力分布情况。此时 造方协商后确定,以便于管路材料采购。 管路根部的最大静应力达到 342.a。3 MP1.4 管路形状的确定 4.025e-001 传统的管路生产需要在发动机其他零组件加工 3.659-e001

完成后再取样,导致管路的生产必然会受到发动机其 3.293-e001

2.827-e001 他零组件的制约,往往成为最后交付。的随着组件 3D 2.562-e001

技术的不断发展,在计算机内进行精确3 维建地模 并 2.196e-001

1.830e-001 排布管路已成为现实,文献[2-5]介绍了管路数字化 1.464-e001 设计的一些方法。目前,常用的3 维建模软件有 UG、 1.098e-001

7.319e-002 CATIA、Pro/E 等,可以在设计之初就建立起燃烧室电 3.659-e002 子 3 维模型,并对管路进行排布,改变了设计人员的 0.000-e000 设计方法和思维方式,能帮助设计者更准确地了解空 图 1 受拉变形位移为0.4 mm的变形分布 间位置、形状尺寸,避免了传统手工取样周期长、管形

不准等弊端,可以大大缩短生产周期,提高设计成功

41 赵传亮等,燃气轮机燃烧室中的管路设计 第 5 期

燃烧室燃油分管的形状分别如图4~9所 示。从图中可 3.423e+002 见,不同型号发动机燃烧室的燃油分管形状千差万

3.112e+002 别,但无一例外地都有意加长管路的长度,以降低其 2.901e+002 刚性,减小应力,来提高使用寿命。 2.490e+002

2.79e+002 1

1.957e+002

1.556e+002

1.245e+002

9.337e+001

6.224e+001

3.112e+001

8.400e+005

图 2 受拉变形位移为0.4 mm的应力分布

该管路的使用温度约为 ?60,0如果 采用 GH536

[7]管材,则在 600 ?时的 б=270 MPa,=б655 MPa。此 0.2b图 4 OLYMPUS 593 发动机燃烧室的燃油分管形状 时管路的静强度安全系数 n=0.8,n=1.9,所以在不 0.2b

考虑动应力的情况下,管路的强度储备已经不足。换 言之,如果上述管路2 个 安装座之间的装配误差或热 膨胀差达到 0.4 mm,管路将无法正常工作。

为了解决装配或热膨胀带来的应力问题,在国内 外发动机管路设计中最通用有效的办法是设法降低管 路的刚性。设计时可以适当增加管路的长度,以补偿管 路工作时两端可能出现的相对位移,降低管路应力。

将图 1 中的管路加长约30 m后m的 应力变化情况 如图 3 所示。从图 3 中可见,在变形量同样为m m0. 4 图 5 V2500 发动机燃烧室的燃油分管形状

的情况下,管路的最大应力由2 的图 342.3 MPa下 降 为图 3 的 237.3 MPa,降低了30.7% 。可见将管路加长 后,其承受的最大应力显著减小。此时管路的静强度 安全系数 n=1.14、n=2.76,分别比管路加长前提 高0.2b

了 42.5%和 4.35%。

2.373e+002

2.157e+002

1.941e+002

1.726e+002

1.510e+002 图 6 CFM56-7 发动机燃烧室的燃油分管形状 1.294e+002

此 外 , 还 可 采 用 柔 性 管 路 来 降 低 其 刚 性。 1.078e+002

8.628e+001 АЛ-31Ф 发动机从燃烧室上引出2 的根管 ,其中间 6.471e+001 有 1 段采用金属软管结构,如图10 所 示。采用金属软 4.314e+001

2.157e+001 管的燃油分管如图11 所示,该结构形式的燃油分管

1.405e+00 4尚未在正式商用发动机中使用,应该是未来发展方向

图 3 管路加长后受拉变形量为0.4 mm 时的应力分布 之一。在 Trent 90发动机0 燃烧室中采用的橡胶外皮

的燃油分管如图 12 所示。该燃油分管形式新颖,首次 协 和 号 客 机 配 装 的 Olympus 593、V2500、

用于商用发动机中,值得国内借鉴。 CFM56-、7PW4000、PW6000和 俄罗斯某型发动机的

42 航 空 发 动 机 第 40 卷

图 11 采用金属软管的燃油分

管

图 7 PW4000 发动机燃烧室的燃油分管形状

图 12 Trent 900 发动机燃烧室的燃油分管

另外还可以采用浮动配合结构降低相配件的工作 压力。对于军用涡扇发动机而言,由于燃烧室上的燃 油、测试以及引气管等管路都需要通过外涵机匣引到 图 8 PW6000 发动机燃烧室的燃油分管形状

发动机外部,而燃烧室与外涵机匣在工作时存在一定 的轴向和径向相对位移,必须采取相应的措施,以防止 发动机工作时管路与外涵机匣出现干涉而产生应力。 目前,较为通用的措施是在管路上采用浮动配合结构。 1.6 卡箍与支架的设计

振动是影响管路寿命非常重要的因素之一,而管 路系统中卡箍与支架的设计,如数量、位置、刚度等, 对管路系统振动的影响非常大。因此,管路设计中对

图 9 俄罗斯某型发动机燃烧室的燃油分管形状 卡箍和支架给予足够的重视,对管路系统的振动特性 ,如固有频率和应力等,分析具有重要工程意义。

早期发动机上的卡箍多采用钢制件,中间加钢垫作 为阻尼元件,如1图3 所示。但由于该结构减振效果较 差,发动机振动对管路的影响较大,目前基本不使用。

现在民机上使用最广泛的卡箍是带有减振橡胶 或氟塑料的钢卡箍,如 GE90、CFM56-7和 Trent80 0 发动机上所用的卡箍,如图14~ 16 所示。

根据航展资料АЛ,-31Ф 发动机外部管路上普 遍使用了 1 种带有金属毡结构的卡箍。该金属毡是由 金属丝经过螺旋成型,再相互缠绕最后模压而成的阻 图 10 АЛ-31Ф 发动机使用的金属软管

43 赵传亮等,燃气轮机燃烧室中的管路设计 第 5 期

[15]尼衬垫,其阻尼性能好、抗高温、不易老化,且具有质 频、振型、动应力等进行测量。如果测量结果不令人

量轻,可调节刚度等优点,在燃烧室的管路卡箍设计 满意,可通过改变管路的形状、支架与卡箍的位置等

[16]时也可考虑使用。 来调整管路的自振频率和动应力。

1.8 焊接方式的选择与质量控制

燃烧室内的管路总数虽不是很多,但其形状大多 比较复杂,焊缝数量也比较多。同时,也由于其形状复 杂,造成管路成形困难以及一些自动焊设备无法使 用,而手工焊往往大大增加了焊缝潜在缺陷存在的可 能性。根据相关资料报道,某涡扇发动机燃油总管上 图 13 OLYMPUS 593 发动机 14 GE90 发动机上 图 的钎焊缝共有 90 余处,某涡喷发动机燃油总管上的 使用的卡箍及垫片所用卡箍氩弧焊缝共有 120 余处,某在役发动机燃油总管上的 焊缝共有 100 余处。这 3 型发动机的燃油总管在使用 中,无一例外地在重要试飞、试车过程中发生过燃油 管路焊缝裂纹故障,对型号的研制进度均产生了重大 影响。因此,从设计角度对焊缝质量进行严格控制是 燃烧室管路设计中极其重要的方面。

16 图 图 15 CFM56-7 发动机上 Trent 800 发动机上 ,1,根据管路系统结构特点选择合适的焊接方。 法

所用卡箍所用卡箍由于真空钎焊的焊接应力小、焊缝质量好、生产效率 高等优点,对于焊缝较多的燃油管路焊接来说应是较 另外,文献[8]介绍1了 种新 型的带垫卡箍结构,

好的选择,但在焊料的选择上一定要慎重,以预防在 具有减震、防火性能好、耐老化和装配方便等优点。在

使用过程中发生焊缝裂纹故障。另外,由于一些焊料 燃烧室内的卡箍设计时也可借鉴使用。

对钎焊间隙要求较高,在钎焊时应根据焊料特点选择 现代燃烧室管路设计时也可考虑采用有限元法

合适的钎焊间隙,以保证焊接质量。对于一些能采用 辅助进行卡箍设计。文献[9]介绍了针对航空发动机管

自动焊接设备或不适宜采用钎焊的管路来说,采用氩 路系统中不同卡箍的结构特点,对其刚度系数进行有

弧焊也是很好的选择。总之,在燃烧室管路设计时应 限元计算和试验测定的方法。文献[10]分析了简化管 路

根据其特点以及各种焊接方法的优缺点选择合适的 系统模型的固有频率特性以及其与导管卡箍固定位置

焊接方法,否则不但不能发挥各种焊接方法的优点, 的对应关系,给出了导管卡箍固定间距的安全范围。

反而容易给生产及使用带来诸多隐患。 除了以上提到的卡箍设计外,在进行燃烧室上的

,2,加强焊接质量控制。在设计初期,设计人员就 支架设计时,应尽量简单,且自身要有足够的刚度,最

要对重要的焊缝提出明确的质量控制要求。除了常规 好在机匣的安装边或座上固定支架,尽量不要将其固

的 X 光、荧光以及打压试验外,对重要焊缝还要有相 定在部件上,以免在发动机工作时影响管路的定位。

应的金相检查、疲劳试验以及定期检查要求等。 1.7 振频以及动应力控制

1.9 校形控制 管路设计必须从结构上防止出现高周疲劳,并保

由于管路生产的特殊性,很多管路在装配时都要 证有足够的低循环疲劳寿命。而为了防止高周疲劳主

进行校形。然而,由于工人的技术水平各不相同,在校 要是使管路的自振频率错开发动机的特定频率。

形过程中极易造成管路以及焊缝内残余大量的应力, 另外,燃烧室管路的自振频率还应避免落在燃烧

在管路工作时就很可能发生故障。某型发动机多次出 室声激振的高能量区,管路的最大振动应力应小于同

现过从燃烧室引出的测压管的断裂故障,其原因均与 种结构管子疲劳极限的1/3。 为达到以上要求,对管路

不规范的校形有很大关系。所以在设计文件中对管路 的振动特性分析以及进行相关试验是必不可少的,其

的装配要提出严格的要求,对校形次数、校形位置、管 中包括振频和振型的计算,如简化估算、有限元分析

[11-13][14]路在自由状态下与在安装状态下的错移量等进行限 等,、响应分析、寿命预估等,以及对管路的 振

44 航 空 发 动 机 第 40 卷

版社,2001,227. 定。另外,一般情况下,均要求管路安装自如,徒手能

YUAN Xiaoling. China aeronauitcal mateirals handbook 拧动外加螺母螺纹长度的 2/3 多,校正导管时,应采 ,Second o lvume,[M. ] Beijing,China Standard Press, 1200, 取措施,严防应力传至焊缝。 227.(i n Chinese )

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范文五：【知识讲解】燃气轮机燃烧室

燃烧室在燃机中的作用：

1将天然气与空气混合后燃烧，生成的燃烧产物送入压气机中做功

2控制燃烧温度

3控制燃烧产物的温度使其能满足透平第一级做功的温度需求

燃烧室的燃烧方式：

1扩散燃烧：扩散燃烧时始终满足过量空气系数=1,燃烧火焰温度高，燃烧稳定，产生的NOx 多由催化剂还原，

2预混燃烧：在预混燃烧时过量空气系数可根据燃烧温度的需要进行调节，燃烧温度可控，较扩散燃烧，不如扩散燃烧时稳定，但能控制NOx的生成。

以GE机组为例：

GE机组使用的是分管式燃烧室，每个燃烧室都有五个喷嘴，每个喷嘴上都有扩散燃烧和预混燃烧的管线。

图上为一个喷嘴的结构图。

一部分燃气进过扩散通道进入喷嘴，在B处与空气边汇合边燃烧，此时为扩散燃烧。

一部分冷却空气从喷嘴的中心通过各结构，给各结构进行冷却后在B处参与燃烧。

另一部分燃气进入预混燃气通道，在A处和压气机的排气进行混合，然后在B处燃烧，此时为预混燃烧。

压气机的一部分排气进入喷嘴后，首先对燃料喷嘴组件进行冲击冷却，再逆流向前在A处前端的开口和燃气混合。

燃烧室有三根管线供燃料，分别是D5 ，PM1，PM4管线。

D5管线给燃烧室的每个燃烧喷嘴的扩散通道提供燃料。

PM1给每个燃烧室中的一个燃烧喷嘴的预混燃气通道提供燃料

PM4 给每个燃烧室中的四个燃烧喷嘴的预混燃气通道提供燃料。

燃烧的方式有扩散燃烧，次先导预混燃烧，和预混燃烧

在扩散燃烧时，D5管线供燃气，PM1，PM4不供燃气。此时在B出口只有扩散燃烧的燃气，其余的管线出来的均为空气。

在次先导预混燃烧时，由D5管线，PM1管线供燃气，PM4管线不供气，此时只有扩散燃烧，和一个喷嘴进行预混燃烧，其余喷嘴的预混燃气通道在B出口均为空气

在预混燃烧时，由D5管线，PM1，PM4管线供燃气，此时五个喷嘴均有扩散燃烧和预混燃烧。

后来经过改进变成下图

将PM1移至中心位置，并去除中心喷嘴的扩散燃烧管线。此时周围五个喷头既有扩散燃烧过线又有预混燃烧管线，而中心喷头只有预混燃烧管线。

这样扩大了预混燃烧的工作区间在次先导预混燃烧时产生的有害物质会减少。

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