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航空发动机主燃烧室设计 版权信息
- ISBN:9787030743817
- 条形码:9787030743817 ; 978-7-03-074381-7
- 装帧:一般胶版纸
- 册数:暂无
- 重量:暂无
- 所属分类:>
航空发动机主燃烧室设计 内容简介
本书基于航空发动机主燃烧室利益相关方的各类需求,给出了燃烧室的设计要求,全面介绍了航空发动机主燃烧室的设计流程和设计方法,包括航空发动机主燃烧室的总体、气动热力、扩压器、旋流器、燃油喷射及热防护、火焰筒、机匣和点火等方面的设计流程与具体设计方法。另外,本书还介绍了航空发动机主燃烧室的常用材料、加工工艺、试验验证以及数值仿真等方面的内容。
航空发动机主燃烧室设计 目录
涡轮机械与推进系统出版项目 序
“两机”专项: 航空发动机技术出版工程 序
序言
前言
第1章燃烧室设计基础
1.1燃烧室功能和结构001
1.1.1航空发动机对飞机的主要作用001
1.1.2燃烧室功能002
1.1.3燃烧室构成和设计边界003
1.2燃烧室类型004
1.3燃烧室研制流程005
1.3.1概述005
1.3.2民用航空发动机主要研制阶段的燃烧室研制活动006
1.3.3基础研究、预先研究和型号研制的关系008
参考文献010
第2章燃烧室设计要求
2.1燃烧室利益相关方011
2.2燃烧室需求捕获和分解012
2.3燃烧室设计要求和接口013
2.3.1燃烧室气动热力学参数和其他相关接口013
2.3.2性能要求015
2.3.3结构要求023
2.3.4强度和寿命要求024
2.3.5通用质量特性要求026
2.3.6其他功能要求027
2.3.7客服要求027
参考文献029
第3章燃烧室总体设计
3.1概述030
3.2燃烧室类型030
3.2.1按照发展历程分类030
3.2.2按照气流流动方式分类031
3.3设计输入034
3.4燃烧室气动热力学参数计算035
3.4.1燃烧室设计点035
3.4.2燃烧效率035
3.4.3压力损失036
3.4.4流量系数037
3.4.5流量分配037
3.4.6流程参数040
3.4.7火焰筒壁温计算040
3.4.8出口温度分布040
3.4.9污染排放041
3.5燃烧室总体尺寸确定043
3.5.1参考截面尺寸043
3.5.2燃烧室长度(容积)044
3.5.3喷嘴(头部)数目044
3.6燃烧室主要结构方案设计044
3.6.1机匣承力方式045
3.6.2火焰筒安排、定位与支撑045
3.6.3燃油喷嘴和总管的安装048
3.6.4点火系统050
3.7准则和经验规律051
参考文献051
第4章扩压器设计
4.1概述052
4.2扩压器设计要求053
4.3扩压器参数054
4.4扩压器类型及应用范围058
4.5流线型扩压器设计063
4.5.1等压力梯度型面设计063
4.5.2等速度梯度型面设计068
4.5.3阻塞面积修正070
4.5.4边界层修正071
4.5.5扩压器出口转接072
4.6突扩扩压器设计074
4.6.1突扩扩压器设计流程074
4.6.2前置扩压器设计076
4.6.3突扩段设计077
4.6.4计算步骤078
4.7多通道扩压器设计079
参考文献081
第5章旋流器设计
5.1概述082
5.2旋流器介绍082
5.3旋流器设计要求084
5.4旋流器设计参数084
5.5旋流器设计流程085
5.6旋流器设计方法086
5.7旋流器设计准则和经验规律088
参考文献088
第6章燃油喷射系统设计
6.1概述090
6.2燃油喷射系统设计要求090
6.3燃油喷射系统设计输入091
6.4常用喷嘴093
6.4.1离心喷嘴094
6.4.2直射式喷嘴104
6.4.3空气雾化喷嘴113
6.4.4甩油盘116
6.5喷嘴热防护119
6.5.1概述119
6.5.2喷嘴热氧化结焦的危害122
6.5.3燃油结焦机理123
6.5.4热氧化结焦沉积的影响因素126
6.5.5热氧化结焦预测模型134
6.5.6喷嘴热防护方法138
6.5.7喷嘴热防护设计要求143
6.5.8喷嘴热防护设计参数143
6.5.9喷嘴热防护设计流程144
6.6活门设计145
6.6.1平衡燃油重力活门145
6.6.2副油路定压开启活门145
6.6.3主油路节流活门146
6.7喷嘴调试146
6.7.1喷嘴流量调试试验146
6.7.2喷嘴喷雾锥角调试试验147
参考文献148
第7章火焰筒设计
7.1设计输入154
7.2火焰筒开孔设计154
7.2.1火焰筒开孔布局154
7.2.2二次进气孔设计156
7.2.3冷却孔设计157
7.3火焰筒结构设计158
7.3.1火焰筒头部结构158
7.3.2火焰筒筒体结构159
7.4火焰筒强度和寿命分析161
参考文献162
第8章机匣设计
8.1概述163
8.2部件介绍163
8.2.1扩压器163
8.2.2外机匣164
8.2.3内机匣164
8.3设计要求165
8.3.1接口设计要求165
8.3.2气动设计要求165
8.3.3强度设计要求165
8.3.4刚度设计要求165
8.3.5成熟度设计要求166
8.3.6材料设计要求166
8.3.7热态设计要求167
8.3.8工艺性设计要求167
8.3.9防错设计要求167
8.4设计流程168
8.5设计输入与输出168
8.5.1方案设计阶段设计输入与输出168
8.5.2技术设计阶段设计输入与输出169
8.5.3工程设计阶段设计输入与输出170
8.6设计方法170
8.6.1机匣轮廓线确定170
8.6.2机匣选材设计172
8.6.3机匣结构设计178
8.7准则和经验数据179
8.7.1安装边设计179
8.7.2安装座181
8.8试验验证要求183
8.8.1静强度试验183
8.8.2疲劳强度试验184
第9章点火方案设计
9.1点火原理及方案185
9.1.1点火过程185
9.1.2点火原理186
9.1.3*小点火能量186
9.1.4点火方式188
9.2点火性能及其影响因素190
9.2.1点火性能190
9.2.2点火性能影响因素191
9.3点火设计192
9.3.1点火特性计算192
9.3.2点火器选择及布局194
9.4新型点火方法195
9.4.1多通道表面等离子体点火器195
9.4.2多通道等离子体合成射流点火器197
参考文献200
第10章燃烧室常用材料和工艺
10.1概述202
10.2主燃烧室对材料和工艺的要求202
10.2.1主燃烧室对材料的要求202
10.2.2主燃烧室对工艺的要求203
10.3主燃烧室常用材料204
10.3.1镍基高温合金204
10.3.2铁基高温合金206
10.3.3钴基高温合金206
10.3.4不锈钢206
10.3.5陶瓷基复合材料207
10.4主燃烧室主要工艺208
10.4.1数控加工208
10.4.2精密铸造208
10.4.3钣金成型208
10.4.4电火花加工209
10.4.5涂层工艺209
10.4.6渗层工艺210
10.4.7镀层工艺210
10.4.8电解加工211
10.4.9真空钎焊211
10.4.10真空电子束焊211
10.4.11氩弧焊212
10.4.12惯性摩擦焊213
10.4.13喷丸214
10.4.14磨粒流214
10.4.15抛光215
10.4.16清洗215
10.4.17增材制造215
参考文献216
第11章燃烧室试验验证
11.1概述217
11.2燃烧室试验类型及方法217
11.2.1试验类型218
11.2.2试验方法219
11.3元组件试验221
11.3.1扩压器试验221
11.3.2喷嘴试验224
11.3.3头部流场和雾化试验228
11.3.4传热试验229
11.4模型燃烧室试验230
11.4.1单头部燃烧室试验230
11.4.2多头部燃烧室试验232
11.5全环燃烧室试验238
11.5.1全环燃烧室试验件设计238
11.5.2全环燃烧室试验设备及试验238
参考文献240
第12章燃烧室数值仿真
12.1概述241
12.1.1燃烧室工作特点241
12.1.2燃烧室研发体系242
12.1.3燃烧室研发特点242
12.2数值仿真在燃烧室研发中的地位与作用242
12.2.1数值仿真在燃烧室气动热力设计中的作用244
12.2.2数值仿真在燃烧室传热设计中的作用247
12.2.3数值仿真在燃烧室结构设计中的作用247
12.2.4燃烧室数值仿真体系建设248
12.3燃烧室两相湍流燃烧数值仿真理论和方法249
12.3.1流体控制方程249
12.3.2数值求解方法250
12.3.3湍流模型251
12.3.4雾化模型254
12.3.5蒸发模型261
12.3.6燃烧模型265
12.3.7化学反应机理272
参考文献275
航空发动机主燃烧室设计 节选
第1章燃烧室设计基础 1.1燃烧室功能和结构 1.1.1航空发动机对飞机的主要作用 飞机主要依靠机翼产生的升力克服重力实现空中飞行,图1.1是飞机机翼上下型面气流流动示意图。从图中可以看出,空气在机翼上下型面流过,在机翼尾缘汇合。其中,黑色实线是机翼上型面空气流动路径,黑色虚线是机翼下型面空气流动路径。从机翼剖面形状可以看出,机翼上型面做成向上突出的形状,机翼下型面更加平直。显然,空气在上型面流经的路程要比在下型面流经的路程长,因此在上型面的空气被迫以较快的速度流过。当气流流过机翼时,沿上型面的流速快,沿下型面的流速慢。根据流体力学中的伯努利定律,流速快的地方压强低,流速慢的地方压强高。这样流过机翼上下型面的气流流速不一致,使作用在机翼上下型面上的压强出现差异(下型面压强大、上型面压强小),这个压强差值作用在机翼上形成一个向上的力,即升力[1]。只要机翼与空气之间有相对运动,空气就能为机翼提供升力。 发动机是飞机获得向前飞行速度的动力来源。飞机飞行时推力的来源如图1.2所示,图中给出了两种推力形式: 对于喷气式飞机,发动机直接将吸入的气流加速后向后喷出,气流会产生一个向前的反作用力加载在飞机上;对于螺旋桨飞机,是由发动机带动螺旋桨转动使空气加速产生向后的流动,气流反作用力加载在螺旋桨叶并传递到飞机机身上。当向前的反作用力大于飞机飞行的阻力时,就可以推动飞机向前飞行。 需要说明的是,上面介绍的例子是针对固定翼飞机的,如果是直升机,飞行原理则大不相同。直升机主要依靠高速旋转的旋翼产生向上的升力,再加上飞行姿态控制旋翼升力有一个向前的分力,实现直升机的向前飞行。现代直升机一般采用的是涡轴发动机,其提供的输出功率驱动旋翼高速旋转。 不论是固定翼飞行器(如飞机)还是旋翼飞行器(如直升机),都依赖航空发动机产生的机械能来驱动空气流动产生的反作用力作为动力。 1.1.2燃烧室功能 航空发动机产生推力的原理是: 将进口大气环境的空气作为工质,加入能量之后使空气通过尾喷管高速排出,以获得飞机向前的推力。 航空发动机产生推力分为四个步骤,进行简化后的航空涡轮发动机理想热力循环过程示意图见图1.3[2]。第1步是发动机压缩部件(风扇、压气机)将进口空气进行压缩以提升总压;第2步是燃烧室注入燃油与空气混合并燃烧,将燃油化学能转化为燃气热能,这个过程总压略微降低;第3步是燃气在涡轮中膨胀,燃气热能转化为机械能,可以驱动压缩部件;第4步是剩余燃气的能量在尾喷管继续膨胀做功,高速气流向后喷出的同时产生向前的反作用力。 从上述热力循环过程可以看出,燃烧室的作用主要是将燃料的化学能转化为热能,对做功的工质进行加热。随着航空发动机技术的发展,对推重比(军机)、耗油率(民机)的要求越来越高,循环参数水平也越来越高,其中燃烧室出口温度(也称为“涡轮前温度”)是一项重要指标。 发动机的涡轮部件限制了燃烧室的出口温度,燃烧过程并未将核心机(由压气机、燃烧室和涡轮组成)空气中的氧气全部消耗(用于热端零件冷却的空气通常占核心机总空气流量的20%以上),这也导致核心机气流工质的做功能力并未得到充分利用。军用航空发动机往往需要在一些场合(如短距起飞、作战机动等)增加发动机推力,此时可以在涡轮后、尾喷管前设置一个额外的燃烧室,注入额外的燃油燃烧来提高气流的总焓,从而增加发动机推力,这个额外的燃烧室称为加力燃烧室。为了与加力燃烧室进行区分,涡轮上游的燃烧室称为主燃烧室。由于民用航空发动机没有加力燃烧室,所以本书介绍的内容对于军机和民机有通用性,为了便于阅读,本书统一用“燃烧室”字样。 由于加力燃烧室设计的考虑因素和主燃烧室差别较大,所以本书内容聚焦于主燃烧室的设计,读者可以参阅其他资料了解加力燃烧室的设计知识。1.1.3燃烧室构成和设计边界 经过几十年的发展,航空发动机燃烧室的结构形式基本相同,一般由以下几大组件构成:外机匣、内机匣、扩压器、喷嘴、前封严环和火焰筒。不同的发动机,对燃烧室单元体的划分略有差异,例如,有的发动机将内机匣和涡轮一级导向器合起来作为一个大组件,划分给高压涡轮单元体;有的发动机将前封严环划分给燃烧室单元体。图1.4是一种常见的航空涡轮发动机燃烧室结构组成示例,图中灰色区域是燃烧室设计覆盖的范围,由图可以看出,该例中前封严环和内机匣均不在燃烧室单元体中。 除了几何边界,燃烧室还需要定义气动边界。燃烧室进口用“3截面”表示,此处“3截面”指的是扩压器进口的位置;对于压气机末级导叶(outlet guide vane, OGV)和扩压器非一体化设计,“3截面”指的是OGV出口。燃烧室出口用“4截面”表示,这里指的是火焰筒出口位置,也是高压涡轮**级导向器前缘位置,通常说的燃烧室出口温度或者涡轮前温度就是指这个位置的平均燃气总温,用Tt4表示。图1.4中燃烧室气动范围标识的灰色区域前后两个分界面,就是“3截面”和“4截面”的位置。 燃烧室是航空涡轮发动机必不可少的一个部件,其功能就是把燃料中的化学能经过燃烧释放出来转化为热能,生成的高温燃气是涡轮和尾喷管膨胀做功的工质,*终将热能转化为机械能,用于不同类型的飞机产生动力。 1.2燃烧室类型 按照燃烧室横截面上火焰筒和机匣排布形式的差异,燃烧室分为三种类型:单管燃烧室、环管燃烧室以及环形燃烧室[3]。 图1.5是单管燃烧室示意图,从燃烧室剖面图来看,单管燃烧室由多个筒状的火焰筒和机匣组成,每个火焰筒独立放置于机匣内,每个火焰筒之间用联焰管相连。在早期的航空发动机中,单管燃烧室得到了广泛应用,因为其优点是研发时间短和研发经费少,只需要把每个火焰筒的燃烧场调试好就可以根据发动机推力大小增加或者减少火焰筒数量。单管燃烧室的缺点是: 采用独立的单管火焰筒和单管机匣,导致燃烧室长度和重量非常大,并且燃烧室出口的燃气在周向非常不均匀,因此现代航空发动机很少使用单管燃烧室。 随着技术的发展,出现了将多个火焰筒放在同一个筒状机匣内的环管燃烧室,其示意图见图1.6。环管燃烧室相比于单管燃烧室减少了零件数量和重量,并且在研发过程中也只需要对一个火焰筒进行设计和验证,继承了单管燃烧室的一些优点,也是环形燃烧室出现之前得到广泛应用的构型。采用环管燃烧室的第二代发动机主要有通用电气公司的 J73和J79发动机、普惠公司的J57和J75发动机及罗罗公司的康维(Conway)、奥林巴斯(Olympus)和斯贝(Spey)发动机。 随着技术的发展,现代燃烧室基本采用了更加先进的环形燃烧室,其示意图见图1.7,这是航空涡轮发动机燃烧室的理想形式。由于避免了不同独立火焰筒之间的流动、掺混和燃烧联焰问题,环形燃烧室结构更加紧凑,气动上更加顺畅,流动损失更小,燃烧场更加均匀。不过环形燃烧室也存在一些缺点,如大尺寸环形薄壁火焰筒的结构强度不如单管火焰筒、全尺寸燃烧室试验对气源要求更高等。20世纪70年代以后的航空发动机绝大部分采用了环形燃烧室的构型,如通用电气公司的CF6、CFM56、GE90和F110发动机等,普惠公司的JT9D、F100和F119发动机等,罗罗公司的RB211和Trent系列发动机等。 1.3燃烧室研制流程 1.3.1概述 航空发动机是现代工业发展过程中诞生的有代表性的复杂系统,由于周期长、风险大、投入高,所以具有极高的研制门槛。现代航空发动机的研制对基础学科、工业水平以及综合国力的要求极高,在全球范围内呈现出典型的寡头垄断格局,目前仅美国、英国、法国、俄罗斯和中国具备完整的航空发动机研发能力,比较有代表性的民用涡扇航空发动机主制造商又以美国两家公司(通用航空发动机公司和普惠公司)和英国一家公司(罗罗公司)为主,此外还有以上三家公司组建的国际合作公司,如CFM国际公司(美国的通用航空发动机公司和法国赛峰集团公司合资,具有代表性的发动机有CFM 56系列和Leap系列)、国际航空发动机(International Aero Engines,IAE)公司(美国的普惠公司、英国的罗罗公司、日本的航空发动机公司和德国的MTU公司合资,代表性发动机为V2500)和发动机联盟(Engines Alliance, EA)公司(通用航空发动机公司和普惠公司合资,代表性发动机为GP7000系列)。 燃烧室作为航空发动机的关键部件之一,研制流程是伴随着发动机整个研制过程而制定的,因此本小节介绍的燃烧室研制流程中的一些阶段描述与整个发动机的研制流程是匹配的。 军用航空发动机和民用航空发动机的研制虽然在使用对象和管理机关部门要求上存在一些差异,但是在一些基本理念上比较类似,如按阶段管理研制活动、重视设计要求和需求、试验验证分层级等。本小节以民用航空发动机燃烧室为例介绍产品型号燃烧室的研制活动。 1.3.2民用航空发动机主要研制阶段的燃烧室研制活动 民用航空发动机的研制主要分为以下几个阶段:需求分析和定义阶段、概念设计阶段、初步设计阶段、详细设计与初始验证阶段、验证与确认阶段、产品交付和服务支持阶段、产品退役阶段等。其中,体现燃烧室设计研制活动的主要是前五个阶段,下面分别对其进行具体介绍。 1)需求分析和定义阶段 整机在需求分析和定义阶段的主要工作是分析需求并立项,具体包括:分析发展规划、市场需求及潜在客户,识别利益相关方,编制商务需求文档(business requirement document,BRD);收集利益相关方的需求,形成产品的系统需求文档(system requirement document,SRD);分析项目周期、资源和经费需求,完成项目建议书编制并提交上级机关管理部门;论证关键技术并提前开展研究工作。 为了支撑整机论证立项和需求分解,燃烧室要对型号技术指标中与燃烧室相关的内容进行评估,论证其可行性,提出燃烧室的研制思路,并识别可能用到的新技术,如新材料、新技术、新工艺、新设计等。 一般在型号立项之前,燃烧室应该已经开展了一些预先研究,对整机技术发展趋势进行了前瞻性的探索,如军机关注高温升,民机关注低污染排放,在新一代发动机参数水平下,燃烧室的气动热力设计和结构方案需要采用哪些新的技术,这些新的技术一般会安排一些理论分析以及耗费不大的模型试验件进行验证。一旦型号要进行立项,这些预先安排的研究工作将是论证整机技术方案可行性的重要依据,也会为后面阶段的工作奠定基础。 需求分析和定义阶段燃烧室研制工作的输出包括:燃烧室方案论证报告、
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