燃烧与燃烧室

《燃烧与燃烧室》
热能工程系
授课专用
9.0 Preface
Performances of combustor determined by: Fuel Atomization(燃油雾化) Combustor Aerodynamics（燃烧室空气动力学） Match of fuel droplets and air flow（燃油油雾与 空气流动的匹配） Combustion Performance（燃烧性能） Liner Cooling（壁面冷却）
y tan P1P2 ( y rn ) 2 rn2 y 2 2 yrn 2 z
P1P2 2 P2 C2 P1C2
P1P2 y
tan
y P1P2 v t 2 z z vu
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喷雾锥角
1 n vt v t ( r ) dm l ml r
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应用
• 早期的航空发动机, 例如 中国的 WP6, WP7, 美国 的J47,俄罗斯的 VK-1 等。 • 用作空气雾化喷嘴的一部 分, 例如 F101, F110, CFM56, GE90等。
离心喷嘴
美国 F110 美国 CFM56 中国 WP7 发动机
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雾化的需求
• Low susceptibility to damage 对制造和安装过 during manufacture and 程中的轻微损伤 installation 不敏感； • Low susceptibility to blockage 燃油受到污染和 by contaminants in the fuel 喷嘴表面积碳时 不易堵塞； and to carbon buildup on the nozzle face 受热时不易结焦； • Low susceptibility to gum 均匀的径向和周 formation by heat soakage 向燃油浓度分布。 • Uniform radial and circumferential fuel distribution
2C d sin 2 K (1 X )
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讨论离心喷嘴的喷雾锥角
110 100 90 80

Inviscid Theory
70 60 50 40 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Experiment
K'=As/DsDn
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Provide good atomization over a wide range of fuel flow rates Rapid response to changes in fuel flow rates Freedom from flow instabilities Low power requirements Capability for scaling, to provide design flexibility Low cost, light weight, ease of maintenance and removal for servicing
c
r
2m l rs (rn rc ) vt l A s (A n A c )
vt tan 2 vu
vt sin 2 v
ml v Cdl A n
sin
r A (r r ) vt 2C d s n n c 2 v A s (A n A c )
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Main contents of this chapter
Fuel Atomization（燃油雾化） Combustor Aerodynamics（燃烧室空气动力学） Fuel Dispersion（燃油散布） Combustion Performance（燃烧性能） Film Cooling（气膜冷却）
燃油压力和环境压力对离心喷嘴的喷雾锥角
在环境大气压力条件 下，喷射锥角几乎保 持不变 喷雾锥角随着燃油压 力以及环境空气压力 的增加而减小。
喷雾锥角减小对燃烧室性能的影响: 增加冒烟 出现热点
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离心喷嘴雾化
液体特性对雾化的影响: SMD 随着表面张力的增加而增大 SMD 随着液体粘性的增加而增大
• Cd的最后表达式为
Cd
1 X 3
1 X
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讨论 Cd
1.0
0.8
Inviscid Theory Experiment
0.6
Cd
0.4
0.2
0.0 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
K'=As/DsDn
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喷雾锥角
从几何角度:
v u ,c
ml vu l (A n A c )
1 A n rs 2 C d A s rc
An A A c n
2

2
vu constan t
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简化 Cd
• Cd 表达式:
1 A n rs 2 C d A s rc An A A c n
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离心喷嘴的流动特性
• 燃料以一定的切向速度进入最后的小孔 • 形成一片液膜同时在小孔下游形成一个空心油膜 • 液膜失稳破碎成液雾
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离心喷嘴喷雾的各个形态
扭曲的射束
洋葱型喷雾
郁金香型喷雾 充分发展的喷雾
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离心喷嘴的雾化
流量数:
FN ml Pl C d A n 2 l
离心喷嘴中 SMD 和喷嘴工作条件的变化之间的关系 SMD 随着流量数的增加而增大 SMD 随压降的增加而减小
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离心喷嘴的SMD经验关系式 离心喷嘴的平均液滴尺寸经验关系式如下所示 :
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2.0 前言
喷嘴的主要任务:
产生足够大的液滴表面积 在燃烧区中按要求分布液滴
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雾化的需求
• • • • • • 在宽广的流量范围内 提供良好的雾化； 快速响应燃油流量变 化； 与流动的不稳定性无 关； 耗能小； 可以缩放设计，提供 设计的灵活性； 低成本，轻重量，维 护容易，拆装容易；
Combustor operating conditions（工况） in the aircraft engine
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Fuel Atomization（燃油雾化） Combustor Aerodynamics（燃烧室空气动力学） Fuel Dispersion（燃油散布） Combustion Performance（燃烧性能） Film Cooling（气膜冷却）
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离心喷嘴的燃油流量流量
• 燃油流量 :
m l Cd l A n v
• • • • Cd: 流量系数 An: 喷嘴小孔面积 l : 燃料密度 V: 在特定的压降下流过小孔的速 度
• 重要的是计算 Cd
v
2Pl l
• 在特定的压降下的燃油流量:
m l C d A n 2 l Pl
m l Cd l A n v
v 2Pl l
m l C d A n 2 l Pl
Cd ml A n 2 l Pl
Pl
l v
2 u ,c
2

l v 2
2 t ,c
2 m r 2 l s l ml Pl A r (A A ) 2 l s c l n c
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Main kinds of atomizer
Airblast atomizer (空气雾化喷嘴)
Pressure swirl atomizer (离心雾化喷嘴)
Rotary atomizer (旋转喷嘴)
Vaporizer (蒸发管喷嘴)
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How to analyze the performances of combustor?
Multidisciplinary approach (多学科综合途径)
• Combustion, heat and mass transfer, aerodynamics, structure and material
应用
• 航空发动机发展到二十世 纪60年代, 例如 CF6-80, CFM56, GE90, PW4000, Trent, RB211, F100, F101, F404，F119，太 行……
空气雾化喷嘴
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应用
• 法国研制Turbomeca, 例如 Marbore, WZ8, WJ9, F402, WP11 etc
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vt
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燃料在离心喷嘴内的流动
• 燃料在喷嘴内部作旋转运动 • 燃料流速 可以当成一个轴向速度和 径向速度的叠加, 亦即:
vu constan t • When r 0 , v t ,
• 这不可能!
v t r constan t
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Chapter 9 Performances of Aircraft Engine Combustor
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Chapter 9. Performances of Combustor
§9.0 Preface §9.1 Fuel Atomization（燃油雾化） §9.2 Combustor Aerodynamics（燃烧室 空气动力学） §9.3 Fuel Dispersion（燃油散布） §9.4 Combustion Performance（燃烧性 能） §9.5 Film Cooling（气膜冷却） §9.6 Summary
甩油盘喷嘴
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应用
• 英国RR公司研制的发 动机, 例如 Mamba, Pegasus, RB199等
蒸发管喷嘴
RB199
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2.1 离心喷嘴
两种类型的离心喷嘴喷嘴
Simplex nozzle （单油路离心喷嘴）
Duplex nozzle （双油路离心喷嘴）
2
• 用最大流量原理假设

2
用简化的方式: Ac As 4A s X K An rs rn D s D n
2 d 1/ Cd 0 dX


• 因此
Cd 重新表述简化的方式: 1 1 1 2 2 2 Cd K X (1 X) 2
2K 2 X 2 (1 X) 3
怎样分析离心喷嘴?
工况: • 整个离心喷嘴的压降 范围
Operating conditions: • Pressure drop range across the swirl nozzle
设计目标: • 离心喷嘴的燃油流量 • 燃油雾化 • 喷雾锥角
Design goals: • Fuel mass flow rate range of the swirl nozzle • Fuel atomization • Fuel spray cone angle
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空心涡中心
r
Vt
P
• 降低压力将导致燃料蒸发; • 空心涡中充满了燃油蒸气同时空气混合物也必然存在; • 内表面压力和背压相等。
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v t r constan t
v t ,c v s rs m l rs rc l A s rc
Cd 计算