火焰筒先進(jìn)熱防護(hù)技術(shù)發(fā)展及工程應(yīng)用分析

■ 林宏軍 遲雪 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

采用分級(jí)燃燒組織模式的高溫升和低污染燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒部件發(fā)展的趨勢(shì)，但隨之帶來了火焰筒頭部燃燒空氣量的增加和冷卻空氣量的大幅減少，為此，在工程設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)，或探索應(yīng)用具有更高耐熱能力的陶瓷基復(fù)合材料，提升火焰筒的耐溫特性，才能滿足低冷卻空氣量下的火焰筒熱防護(hù)設(shè)計(jì)和使用壽命的基本要求。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主燃燒室的工程設(shè)計(jì)向著高效率、長(zhǎng)壽命、高溫升以及低污染的方向發(fā)展。目前，軍用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和商用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室都取得了相當(dāng)驚人的發(fā)展。例如，F(xiàn)119、EJ200等軍用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的出口溫度已達(dá)到1850K，而采用高溫升燃燒組織模式的新型燃燒室溫升可達(dá)2100K甚至更高。GE90、GEnx、LEAP等商用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室則通過采用徑向、軸向分級(jí)等燃燒組織技術(shù)，獲得了較好的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和低污染特性。

目前，主流的高溫升和低污染燃燒室的工程設(shè)計(jì)中均采用了分級(jí)燃燒組織技術(shù)，隨之帶來了燃燒室頭部燃燒區(qū)所需空氣量的增加（部分民用低污染發(fā)動(dòng)機(jī)的頭部空氣流量占整個(gè)空氣流量的60%以上），而用于冷卻的空氣量大幅度下降（從占整個(gè)空氣流量的30%下降到20%左右甚至更低）。同時(shí)，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的提高，燃燒室進(jìn)口壓力和溫度逐步上升，用于火焰筒冷卻的來流空氣溫度也日趨增加。因此，火焰筒冷卻空氣量減少及冷卻空氣品質(zhì)的降低，使高溫升和低污染燃燒室火焰筒壁面熱防護(hù)問題變得越來越嚴(yán)峻和重要。

火焰筒熱防護(hù)設(shè)計(jì)的需求分析

在常規(guī)燃燒室中，火焰筒主要起到空氣分配器的作用，可將進(jìn)入燃燒室的空氣分成若干股，并將空氣分配到合適的位置來組織燃燒或冷卻火焰筒壁面。而在采用分級(jí)燃燒的下一代燃燒室設(shè)計(jì)中，燃燒室內(nèi)部的燃燒組織將逐步由頭部的空氣模塊（Air Module）來承擔(dān)，火焰筒工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是在確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，通過合理的空氣分配、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，在相應(yīng)的氣動(dòng)負(fù)荷下使火焰筒壁面獲得合理的工作溫度并確保燃燒室的耐久性，為燃燒提供有效的熱容空間。

隨著高溫升和低污染燃燒室火焰筒冷卻空氣量的減少和冷卻空氣品質(zhì)的降低，目前采用常規(guī)冷卻結(jié)構(gòu)的金屬材料火焰筒中空氣的冷卻效率已大幅減低，高溫升和低污染燃燒室的火焰筒壁溫已接近甚至超過現(xiàn)有金屬材料的長(zhǎng)期許用溫度；同時(shí)，分級(jí)分區(qū)燃燒也帶來了燃燒室火焰筒溫度梯度的增大，火焰筒在高溫下無法保持良好的結(jié)構(gòu)形面，甚至出現(xiàn)局部燒蝕的情況，火焰筒耐久性和燃燒室壽命大幅衰減。

解決上述問題主要通過兩種技術(shù)途徑：一是改進(jìn)火焰筒的壁面冷卻結(jié)構(gòu)，提升空氣的單位冷卻效率，確?；鹧嫱驳谋跍貪M足現(xiàn)有材料的長(zhǎng)期許用溫度；二是在火焰筒的設(shè)計(jì)中采用更高耐溫材料，提升火焰筒對(duì)燃燒溫度的耐受程度。由此可知，在高溫升燃燒室和低污染燃燒室火焰筒的設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)提升火焰筒冷卻效率，以及采用更高耐溫能力的新型材料替代高溫合金材料，增強(qiáng)火焰筒壁面的熱防護(hù)能力，已成為先進(jìn)燃燒室火焰筒工程設(shè)計(jì)的主要需求。

先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)火焰筒的工程應(yīng)用

目前，燃燒室火焰筒冷卻結(jié)構(gòu)已由純氣膜冷卻發(fā)展為多孔、沖擊、層板等高效冷卻方式或多種冷卻方式相結(jié)合的復(fù)合冷卻模式。但在工程設(shè)計(jì)中，火焰筒冷卻結(jié)構(gòu)的選擇仍需考慮制造、維修的復(fù)雜性，以及對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和成本產(chǎn)生的影響。為此，在燃燒室的設(shè)計(jì)中，通常需要針對(duì)火焰筒的工作溫度選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便的冷卻結(jié)構(gòu)。而浮壁式冷卻和多孔冷卻結(jié)構(gòu)是目前工程應(yīng)用較為成熟的火焰筒熱防護(hù)方案，同時(shí)結(jié)合新型耐溫涂層，可滿足高溫升和低污染燃燒室火焰筒耐溫設(shè)計(jì)的需要。

圖1 V2500發(fā)動(dòng)機(jī)浮壁式火焰筒和冷卻方式

圖2 “浮動(dòng)瓦片”的三維結(jié)構(gòu)圖

圖3 F119發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室浮壁式火焰筒

浮壁式冷卻結(jié)構(gòu)

浮壁式冷卻結(jié)構(gòu)首先由普惠公司應(yīng)用到V2500發(fā)動(dòng)機(jī)上（如圖1所示），其結(jié)構(gòu)通常由許多外壁環(huán)形段和隔熱環(huán)組成，其中環(huán)形段背向火焰的一面有對(duì)流散熱的凸環(huán)，并有能形成冷卻隔熱氣膜的縫隙。而隔熱環(huán)則由精密鑄造的浮動(dòng)“瓦片”（如圖2所示）組成，“瓦片”上合理地設(shè)計(jì)了繞流柱和防止周向空氣外泄的密封臺(tái)階結(jié)構(gòu)。V2500火焰筒的內(nèi)、外壁的隔熱環(huán)有5排“瓦片”，每排由10塊構(gòu)成，并用螺栓連接在環(huán)形段上，可以更換。

從冷卻方式來看：冷卻空氣從外壁環(huán)形段的冷卻孔進(jìn)入，首先沖擊到每排“瓦片”后部的高溫區(qū)背部，使其熱區(qū)溫度降低。接著冷卻氣流分為逆流向前和順流向后兩股，流過換熱面積增大許多的擾流柱縫槽，吸收“瓦片”基體上的熱量，然后又貼著“瓦片”的熱側(cè)壁面形成冷卻氣膜，其冷卻效率明顯高于純氣膜冷卻。因此浮壁式冷卻結(jié)構(gòu)具有節(jié)約冷卻用氣量、改善火焰筒壁工作條件、延長(zhǎng)火焰筒壽命、改善燃燒室溫度分布等特點(diǎn)。由于火焰筒采用浮動(dòng)“瓦片”結(jié)構(gòu)，為了保證沖擊孔與氣膜孔的位置不重疊，筒體沖擊孔和“瓦片”裝配定位孔的位置都要求非常精確，增加了火焰筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配的難度；同時(shí)，火焰筒“瓦片”結(jié)構(gòu)的剛性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給火焰筒的加工和維修帶來了很大困難；此外，浮壁式結(jié)構(gòu)帶來的燃燒室質(zhì)量的增加，也是燃燒室設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免的不利影響因素。

浮壁式冷卻結(jié)構(gòu)作為較為成熟并具有良好冷卻效果的火焰筒熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，陸續(xù)應(yīng)用到了F119軍用發(fā)動(dòng)機(jī)高溫升燃燒室，及PW4084、PW6000等民用發(fā)動(dòng)機(jī)上。在綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃下，普惠公司在F119發(fā)動(dòng)機(jī)的全環(huán)形燃燒室上驗(yàn)證了涂有碳化硅纖維增強(qiáng)的碳化硅（SiC/SiC）陶瓷基復(fù)合材料（CMC）涂層的浮動(dòng)“瓦片”和沖擊氣膜冷卻技術(shù)（如圖3所示）。而GE航空集團(tuán)則開發(fā)了采用SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的浮壁燃燒室火焰筒，并將其應(yīng)用到高溫升燃燒室設(shè)計(jì)中，在試驗(yàn)中，火焰筒壁在1480℃的壁溫下仍具有較好的耐熱特性，表明采用復(fù)合材料的浮壁式冷卻結(jié)構(gòu)的火焰筒具有更高的耐熱性能和工程應(yīng)用的潛力。

圖4 GE90采用多斜孔冷卻的火焰筒壁

圖5 GEnx采用多斜孔冷卻的火焰筒內(nèi)壁

多斜孔冷卻結(jié)構(gòu)

最初，多斜孔冷卻結(jié)構(gòu)常作為消除火焰筒局部壁溫過熱的優(yōu)化措施，如CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒在摻混孔后的火焰筒壁上設(shè)置的局部多孔冷卻結(jié)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)摻混孔后的局部熱區(qū)。通過多年的工程應(yīng)用，多斜孔冷卻結(jié)構(gòu)也作為成熟的冷卻方式被應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的冷卻設(shè)計(jì)中。例如，GE90的火焰筒設(shè)計(jì)中采用了復(fù)合角發(fā)散小孔冷卻結(jié)構(gòu)（如圖4所示），GEnx和LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)則采用了改進(jìn)開孔的多斜孔冷卻方式（如圖5所示）。此外，多斜孔冷卻結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于先進(jìn)燃燒室的預(yù)研過程中，在GE9X和F136發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室研發(fā)過程中作為冷卻方案使用。

多斜孔冷卻結(jié)構(gòu)是在火焰筒壁上采用電火花或電子束數(shù)控打孔（現(xiàn)在為了提高加工效率，已采用高能激光打孔）的工藝方法在火焰筒壁上開出大量密集、離散的傾斜小孔(小孔直徑一般為0.5～1.0mm，孔徑均小于壁厚)，以形成較強(qiáng)的內(nèi)部冷卻能力。從冷卻方式來看：冷卻空氣通過火焰筒上密布的傾斜小孔，以強(qiáng)制對(duì)流換熱的方式對(duì)孔壁進(jìn)行冷卻，隨后氣流噴射進(jìn)入火焰筒，并在火焰筒熱側(cè)壁面形成氣膜，將壁面與熱燃?xì)飧綦x。因此，多斜孔冷卻具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻效率高、冷卻空氣用量少（較常規(guī)氣模冷卻單位面積的冷卻空氣量減少40%）的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，因采用了大量?jī)A斜小孔，火焰筒的冷卻面積大幅增加，而孔后氣流的射流穿透深度卻很小，使冷卻氣流進(jìn)入火焰筒后隨密布小孔形成非常貼壁的全氣膜防護(hù)，避免了一般氣膜冷卻結(jié)構(gòu)后段冷卻效果降低的弊端，火焰筒壁面溫度梯度小，且冷卻空氣不會(huì)干擾火焰筒的內(nèi)部燃燒，易于保證燃燒性能。但多斜孔冷卻結(jié)構(gòu)火焰筒上的致密小孔的孔徑較小，如有積炭和吸入物堵塞，火焰筒則存在局部超溫，甚至燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)，因此，現(xiàn)在被更多地應(yīng)用在民用低污染燃燒室的設(shè)計(jì)中，而在復(fù)雜環(huán)境下工作的高溫升燃燒室的工程應(yīng)用仍需開展更加深入的驗(yàn)證。

多斜孔冷卻因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻效率高，在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用，后續(xù)結(jié)合熱障涂層技術(shù)，將進(jìn)一步提升火焰筒的耐溫能力。從冷卻效果、制造成本、加工和維修難度來看，該冷卻方式是未來高溫升和低污染燃燒室設(shè)計(jì)和加工中較為理想的冷卻方式之一。

除了上述冷卻結(jié)構(gòu)外，層板冷卻以及復(fù)合冷卻（如對(duì)流/氣膜冷卻、沖擊/氣膜冷卻，以及沖擊/對(duì)流/氣膜冷卻等）結(jié)構(gòu)，也可有效提高火焰筒壁面的冷卻效率，是潛在的火焰筒熱防護(hù)設(shè)計(jì)方案。但因相關(guān)冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來了制造成本、加工和維修難度的增加，部分方案出現(xiàn)燃燒室部件質(zhì)量的增加，或影響主流燃燒性能的情況。為此，在未來更高溫升或更依靠空氣模組織燃燒的低污染燃燒室工程設(shè)計(jì)中，仍需引入更加有效的火焰筒熱防護(hù)方案，提升火焰筒的耐溫能力。

圖6 碳化硅陶瓷基復(fù)合材料火焰筒內(nèi)襯

圖7 GE公司低污染燃燒室SiC/SiC火焰筒內(nèi)襯

圖8 碳化硅陶瓷基復(fù)合材料火焰筒

復(fù)合材料火焰筒的工程應(yīng)用

采用更高耐溫能力的新型材料替代高溫合金材料，是解決未來燃燒室低冷卻空氣量下火焰筒熱防護(hù)設(shè)計(jì)的有效技術(shù)途徑，甚至可實(shí)現(xiàn)無冷卻結(jié)構(gòu)下火焰筒的高耐溫能力。

目前，陶瓷是唯一可在1370 ℃條件下不需要冷卻的耐高溫材料，通過采取纖維增韌措施制備的纖維，如碳碳（C/C）或SiC/SiC纖維增強(qiáng)的陶瓷材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、抗氧化、耐高溫、低密度等特性，是最有潛力的高溫合金替代材料，可以應(yīng)用于高溫升或低污染主燃燒室火焰筒的設(shè)計(jì)和制造。如在CMC火焰筒設(shè)計(jì)中結(jié)合其他空氣冷卻方式（如多斜孔冷卻）將進(jìn)一步改善火焰筒的壁面溫度，提升火焰筒的耐久性，改善燃燒室的綜合性能。

從20世紀(jì)90年代開始，歐美以推力質(zhì)量比8～10∶1的航空發(fā)動(dòng)機(jī)為演示驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)CMC構(gòu)件進(jìn)行了大量應(yīng)用驗(yàn)證，表明陶瓷基復(fù)合材料可使中等載荷靜止件顯著減輕質(zhì)量，并提高工作溫度和疲勞壽命。

在陶瓷基復(fù)合材料的研究探索和驗(yàn)證方面，美國(guó)已通過多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)專項(xiàng)計(jì)劃開展了陶瓷基復(fù)合材料火焰筒的試制和工程應(yīng)用研究。在IHPTET研究計(jì)劃第2階段的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器（ATEGG）驗(yàn)證機(jī)XTC 76/3上，GE航空集團(tuán)和艾利遜先進(jìn)技術(shù)公司（AADC）使用從美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）使能推進(jìn)材料(EPM)研究計(jì)劃獲得的材料，開發(fā)并驗(yàn)證了Hi-Nicalo纖維增強(qiáng)（纖維占40%）的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料燃燒室火焰筒內(nèi)襯（如圖6所示）。該火焰筒采用二維編織技術(shù)，多孔冷卻，質(zhì)量減輕了30%，并在1200℃完成全生命周期工作5000h、高溫工作500h的試驗(yàn)驗(yàn)證研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，火焰筒可以承受1316℃的最高溫度，并大幅提升燃燒室的綜合性能。GE航空集團(tuán)通過TECH56計(jì)劃，在低污染燃燒室上驗(yàn)證了采用多斜孔冷卻的SiC/SiC火焰筒內(nèi)襯（如圖7所示）并進(jìn)行了燃燒室的性能考核，采用該火焰筒節(jié)約冷卻空氣 50%，質(zhì)量減輕了50%，減少NOx排放約為20%。

同時(shí)，法國(guó)賽峰飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（原斯奈克瑪公司）則首先開發(fā)了采用自愈合技術(shù)的新一代CMCEPCARBINOXR A500和 CERASEPR A410復(fù)合材料。使 CMC材料具有在高溫/應(yīng)力/氧化環(huán)境下自行生成玻璃相封填孔隙和裂紋的功能，可阻止氧化介質(zhì)擴(kuò)散至內(nèi)部損傷復(fù)合材料，有效地提升了陶瓷基復(fù)合材料工程應(yīng)用的可行性。在陶瓷基材料的工程應(yīng)用方面該公司基于CFM-56發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)開發(fā)了SiC/SiC和C/SiC陶瓷基復(fù)合材料火焰筒（如圖8所示），并已經(jīng)通過180h的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試（600循環(huán)，最大狀態(tài)100h），驗(yàn)證了陶瓷基復(fù)合材料在火焰筒上工程應(yīng)用的潛力。而日本則憑借SiC纖維制造和應(yīng)用能力，在本國(guó)的各項(xiàng)研究計(jì)劃的支持下，大量研究和開發(fā)了由CMC作為關(guān)鍵材料的燃燒室高溫部件。其中火焰筒部件（如圖9所示）在燃燒室出口溫度1837K的工作狀態(tài)下通過試驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)筒體出現(xiàn)損傷。

而在工程應(yīng)用方面，GE航空集團(tuán)首先在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)和GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖10所示）上也采用了CMC的火焰筒內(nèi)襯，并通過了適航取證試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該襯套在遠(yuǎn)超出實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件的動(dòng)態(tài)載荷水平測(cè)試下具有良好的力學(xué)性能，具備了工程應(yīng)用的條件。

從前期CMC的工程應(yīng)用探索來看，C/C、SiC/SiC復(fù)合材料火焰筒具有質(zhì)量輕，高溫性能好，可在1400～2000℃下具有更高的強(qiáng)度、模量和韌度，以及抗蠕變、耐熱沖擊的特性，是未來高溫升和低污染燃燒部件制造的首選材料。但由于CMC火焰筒的制造需要條帶編織預(yù)浸件，對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的燃燒室火焰筒加工難度大；材料機(jī)械加工技術(shù)相對(duì)滯后，易在切削力的作用下火焰筒構(gòu)件產(chǎn)生毛刺、分層、撕裂、崩邊等損傷，將影響加工質(zhì)量，甚至造成構(gòu)件的報(bào)廢。如何改善CMC的損傷包容特性，避免承載之后產(chǎn)生基體開裂和界面滑移帶來的斷裂破壞現(xiàn)象，以及如何采用涂層改善材料的性能降低C/C和SiC/SiC材料對(duì)氧化破壞的敏感度，已成為復(fù)合材料火焰筒設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)關(guān)鍵；此外，燃燒室金屬部件與復(fù)合材料火焰筒的連接亦成為復(fù)合材料火焰筒工程應(yīng)用推廣必須解決的問題。為了在火焰筒的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用中有效地使用CMC，仍需要針對(duì)材料特性、制備工藝、損傷修復(fù)和火焰筒的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等開展深入的研究。

圖9 日本研制的CMC火焰筒

圖10 GE9X的主燃燒室部件

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著高溫升和低污染燃燒室的技術(shù)發(fā)展，火焰筒冷卻空氣量減少、空氣品質(zhì)降低，火焰筒的熱防護(hù)設(shè)計(jì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

在短期內(nèi)，先進(jìn)耐熱材料的發(fā)展仍不成熟，火焰筒的熱防護(hù)設(shè)計(jì)仍然依靠高效冷卻結(jié)構(gòu)。多斜孔冷卻因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻效率高，將成為工程應(yīng)用較多的燃燒室火焰筒冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；浮動(dòng)壁、層板冷卻等復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)中需要充分考慮采用該結(jié)構(gòu)帶來的加工/維修難度和質(zhì)量的增加與冷卻效率之間的平衡，將主要應(yīng)用到工作環(huán)境惡劣的高溫升燃燒室設(shè)計(jì)中。而后續(xù)隨著高溫涂層技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)冷卻與涂層技術(shù)的有機(jī)結(jié)合將進(jìn)一步提升燃燒室的耐溫能力，滿足未來高溫升和低污染燃燒室的設(shè)計(jì)要求。

未來，隨著新型耐溫材料的發(fā)展，尤其是纖維增韌的性能的改善和發(fā)展，復(fù)合材料火焰筒設(shè)計(jì)、制備、修理技術(shù)的提升，將有效地推動(dòng)CMC在火焰筒設(shè)計(jì)和燃燒室部件制造中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)低冷卻空氣（或無冷卻空氣）下火焰筒耐溫特性的提升，確保先進(jìn)燃燒室部件的耐久性。