加力燃燒室一體化設(shè)計

■ 林爽 吳榕 鄭睿書 / 廈門大學(xué)

未來的航空發(fā)動機在推力質(zhì)量比、緊湊性、隱身性、結(jié)構(gòu)可靠性、燃油利用率等一系列指標(biāo)上較傳統(tǒng)發(fā)動機都會有顯著提升，而發(fā)動機加力燃燒室一體化設(shè)計是實現(xiàn)上述目標(biāo)的重點研究方向。

特定的航空發(fā)動機無法在整個推力范圍內(nèi)都具備優(yōu)良的性能。例如，飛機起飛時需要比巡航時大許多的推力，若按照起飛推力設(shè)計發(fā)動機，則該發(fā)動機質(zhì)量將會過大，而在巡航時發(fā)動機因處于非設(shè)計點狀態(tài)，性能會很差；若按照巡航推力設(shè)計發(fā)動機，則會導(dǎo)致飛機無法正常起飛。解決上述問題的措施之一是在發(fā)動機的燃?xì)鉁u輪與噴管之間增加加力燃燒室，在短時間內(nèi)大幅度提升發(fā)動機推力。盡管加力燃燒室的質(zhì)量只占發(fā)動機的1/5左右，但推力可以增加60%以上。目前，世界各國新一代軍用發(fā)動機基本都采用了帶加力燃燒室的結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

雖然加力燃燒室可以極大地提升發(fā)動機的性能，但也存在不少問題：加力燃燒室入口處氣流溫度已經(jīng)超過1300K，燃燒室內(nèi)火焰穩(wěn)定器與噴油桿等部件的使用壽命和可靠性受到很大的挑戰(zhàn)，且燃油在高溫下自燃的問題也有待解決；由于加力燃燒室大多用于軍機，對隱身性能要求很高，而傳統(tǒng)加力燃燒室的火焰穩(wěn)定器與噴油桿并無專門冷卻裝置，這使得軍機的隱身性大打折扣；傳統(tǒng)加力燃燒室的火焰穩(wěn)定器增加了發(fā)動機的質(zhì)量，且因為安裝于高溫氣流中會導(dǎo)致氣流阻塞，產(chǎn)生一定的總壓損失。針對上述情況，可以通過加力燃燒室各部件的一體化設(shè)計來融合各部件功能、減少零件數(shù)量、減輕質(zhì)量、減小流動損失，使得加力燃燒室可以更加穩(wěn)定和高效地工作。

圖1 軍用發(fā)動機開加力狀態(tài)

圖2 傳統(tǒng)加力燃燒室示意

加力燃燒室一體化設(shè)計現(xiàn)有方案

傳統(tǒng)加力燃燒室主要由擴壓器、混合器、點火裝置、噴油桿、火焰穩(wěn)定器、預(yù)燃室、隔熱屏、燃油總管等部件組成（如圖2所示）。渦輪排出高溫氣流與外涵道空氣進入加力燃燒室，通過混合器混合形成壓力、速度、溫度均勻的氣流；氣流通過擴壓器增壓減速，與燃料摻混后在點火裝置和火焰穩(wěn)定器作用下被點燃；已燃?xì)饬飨蚯盎亓?，點燃后續(xù)油氣混合物，使得加力燃燒室內(nèi)氣體充分燃燒，達到增加噴氣速度與推力的目的。目前已有的加力燃燒室一體化設(shè)計方案可根據(jù)不同部件的組合大致分為以下幾種。

圖3 改進型“擴壓器+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計示意

圖4 預(yù)冷卻渦輪發(fā)動機與其加力燃燒室示意

“擴壓器+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計

這種方案的特點在于取消了傳統(tǒng)加力燃燒室的V形火焰穩(wěn)定器，利用駐渦理論（氣流經(jīng)過驟然擴張的管道或凹腔時會形成穩(wěn)定旋渦）設(shè)計了一種內(nèi)突擴的擴壓器，既能起到對高溫氣流增壓減速的作用，也能實現(xiàn)氣體穩(wěn)定燃燒。該擴壓器在中心錐后布置凹腔結(jié)構(gòu)形成內(nèi)突擴，同時沿壁面縫隙引入外涵道低溫氣流，在降溫的同時可以使內(nèi)外涵道混合氣流形成兩個不重疊的旋渦，且中心旋渦為高穩(wěn)定性的強力旋渦，火焰前鋒足以點燃整個加力燃燒室。該方案雖然沒有傳統(tǒng)火焰穩(wěn)定器，但是燃燒穩(wěn)定性高且流動損失低且在結(jié)構(gòu)上也有優(yōu)勢：由于無火焰穩(wěn)定器以及部分連接零件（如后伸內(nèi)錐等），點火裝置得到充分簡化，加力段的軸向長度和直徑都減小，且噴油裝置和加力燃燒室壁面距離更近，流阻也相應(yīng)降低?？傮w看來，這種“擴壓器+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計加力燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量較輕，在小涵道比、高推力質(zhì)量比的軍機上有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

另外一種“改進型擴壓器+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計方案（如圖3所示），則將燃油管分布于擴壓器的整流支板中，在支板后設(shè)置火花塞，并在內(nèi)錐上設(shè)計突擴結(jié)構(gòu)，取消火焰穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)。內(nèi)錐突擴結(jié)構(gòu)穩(wěn)定中心火焰、凹腔支板穩(wěn)定徑向火焰、混合器既混合內(nèi)外涵道氣流也可穩(wěn)定軸向火焰。同時，該方案為在降低流動損失與提高燃燒性取得最優(yōu)，只對1/3的整流支板做截錐處理。

“噴油桿+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計

將傳統(tǒng)加力燃燒室的噴油桿和火焰穩(wěn)定器進行一體化設(shè)計，能夠起到縮短點火時間、加快燃油霧化與蒸發(fā)、增加噴油桿與穩(wěn)定器的使用壽命和可靠性、降低流動損失等的作用。目前較為典型的方案包括瓦迪亞（Wadia）等在2001年提出了一種“噴油桿+穩(wěn)定器”一體化的設(shè)想。該火焰穩(wěn)定器與噴油桿融合后采用徑向V形槽分布，在加力狀態(tài)下可以充分引出已燃高溫氣體，使得整體氣流在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定燃燒；在無加力狀態(tài)下，能起到摻混作用，加強外涵道氣流與內(nèi)涵道氣流的混合。此外，法國斯奈克瑪公司研制的M88-3發(fā)動機的加力燃燒室也采用了“噴油桿+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計。其穩(wěn)定器采用徑向分布，內(nèi)置噴油桿、空氣導(dǎo)管與隔熱板，通過外涵道空氣進行冷卻，在穩(wěn)定火焰以及避免振蕩燃燒方面都有較好成效。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）近些年在研發(fā)的預(yù)冷卻渦輪發(fā)動機（PCTJ）加力燃燒室（如圖4所示）也采用了“噴油桿+穩(wěn)定器”的一體化設(shè)計。該方案將噴油桿安裝于火焰穩(wěn)定器中，縮短了加力燃燒室的長度，提高了燃燒效率，該發(fā)動機擬用于馬赫數(shù)（Ma）為2的飛機上。

圖5 一種新型混合器、擴壓器與穩(wěn)定器一體化設(shè)計示意

圖6 克萊門茲設(shè)計的一體化加力燃燒室示意

“混合器+擴壓器+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計

由歐洲4國聯(lián)合研制的加力渦扇發(fā)動機EJ200的加力燃燒室采用了“混合器+擴壓器+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計。其設(shè)計的環(huán)形穩(wěn)定器分布于混合截面之前，具有混合氣體功能：外涵道氣流通過穩(wěn)定器外側(cè)，內(nèi)涵氣流通過穩(wěn)定器內(nèi)側(cè)；同時該穩(wěn)定器可以對內(nèi)涵道高溫氣流進行增壓減速，實現(xiàn)3種部件的一體化。EJ200加力燃燒室一體化設(shè)計縮短了發(fā)動機的長度、減輕了發(fā)動機的質(zhì)量，并降低了流動損失，是EJ200發(fā)動機提高綜合性能的重要基礎(chǔ)。

另一種新型“混合器+擴壓器+穩(wěn)定器”一體化設(shè)計加力燃燒室（如圖5所示）則取消了混合器和穩(wěn)定器，使用凹腔分流環(huán)對內(nèi)外涵道氣流進行混合（利用了凹腔處低速回流的聯(lián)焰作用），使用分布在擴壓器內(nèi)的內(nèi)部中空截尾支板穩(wěn)定火焰（利用了支板尾部低速回流的穩(wěn)焰作用），帶直壁式擴壓器的中心錐能夠降低內(nèi)涵道氣流速度、阻力損失以及增大壓力，穿過外涵道的點火裝置分布在凹腔頂端，噴油桿近距匹配安裝在支板前，噴油方式為順噴。該方案可以提高發(fā)動機的推力質(zhì)量比和空間利用率，提高加力燃燒室耐高溫性，并且將燃燒核心區(qū)位置前移，提升發(fā)動機的隱身性能。另外順噴噴油桿與支板近距匹配，能夠使燃油在支板表面上霧化形成油膜，并在支板尾部和凹腔前部二次霧化，提高燃油利用率。

“渦輪后框架+加力燃燒室”一體化設(shè)計

將發(fā)動機“渦輪后框架+加力燃燒室”一體化設(shè)計是目前較為主流的一種設(shè)計方案。該方案最早是在美國國防部綜合高性能渦輪發(fā)動機（IHPTET）計劃中被提出，其特點在于取消了擴壓器和穩(wěn)定器，在渦輪后框架上設(shè)置多功能整流支板，提高了發(fā)動機的結(jié)構(gòu)緊湊性，使得發(fā)動機的長度減小、質(zhì)量減輕。

20世紀(jì)90年代，克萊門茲（Clements）提出了“渦輪后框架+加力燃燒室”一體化的具體設(shè)計（如圖6所示）。該方案將整流支板置于渦輪后框架中，支板外表面呈流線型，內(nèi)部分布燃油管道，支板后方安裝壁式穩(wěn)定器。流線型支板/穩(wěn)定器能夠降低冷壓損失并通過形成回流穩(wěn)定火焰，噴油桿在支板內(nèi)部向外噴油使氣流燃燒，輔以壁式穩(wěn)定器對燃燒加以穩(wěn)定。此設(shè)計開創(chuàng)了“渦輪后框架+加力燃燒室”一體設(shè)計的先河，顯著減少了零件數(shù)量，第三代、第四代發(fā)動機加力燃燒室大多采用此方案進行改進。

美國GE航空集團基于上述方案設(shè)計了F110-GE-132發(fā)動機的加力燃燒室。將“渦輪后框架+擴壓器+穩(wěn)定器+噴油桿”進行一體化設(shè)計，多功能整流支板既能對氣流增壓減速，又能穩(wěn)定火焰，還能充分混合已燃?xì)怏w與新鮮油氣摻混氣體，并且對渦輪最后一級導(dǎo)向葉片進行改造，發(fā)揮導(dǎo)向葉片摻混和穩(wěn)焰作用。該設(shè)計不僅降低總壓損失和提高飛機推力質(zhì)量比，還提高了加力燃燒室材料耐久性和使用壽命。

美國普惠公司設(shè)計的F119-PW-100發(fā)動機加力燃燒室也采用了渦輪后框架一體化設(shè)計方案（如圖7所示），其布局與F110相似。多功能整流支板前端曲線設(shè)計以整流氣體，后端平整設(shè)計以穩(wěn)定火焰；支板開孔與噴油孔的前后位置相對應(yīng)，使得燃油射流的穿透性和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布得到進一步改善；外涵道空氣可以對位于支板中噴油桿進行冷卻，并使用阻燃鈦合金（Alloy C）制造加力燃燒室的殼體，增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

中國航發(fā)動力所也提出了一種“渦輪后框架+加力燃燒室”一體化設(shè)計。使用徑向多功能整流支板對內(nèi)涵道氣流增壓減速和提高火焰燃燒穩(wěn)定性，在內(nèi)外涵道之間設(shè)置壁式穩(wěn)定器組織外涵道氣流燃燒，在支板內(nèi)設(shè)置噴油桿降低壁溫與流動損失。該方案的“徑向支板+壁式穩(wěn)定器”組合可以對部件充分降溫且兼顧內(nèi)、外涵道氣體的燃燒穩(wěn)定性，也提高了結(jié)構(gòu)可靠性，具有較高的綜合性能。

圖7 F119-PW-100發(fā)動機一體化加力燃燒室示意

加力燃燒室一體化設(shè)計技術(shù)瓶頸

在目前主流的加力燃燒室一體化設(shè)計中，混合器、擴壓器和穩(wěn)定器基本上都融為一體，但穩(wěn)定器布置在混合擴壓器中，這將會對其內(nèi)部摻混流場產(chǎn)生負(fù)面影響，降低燃燒效率和穩(wěn)定性。此外，一體化加力燃燒室為解決燃油自燃問題，噴油嘴與支板穩(wěn)定器的最大預(yù)混距離需要設(shè)計成50mm量級，這將會導(dǎo)致后方油料的分布不均勻。上述問題都是制約加力燃燒室一體化設(shè)計技術(shù)發(fā)展的瓶頸所在。

另外，我國的一體化加力燃燒室大多采用了內(nèi)產(chǎn)生的駐渦對火焰進行穩(wěn)定，而這種漩渦流場十分特殊，對于如何高效控制氣流得到最優(yōu)漩渦結(jié)構(gòu)，仍缺少足夠的數(shù)值仿真和氣動計算加以支撐，針對燃燒室處于不同工況時的詳細(xì)數(shù)據(jù)積累較為稀少。同時，對改良型一體化加力燃燒室的數(shù)值仿真也很有限，主要是因為缺少自主研發(fā)并適合我國國情的數(shù)值仿真軟件，這無疑也增加了我國加力燃燒室一體化設(shè)計的研究難度。

結(jié)束語

加力燃燒室一般用于性能要求不斷提高的軍用發(fā)動機上，而傳統(tǒng)的加力燃燒室結(jié)構(gòu)已經(jīng)缺乏發(fā)展?jié)摿?，故對加力燃燒室進行一體化設(shè)計很有必要。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)進一步增強對加力燃燒室一體化設(shè)計的研究現(xiàn)狀與目標(biāo)的認(rèn)識，穩(wěn)步推進基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的研發(fā)工作，逐步建立一體化加力燃燒室的技術(shù)指標(biāo)，并通過先進的數(shù)值模擬、測試技術(shù)以及理論分析來攻克技術(shù)瓶頸。