發(fā)動機燃燒室

隨著大飛機和殲20等國產(chǎn)飛機的試飛，航空發(fā)動機也逐漸變得熱門起來。但說起航空發(fā)動機的燃燒室，可能大家并不是很熟悉。說到底，飛機發(fā)動機和汽車發(fā)動機一樣，本質(zhì)上是熱機，都是燒油的，燃燒室就是負責(zé)把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能（下圖中標(biāo)紅的部分）。從熱力循環(huán)的角度，燃燒室基本決定了發(fā)動機的工作范圍，也就決定了壓氣機和渦輪的性能要求。

（航空發(fā)動機熱力循環(huán)——布雷頓循環(huán)。我保證，只有這一張看不懂的圖）

航空發(fā)動機是個大坑，這個大家都知道，但是航空發(fā)動機燃燒室就算一個很小眾的領(lǐng)域了。雖然屬于發(fā)動機三大核心部件之一，但前有壓氣機一堆復(fù)雜的流體力學(xué)理論和數(shù)值研究，飄逸的風(fēng)扇造型，后有高大上的單晶/粉末冶金的渦輪，燃燒室夾在中間，顯得很弱小也不那么高調(diào)。

（GEnx發(fā)動機，燃燒室就像發(fā)動機的小蠻腰一樣）

另一方面，航空發(fā)動機（或燃氣輪機）燃燒室在國內(nèi)的研究團隊也不多，除了幾大研究所之外，主要是北航、清華、中科院、西工大、南航等高校，真正有能力開展高溫高壓實驗的團隊屈指可數(shù)。當(dāng)然并不是說燃燒室的研究多么的厲害，我反而覺得燃燒室研究（并非燃燒研究，后者屬于基礎(chǔ)科學(xué)）總的來說還處于比較傳統(tǒng)的階段。

這里首先給大家普及一個概念，現(xiàn)代航空發(fā)動機的燃燒室基本都采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，就是圍繞發(fā)動機主軸一圈，大概由15~30個頭部組成，單個頭部就叫做單頭部燃燒室。所以這樣看起來，全環(huán)燃燒室也不算小，但相對于整個發(fā)動機的尺寸來說就太小了。一個單頭部的橫截面積不過半張A4紙，絕對算是小蠻腰了。

（全環(huán)燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖）

燃燒室的研發(fā)也是從單頭部燃燒室開始，逐漸過渡到全環(huán)乃至整機測試，一共分為9級技術(shù)成熟度。一般來說，限于實驗條件和經(jīng)費，高校主要集中1~3級，研究所大概可以到6級，更高的就需要企業(yè)來完成。我所在的課題組也主要是做1~3級，隨著北航國家實驗室的建設(shè)，以后可能會擴展到4級（扇形燃燒室）。當(dāng)然，如果從學(xué)術(shù)的角度，1級更接近研究物理本質(zhì)的，也更容易發(fā)文章。

（燃燒室研發(fā)技術(shù)成熟度）

燃燒室雖然尺寸很小，但是內(nèi)部的構(gòu)型非常精巧（許多關(guān)鍵尺寸都在1mm以內(nèi)），這里貼一張GE公司TAPS燃燒室（民航領(lǐng)域現(xiàn)役最先進燃燒室）的專利圖。相對于壓氣機葉片或者渦輪葉片，雖然設(shè)計非常復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)形式相對固定，而燃燒室的設(shè)計自由度是最大的，在給定的空間內(nèi)，可以有很多種設(shè)計方案，現(xiàn)役發(fā)動機的燃燒室結(jié)構(gòu)也往往差別很大。比如GE公司的TAPS燃燒室采用貧油燃燒方案（LPP），而普惠公司的TALON燃燒室采用富油—焠息—貧油方案（RQL），都能達到低排放的目標(biāo)，算得上殊途同歸了。

（右邊的燃燒室可以明顯地看到中間一股射流截斷了火焰，這就是RQL這類燃燒室的技術(shù)難點之一——焠息；而左邊貧油燃燒室則相對更均勻）

燃燒室的進口對應(yīng)高壓壓氣機的出口，這里的空氣來流已經(jīng)是幾十個大氣壓，溫度數(shù)百攝氏度。幾十個大氣壓什么概念呢？比如GEnx的大推力工況是45個大氣壓，相當(dāng)于450米的水壓，三峽大壩蓄水高度170米，接近3個壩高的水底下。除此之外，壓氣機出口的空氣流速高達130-170m/s，要知道12級臺風(fēng)也才32m/s。為了穩(wěn)定火焰，燃燒室大多采用旋流器作為穩(wěn)焰裝置，內(nèi)部流場極度復(fù)雜（湍流+強旋流），相當(dāng)于是在巴掌大的地方制造龍卷風(fēng)，還要求持續(xù)高效地燃燒。大家可以隨意感受一下~

有人說可以開展數(shù)值模擬，的確計算流體力學(xué)（CFD）發(fā)展非常迅速，在某些領(lǐng)域，考慮到測量誤差，DNS（直接求解N-S方程）已經(jīng)比實驗結(jié)果還要準(zhǔn)確了。但在燃燒領(lǐng)域，尤其是航發(fā)燃燒室對應(yīng)的湍流燃燒，準(zhǔn)確地模擬還不太可能。在上段所述的復(fù)雜湍流環(huán)境下，還要疊加化學(xué)反應(yīng)，使得數(shù)值模擬相當(dāng)?shù)刭M力且難以準(zhǔn)確（關(guān)鍵是往往還難以驗證，因為高溫高壓環(huán)境下，我們很難測量到足夠豐富的內(nèi)部信息）。所以燃燒室的研究更多以實驗為主。據(jù)說燃燒室部分的實驗量，可能會占到發(fā)動機研發(fā)總實驗量的一半。

（目前湍流燃燒領(lǐng)域第一大牛的杰作，全環(huán)燃燒室大渦模擬）
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00803230/document

有同學(xué)說，那就多做實驗唄，可勁燒。事實上，由于進口工況很高，要人為地制造這樣的空氣來流條件，很不容易。拿我們組的一號臺舉例，如果是把2kg/s的空氣加熱到550℃，粗略估算需要的加熱功率為1100kW，考慮散熱損失，那么加熱器功率至少要1375kW。如果是用電加熱的話，可能需要供電所專門鋪線了吧。所以一般是采用換熱的方式，簡單地說是先用一個小燃燒室產(chǎn)生高溫燃氣，通過換熱器加熱新鮮冷空氣，然后被加熱的空氣再進入試驗用的燃燒室。這樣一套試驗系統(tǒng)算是相當(dāng)復(fù)雜了。

開展高壓試驗的時候，為了保證安全，燃燒室需要包裹在厚厚的機匣以內(nèi)，只能伸入少數(shù)的熱電偶或采樣管，采集的信息無非是出口總溫、總壓、壓力脈動、出口燃氣分析等宏觀參數(shù)，難以對內(nèi)部的流場有深入地認識。因此燃燒室的研發(fā)總體以實驗和半經(jīng)驗的模型為主，更直白點，就是試錯。往往是先設(shè)計出來了，再實驗，發(fā)現(xiàn)哪方面有問題，再優(yōu)化，再實驗，反復(fù)迭代，找到一個能滿足指標(biāo)的可行的方案。當(dāng)然在這個過程中，也需要相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識指導(dǎo)。但燃燒室設(shè)計屬于技術(shù)范疇，就是說基本理論都寫在教科書里，誰都知道，但真正要解決實際問題，還得需要靈活地設(shè)計。很可能只是改變了一個微小的結(jié)構(gòu)，比如不到1mm的一個小尖，整個流場就發(fā)生了顯著地改變，燃燒室性能得以大幅提升。GE公司在研發(fā)TAPS燃燒室時，一次實驗過后發(fā)現(xiàn)慢車效率得到改善，拆裝試驗件后發(fā)現(xiàn)是在預(yù)燃級出口產(chǎn)生了一圈積碳。后來他們仿造積碳的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，并據(jù)此申請了專利。

（TAPS混合器微分叉結(jié)構(gòu)）

綜上所述，燃燒室研發(fā)的確也算個大坑。難度之一，在于理論模型的不完善和輔助設(shè)計工具的缺乏。燃燒室對應(yīng)的基礎(chǔ)學(xué)科是燃燒學(xué)，燃燒學(xué)是一門實驗科學(xué)，燃燒這種帶反應(yīng)的流動本身就很難以準(zhǔn)確地測量（測試手段有限）。當(dāng)然，現(xiàn)在隨著激光診斷技術(shù)的發(fā)展，越來越多的光學(xué)測試被用于燃燒室研究。基本是的N倍，除了測試氣動場所需的PIV、LDA，還有燃燒場需要的PDA、PLIF、CARS、LII等等，不僅價格非常昂貴，調(diào)試難度也很大。難度之二，在于實驗費時費力，尤其是高溫高壓實驗，每天都處于發(fā)現(xiàn)問題——解決問題的過程中，對體力和智力都是嚴峻的考驗。往往做一把實驗發(fā)現(xiàn)性能不達標(biāo)，就要立馬改結(jié)構(gòu)重新加工，核桃大小的旋流器，加工成本就不菲，可能燒一把就要放棄。一個好的燃燒室真的是用錢燒出來的。難度之三，在于精巧的設(shè)計。基本的理論到處都是，但怎么把理論轉(zhuǎn)換為設(shè)計，是經(jīng)驗和靈感的結(jié)合。燃燒室長寬不過300mm，這么小的地方，要組織高效穩(wěn)定的燃燒，要低排放，要穩(wěn)定無振蕩，要出口均勻，要高效冷卻，要點火包線寬，熄火邊界低，真的很不容易，可以稱得上“螺螄殼里做道場”。

（為了測試小小的一團火焰，常常是周圍要布置一圈儀器）

最后說下燃燒室性能的考核。除了常規(guī)的燃燒效率（基本上99.9%以上），出口溫度分布（避免渦輪熱負荷過重），燃燒振蕩等之外，目前最苛刻的要求在于污染排放。目前民航發(fā)動機發(fā)展的方向是低油耗（經(jīng)濟性）、低排放（環(huán)保性）、低噪聲（舒適性）。其中噪聲主要來自風(fēng)扇葉片，效率取決于整體設(shè)計，而排放基本上就靠燃燒室解決。目前ICAO（國際民航組織）的適航要求愈發(fā)嚴格，它的流氓之處在于只要國外廠商達到什么水平，就會把適航標(biāo)準(zhǔn)提高到什么水平，阻止新人進入。所以國際民航發(fā)動機基本上被三巨頭壟斷，GE，羅羅，普惠。所以為了打破這種壟斷，我們必須要達到比適航要求更低的水平。

（GE整機試驗）

（TAPS燃燒室慢車工況圖片，很漂亮的火焰）

燃燒室設(shè)計這塊太復(fù)雜了……它是多相流、化學(xué)動力學(xué)、冶金、結(jié)構(gòu)力學(xué)等等高深知識的匯集地。在沒有cfd的年代全靠試湊，也就是一點點燒出來的。即便有了cfd，也遠不能模擬真實工況，還是主要靠經(jīng)驗設(shè)計與改良設(shè)計。
就光說霧化吧，這個過程就復(fù)雜得了不得。液滴破碎機理、流動、摻混、蒸發(fā)……fluent到現(xiàn)在都沒法直接模擬霧化顆粒細度。
三旋流頭部的套筒臺階高度，改一點點，排放性能就可能截然不同，你還找不出理論來解釋。

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