航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)體系

索建秦，梁紅俠，黎 明，金如山

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被比喻為飛機(jī)的“心臟”，而燃燒室可以說(shuō)是“心臟”的“心臟”[1]。燃燒室的作用是將化學(xué)能（燃油加空氣）轉(zhuǎn)化為燃燒產(chǎn)物和剩余的未燃空氣的熱能（溫度升高）[2]，燃燒室接受壓氣機(jī)流出的高壓空氣，并與燃油燃燒產(chǎn)生熱能，為渦輪提供均勻混合的高溫燃?xì)?，由渦輪輸出驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作所需的功率，這就決定了燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，也就是飛機(jī)“心臟”的“心臟”。

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室朝著軍用高油氣比燃燒室和民用低污染燃燒室方向發(fā)展[3]。在軍用燃燒室方面，美國(guó)F135 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（裝備F35 戰(zhàn)斗機(jī)）的燃燒室油氣比達(dá)到0.046，而美國(guó)下一步研發(fā)的燃燒室油氣比要達(dá)到0.062。在民用燃燒室方面，GE 公司研制的雙環(huán)預(yù)混旋流器（Twin Annular Premixing Swirler,TAPS）燃燒室具有很低的污染物排放水平，TAPS Ⅰ（用于GENX 發(fā)動(dòng)機(jī)，裝備 B-787 飛機(jī)）和TAPS Ⅱ（用于Leap-1A、Leap-1B和 Leap-1C發(fā)動(dòng)機(jī)，裝備 A320neo、B737Max 和 C919 飛機(jī)）的 NOx 排放分別比CAEP6 標(biāo)準(zhǔn)低36%和50%，近期取得適航證的TAPS Ⅲ（用于 GE9X 發(fā)動(dòng)機(jī)，裝備 B777X 飛機(jī)）的NOx排放要求比CAEP6標(biāo)準(zhǔn)低75%。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)衍生燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的發(fā)展方向也是低污染，要求在換算為15%氧濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，在50%~100%工況內(nèi)（以后可能會(huì)要求25%~100%）的每一工況點(diǎn)，天然氣燃料的NOx 排放要低于25×10-6，CO 排放要低于50×10-6；對(duì)柴油為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，NOx 排放要低于 60×10-6，CO 排放要低于100×10-6。燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的另外一個(gè)主要要求要求是長(zhǎng)壽命，要求第1 次大修前的壽命為3000～10000 h。

中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)起步較晚、發(fā)展較慢，其燃燒室與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大。近年來(lái)國(guó)內(nèi)逐步開(kāi)展先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)，目前燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)體系還在建設(shè)完善中。本文作者基于在國(guó)內(nèi)外大學(xué)和某國(guó)際知名發(fā)動(dòng)機(jī)公司從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室領(lǐng)域的教學(xué)、基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和試驗(yàn)研究工作60 多年的經(jīng)驗(yàn)，提出燃燒室設(shè)計(jì)與研發(fā)體系。

1 燃燒室研發(fā)體系

燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)全過(guò)程如圖1 所示。圖中描述了燃燒室從概念預(yù)先研究到售后服務(wù)的全壽命周期內(nèi)的研發(fā)過(guò)程，適用于各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的研發(fā)工作，亦可供其它部件和整機(jī)研制參考。

圖1 燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)全過(guò)程

2 燃燒室研發(fā)特點(diǎn)

2.1 燃燒室設(shè)計(jì)與研發(fā)密不可分

燃燒室設(shè)計(jì)后必須試驗(yàn)和修改設(shè)計(jì)，而且還不止一次。一個(gè)很有水平和經(jīng)驗(yàn)的燃燒室設(shè)計(jì)者，如果能夠適當(dāng)?shù)兀ú皇菑氐椎卮蟾模└膭?dòng)3 次就可以過(guò)關(guān)，使設(shè)計(jì)定型，那就很不錯(cuò)了。這個(gè)試驗(yàn)-修改-再試驗(yàn)-再修改的過(guò)程，就是研發(fā)，實(shí)際上主要是“發(fā)”，即發(fā)展。可以說(shuō)，航空燃燒室的設(shè)計(jì)總是與研發(fā)密不可分的，連起來(lái)叫設(shè)計(jì)研發(fā)，新一代的先進(jìn)燃燒室尤其如此。

2.2 燃燒室的研發(fā)以試驗(yàn)為主

燃燒室中的燃燒過(guò)程涉及湍流、液滴破碎和蒸發(fā)、油氣混合、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)平衡、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等諸多學(xué)科，這些學(xué)科本身仍然有大量的科學(xué)問(wèn)題有待于解決，因此在現(xiàn)階段燃燒室的研發(fā)以試驗(yàn)為主。

2.3 CFD在燃燒室研發(fā)中的作用

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dy-namics,CFD）在風(fēng)扇和壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中可起到關(guān)鍵性作用。在西方航空發(fā)達(dá)國(guó)家，已有成熟的3 維葉輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

在燃燒室的設(shè)計(jì)研發(fā)中，以前是利用CFD 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果理解判斷，并且在開(kāi)始設(shè)計(jì)研發(fā)前輔助初步方案篩選。近年來(lái)CFD 技術(shù)在燃燒室方面應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，只是由于燃燒室現(xiàn)有的湍流、液滴破碎和蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)平衡、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等數(shù)學(xué)模型與試驗(yàn)結(jié)果之間存在一定的出入，需要對(duì)其進(jìn)行校核后才能應(yīng)用于燃燒室的CFD計(jì)算中，因此CFD在燃燒室中的應(yīng)用研究還需要進(jìn)一步發(fā)展。

燃燒室研發(fā)以試驗(yàn)為主，數(shù)值仿真為輔。數(shù)值仿真可以節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)和縮短研發(fā)周期，并可幫助研發(fā)人員理解和解釋研究結(jié)果，但數(shù)值仿真不可替代試驗(yàn)。

特別需要指出的是，燃燒室數(shù)值仿真與燃燒數(shù)值仿真的區(qū)別。在燃燒室數(shù)值仿真中，由于燃油噴射模型、湍流模型和燃燒模型等尚不能與試驗(yàn)結(jié)果很好地吻合，可以用試驗(yàn)結(jié)果代替這些模型（比如液滴分布）進(jìn)行計(jì)算，這樣得出的結(jié)果可以很好地與試驗(yàn)結(jié)果吻合。也就是說(shuō)，CFD要與試驗(yàn)密切結(jié)合。

在國(guó)內(nèi)，由于前期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，在現(xiàn)階段不但不能減少試驗(yàn)，還要增加試驗(yàn)，為研發(fā)體系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.4 燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)的綜合性

燃燒室的設(shè)計(jì)研發(fā)涉及各門(mén)學(xué)科。既有物理學(xué)科，如熱力學(xué)、物理化學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)，也有化學(xué)學(xué)科，如化學(xué)動(dòng)力學(xué)；不僅涉及基礎(chǔ)學(xué)科，還涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、應(yīng)力分析、材料選擇，有質(zhì)量分析和成本考量，更有工藝、裝配和試驗(yàn)，還離不開(kāi)維修和壽命等問(wèn)題。

總之，燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)綜合性很強(qiáng)，絕非只靠加強(qiáng)基礎(chǔ)研究就能搞好。需要良好的研發(fā)體系和完善的配套。也正是由于設(shè)計(jì)研發(fā)的要求是多方面的，設(shè)計(jì)研發(fā)必然需要平衡折中，但根據(jù)用途不同，可以有所側(cè)重。

2.5 燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)發(fā)展迅速

燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)的迅速發(fā)展是由發(fā)動(dòng)機(jī)的迅速發(fā)展所決定的。回顧幾十年的發(fā)展歷程，燃燒室的發(fā)展經(jīng)歷了單管燃燒室、環(huán)管燃燒室到環(huán)形燃燒室，再到今天的短環(huán)形燃燒室。燃燒室進(jìn)口壓力從10 個(gè)大氣壓以下到20個(gè)大氣壓，再到30個(gè)大氣壓，現(xiàn)在能到60 個(gè)大氣壓，下一步可以提高到70 個(gè)大氣壓。燃燒室油氣比從0.02 以下到0.03 再到0.046，下一步可以超過(guò)0.060。總的來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在已由常規(guī)燃燒室進(jìn)展到以低污染為代表的民用燃燒室和以高油氣比為代表的軍用燃燒室。說(shuō)明如果現(xiàn)在還在仿制幾十年前的低壓比、技術(shù)落后的燃燒室，那么由于研發(fā)資金、人力都是有限的，無(wú)疑就“自甘落后”了。更重要的是如果永遠(yuǎn)下不了決心走上自主設(shè)計(jì)研發(fā)的艱苦之路，也就永遠(yuǎn)沒(méi)有“出頭之日”。

2.6 先進(jìn)燃燒室的特點(diǎn)

從設(shè)計(jì)研發(fā)的角度看，用于先進(jìn)燃燒室燃燒的空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大大增加，因而其燃燒組織的設(shè)計(jì)也大不相同。大量的燃燒空氣從燃燒室頭部進(jìn)入，不需要再由主燃孔進(jìn)氣，于是火焰筒上可以沒(méi)有主燃孔?，F(xiàn)在仍然有設(shè)計(jì)者想用常規(guī)的方法來(lái)設(shè)計(jì)先進(jìn)燃燒室，均未成功。而先進(jìn)燃燒室頭部進(jìn)入的大量空氣也會(huì)帶來(lái)一系列燃燒上的問(wèn)題，其主要設(shè)計(jì)研發(fā)上的特點(diǎn)就是如何解決這些問(wèn)題。當(dāng)然還有其它問(wèn)題，例如冷卻、冒煙、進(jìn)口高馬赫數(shù)帶來(lái)總壓損失增大等問(wèn)題。但最主要的特點(diǎn)是頭部空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大量增加，造成燃燒組織上與常規(guī)燃燒室不同。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，先進(jìn)燃燒室也是從常規(guī)燃燒室發(fā)展過(guò)來(lái)的，常規(guī)燃燒室上很多成功的措施、方法和經(jīng)驗(yàn)仍然是有參考價(jià)值的。

2.7 燃燒室設(shè)計(jì)要立足于自主

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)及燃燒室走的是買(mǎi)、抄、仿的路線(xiàn)，一直未建立自主的研發(fā)體系。在技術(shù)方面，到今天為止，仍然沒(méi)有走上自主研發(fā)的正確道路，依然是步別人之后塵。

舉一實(shí)例：RR公司有著名的三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，其它公司就不去模仿該技術(shù)，如PW 公司就走齒輪傳動(dòng)的技術(shù)路線(xiàn)，其實(shí)這2 種路線(xiàn)是為解決同一問(wèn)題的。這就是說(shuō)，每家公司都應(yīng)堅(jiān)持走自己的技術(shù)路線(xiàn)，而不去抄襲或模仿。

3 燃燒室研發(fā)階段劃分

從技術(shù)發(fā)展來(lái)看，燃燒室設(shè)計(jì)研發(fā)分為5 個(gè)階段：概念預(yù)先研究、方案選擇、技術(shù)研發(fā)、型號(hào)研發(fā)和售后服務(wù)階段。

3.1 概念預(yù)先研究階段

概念預(yù)先研究屬于預(yù)先研究的范圍，其主要任務(wù)是依據(jù)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)目前現(xiàn)有的技術(shù)水平和能力，結(jié)合正在研發(fā)的可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間范圍內(nèi)取得突破的先進(jìn)技術(shù)，制定技術(shù)路線(xiàn)和初步的設(shè)計(jì)方案。舉2個(gè)例子說(shuō)明。

（1）在30 多年前開(kāi)始進(jìn)行的航空低污染燃燒的研究，從基本概念知道若要控制燃燒溫度，有貧燃和富燃2種可能，也知道貧油預(yù)蒸發(fā)、預(yù)混合是1條正確的研發(fā)道路，于是就開(kāi)始研制預(yù)蒸發(fā)的混合器，這就是預(yù)先研究，是試探性的。當(dāng)時(shí)2 家大發(fā)動(dòng)機(jī)公司都研制很長(zhǎng)的混合器（150 mm），結(jié)果都因自燃而燒壞。這項(xiàng)預(yù)研工作以失敗告終，使人們認(rèn)識(shí)到自燃問(wèn)題是障礙，于是開(kāi)展對(duì)自燃的預(yù)先研究，這時(shí)的自燃研究脫離了發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)，并不是針對(duì)某類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)，而是研究問(wèn)題，屬于科學(xué)研究的范圍，只有把問(wèn)題研究清楚后才能考慮怎么研究防止自燃的技術(shù)。

（2）在GE公司開(kāi)展的高油氣比燃燒室預(yù)研中，曾提到發(fā)展高油氣比燃燒室存在慢車(chē)貧油熄火等基本問(wèn)題，但提出了幾個(gè)方案都沒(méi)能解決，說(shuō)明預(yù)先研究中失敗的可能性很大。

3.2 方案選擇設(shè)計(jì)研究階段

方案選擇設(shè)計(jì)研究階段仍然屬于預(yù)先研究范圍，但這一階段主要研究的是方案，要選擇設(shè)計(jì)研究的大方案，為開(kāi)展技術(shù)研發(fā)驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃做準(zhǔn)備。

3.3 技術(shù)研發(fā)階段

研發(fā)階段就是開(kāi)展技術(shù)研發(fā)驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃階段，可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃中的燃燒室部分，也可以進(jìn)行獨(dú)立的先進(jìn)燃燒室的技術(shù)研發(fā)，縱向地往下則進(jìn)入初步設(shè)計(jì)。先進(jìn)燃燒室的初步設(shè)計(jì)研發(fā)包括單模（單噴嘴）的單管燃燒室試驗(yàn)研發(fā)，所以這里的試驗(yàn)研發(fā)技術(shù)指單管燃燒室的試驗(yàn)研發(fā)。單管燃燒室初步設(shè)計(jì)研發(fā)通過(guò)后，進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)研發(fā)，主要是全環(huán)形燃燒室的詳細(xì)設(shè)計(jì)研發(fā)，在試驗(yàn)設(shè)備能力不足或有其他考慮時(shí)，可以在全環(huán)形燃燒室研發(fā)之前（或同時(shí)）進(jìn)行扇形段燃燒室的試驗(yàn)研發(fā)（TRL4[4]），如圖2所示。

圖2 燃燒室技術(shù)研發(fā)過(guò)程

最典型的就是試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)環(huán)形燃燒室的100% 工況試驗(yàn)，而改用90°扇形燃燒室來(lái)實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)考核出口溫度分布，包括熱點(diǎn)指標(biāo)及徑向溫度分布。對(duì)低污染燃燒室，用扇形段燃燒室100%工況試驗(yàn)考察大工況的排放，看是否與單管試驗(yàn)結(jié)果有出入；對(duì)高油氣比燃燒室，要考察壁溫，因?yàn)閱喂苋紵以囼?yàn)在冷卻上與全環(huán)形燃燒室有較大的差別，所以重點(diǎn)在全環(huán)形試驗(yàn)，有降壓力試驗(yàn)或降工況試驗(yàn)。全環(huán)形燃燒室試驗(yàn)通過(guò)后技術(shù)成熟度就達(dá)到了5 級(jí)（TRL5）。如果是發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)研發(fā)，那還需進(jìn)行裝上發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室試驗(yàn)驗(yàn)證（TRL6）；而技術(shù)研發(fā)計(jì)劃就到此為止，稱(chēng)為技術(shù)定型。

3.4 型號(hào)研發(fā)階段

在型號(hào)研發(fā)階段需要根據(jù)其他階段的研究結(jié)果實(shí)施型號(hào)研發(fā)計(jì)劃。其他階段的研究結(jié)果主要包括：通過(guò)方案選擇設(shè)計(jì)研究確定的總方案、在技術(shù)研發(fā)階段得到技術(shù)定型的結(jié)果、在售后服務(wù)和使用中問(wèn)題的信息反饋、總體部門(mén)和性能部門(mén)的要求(比技術(shù)研發(fā)計(jì)劃中的要求詳細(xì)，除性能、工作外必須包括使用、維修、壽命、成本、質(zhì)量等要求)和循環(huán)參數(shù)等。

型號(hào)研發(fā)是研發(fā)可以實(shí)用和銷(xiāo)售的產(chǎn)品，原則上是不允許失敗的。曾經(jīng)有過(guò)因?yàn)? 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研發(fā)不成功而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)公司破產(chǎn)的先例，由于型號(hào)研發(fā)時(shí)已經(jīng)與飛機(jī)公司(或民航公司)或軍方簽了合同，時(shí)間很緊，必須按部就班往前走，一旦出現(xiàn)大問(wèn)題時(shí)，往往不可能仔細(xì)研究后再制訂解決措施。這時(shí)只要能過(guò)得去(使用單位同意)，往往“湊合”一下，可以說(shuō)在那時(shí)“湊合”是必然的選擇，而且一旦“湊合”過(guò)去，以后再也不會(huì)去大改。這方面最廣為人知的例子是LM6000 型號(hào)（如圖 3所示），在研發(fā)后期發(fā)生振蕩燃燒故障這一攔路虎。在做了一些改進(jìn)措施沒(méi)有效果后，就在燃燒室頭部機(jī)匣位置安裝了23 根長(zhǎng)短不一的直徑為2.54 cm 的Helmholtz1/4 波長(zhǎng)防振管。盡管很難看，但也就“湊合”過(guò)去了。

圖3 LM6000燃燒室結(jié)構(gòu)

因?yàn)闀r(shí)間緊，在型號(hào)研發(fā)時(shí)試驗(yàn)件常常不是只加工1件，因?yàn)槿绻?個(gè)試驗(yàn)件在試驗(yàn)中損壞，重新加工試驗(yàn)件，要消耗很多時(shí)間；或者至少把重要的組件事先準(zhǔn)備好，例如燃燒室的燃油噴嘴和空氣旋流器，雖然一些組件可能用不上而浪費(fèi)，但從時(shí)間上來(lái)講是劃算的。具體說(shuō)，在單模(單噴嘴)的單管燃燒室上，要準(zhǔn)備好各種流量數(shù)的噴嘴。因?yàn)榕R時(shí)去訂貨經(jīng)常要等幾周時(shí)間，就是有現(xiàn)貨也要等1周以上。

產(chǎn)品研發(fā)中所用的材料、工藝應(yīng)盡量與以后發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的一致(除了單件和批生產(chǎn)差別之外)。即使這樣，也必然會(huì)有很多配套問(wèn)題，包括緊固件、管接頭等，必須仔細(xì)考慮。

在型號(hào)研制階段，主要設(shè)計(jì)者不能只考慮到燃燒組織、油氣匹配這樣的大問(wèn)題而忽略“小”問(wèn)題，在試驗(yàn)臺(tái)上哪怕是少1 個(gè)螺帽也會(huì)延誤進(jìn)度。在型號(hào)研發(fā)成功后，會(huì)遇到處理大量技術(shù)文件的瑣事，設(shè)計(jì)研發(fā)人員不喜歡這些瑣事，但這又是完成型號(hào)研發(fā)必不可少的。

3.5 售后服務(wù)階段

在投產(chǎn)之后進(jìn)入售后服務(wù)階段，在這一階段中設(shè)計(jì)方面仍需不斷地改進(jìn)，特別是使用中出現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)及時(shí)反饋，這對(duì)設(shè)計(jì)人員非常有幫助。例如某型號(hào)燃燒室的環(huán)形火焰筒的環(huán)高太低，研究人員曾明確指出以后會(huì)有問(wèn)題，但因?yàn)榕侣闊](méi)有改動(dòng)，結(jié)果在使用中發(fā)現(xiàn)油霧碰到火焰筒壁，以致壽命只達(dá)預(yù)期的一半，這樣就不得不改動(dòng)了。由于火焰筒大改，或者噴嘴大改，都要重新定型試車(chē)，由此帶來(lái)了更大的麻煩。

3.6 技術(shù)研發(fā)與型號(hào)研制的關(guān)系

技術(shù)研發(fā)就是要掌握技術(shù)，為型號(hào)研制奠定基礎(chǔ)，這樣型號(hào)研發(fā)才有把握。但技術(shù)研發(fā)與型號(hào)研發(fā)又有所不同：型號(hào)研發(fā)需解決很多工程性問(wèn)題，而技術(shù)研發(fā)不太考慮壽命問(wèn)題和工程問(wèn)題。二者最大的區(qū)別是技術(shù)研發(fā)掌握技術(shù)，而型號(hào)研發(fā)要交付產(chǎn)品。

技術(shù)研發(fā)是獨(dú)立于型號(hào)而存在的，不依附于型號(hào)研發(fā)，而是為型號(hào)服務(wù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)公司的整個(gè)研究隊(duì)伍中，應(yīng)當(dāng)有一定數(shù)量的技術(shù)人員從事技術(shù)研發(fā)。技術(shù)研發(fā)告一段落后，就可以進(jìn)入型號(hào)研發(fā)階段；型號(hào)研發(fā)成功后，又可以轉(zhuǎn)回來(lái)開(kāi)展技術(shù)研發(fā)，剩下的一部分開(kāi)始新的型號(hào)研制。

沒(méi)有技術(shù)研發(fā)就沒(méi)有技術(shù)儲(chǔ)備，沒(méi)有技術(shù)儲(chǔ)備型號(hào)研發(fā)就很被動(dòng)。只有通過(guò)預(yù)研的可行性認(rèn)證，歷經(jīng)技術(shù)研發(fā)階段，掌握技術(shù)以后才能應(yīng)用到實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)上。一旦型號(hào)研發(fā)成功，新技術(shù)就固定和穩(wěn)定下來(lái)；只有技術(shù)研發(fā)而沒(méi)有型號(hào)研發(fā)，則這項(xiàng)技術(shù)就沒(méi)有固定下來(lái)。以后可能又開(kāi)展新的技術(shù)研發(fā)計(jì)劃，也可能暫時(shí)沒(méi)有技術(shù)研發(fā)的計(jì)劃，這就是技術(shù)研發(fā)與型號(hào)研制的關(guān)系。

4 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與傳統(tǒng)燃燒室設(shè)計(jì)和研發(fā)的差異

新一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)不斷發(fā)展，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與傳統(tǒng)燃燒室相比，設(shè)計(jì)和研發(fā)差異主要體現(xiàn)在以下幾方面。

4.1 燃燒室劃代

新一代先進(jìn)燃燒室以高油氣比軍用燃燒室和低污染燃燒室為代表。在先進(jìn)燃燒室出現(xiàn)之前，出現(xiàn)過(guò)2代燃燒室，現(xiàn)在的先進(jìn)燃燒室可以稱(chēng)作第3代。第1代燃燒室大致出現(xiàn)于20 世紀(jì)40～70 年代，其壓比約為10，采用空氣動(dòng)力學(xué)擴(kuò)壓器、雙油路離心壓力霧化噴嘴或雙油路噴嘴，其燃燒區(qū)為富油燃燒區(qū)，冷卻設(shè)計(jì)為波紋板冷卻帶，火焰筒上有主燃孔，通過(guò)主燃孔進(jìn)入的空氣與燃燒室頭部進(jìn)入的空氣共同形成1 個(gè)大的回流區(qū)，有摻混孔，主要形式是環(huán)管燃燒室。其典型的代表有中國(guó)的WP6 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和美國(guó)的J79 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。第2 代燃燒室出現(xiàn)于20 世紀(jì)70～90 年代末，其典型的壓比約為20，采用短突擴(kuò)擴(kuò)壓器和成膜式空氣霧化噴嘴，主燃區(qū)設(shè)計(jì)為接近化學(xué)恰當(dāng)比，冷卻設(shè)計(jì)為機(jī)械加工的冷卻環(huán)帶。主要形式是短環(huán)型燃燒室，燃燒主要是擴(kuò)散燃燒，典型代表有RB-211 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和CFM-56 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。當(dāng)今先進(jìn)燃燒室為第3 代燃燒室，其發(fā)展始于21 世紀(jì)初，其壓比大于30。第3代燃燒室分為低污染燃燒室（前2 代沒(méi)有）和高油氣比燃燒室，在高油氣比燃燒室前有常規(guī)燃燒室向高油氣比過(guò)渡的燃燒室，如F-119發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室（油氣比為0.038）。需要說(shuō)明的是現(xiàn)有燃燒室中仍有不是低污染或油氣比較低的燃燒室。第3 代燃燒室的頭部進(jìn)氣占了整個(gè)燃燒空氣很大的比例，燃燒空氣全部由頭部進(jìn)入；沒(méi)有主燃孔，也可以沒(méi)有摻混孔。由于燃燒空氣全部由頭部進(jìn)入，所以燃燒區(qū)的空氣動(dòng)力學(xué)完全由頭部進(jìn)氣所決定。與前2代燃燒室只有1 個(gè)燃燒區(qū)不同，第3 代燃燒室有副油燃燒區(qū)和主油燃燒區(qū)2個(gè)燃燒區(qū)。第3代燃燒室可以采用預(yù)混、預(yù)蒸發(fā)、預(yù)混和、直接混合的燃燒設(shè)計(jì)，也可以采用其中幾種組合設(shè)計(jì)。對(duì)第3 代燃燒室，總的來(lái)說(shuō)擴(kuò)散燃燒不占主導(dǎo)地位，空氣動(dòng)力學(xué)一般設(shè)計(jì)為低旋流。對(duì)貧油預(yù)混合預(yù)蒸發(fā)（Lean Premixed Pre?vaporized，LPP）低污染燃燒室來(lái)說(shuō)，要特別注意燃燒不穩(wěn)定性問(wèn)題。對(duì)其它方案，要設(shè)計(jì)為火焰脫開(kāi)頭部（底板）一小段距離，這對(duì)頭部冷卻有益處。第3 代燃燒室仍有中心回流區(qū)，由副?？諝庑纬?，其大小比前2 代的小。第3 代燃燒室冷卻采用發(fā)散小孔冷卻，多層孔板和瓦塊式已被淘汰。成膜式空氣霧化噴嘴已經(jīng)不占主導(dǎo)，取而代之的是副油路噴嘴采用單油路的離心壓力霧化噴嘴，主油路噴嘴采用橫向氣流直射噴嘴。擴(kuò)壓器仍然與第2 代燃燒室的相同，這方面還沒(méi)有重大變化。西北工業(yè)大學(xué)的燃燒團(tuán)隊(duì)研發(fā)的空氣分配器式的燃燒室結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該燃燒室有效果，但還沒(méi)有結(jié)論性的成果。把擴(kuò)壓器的功用以及頭部上游、火焰筒上游，從擴(kuò)壓器到火焰筒之間的上方流場(chǎng)的空氣分配的作用結(jié)合起來(lái)，基本概念是正確，但還有待進(jìn)一步研發(fā)。

圖4 空氣分配器式擴(kuò)壓器[5]

4.2 燃燒組織方式的差異

先進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)研發(fā)是從常規(guī)燃燒室的演變過(guò)來(lái)的，常規(guī)燃燒室和先進(jìn)燃燒室的結(jié)構(gòu)如圖5、6 所示。其主要變化由1 種因素引起，即無(wú)論是低污染燃燒室還是高油氣比燃燒室都需要明顯增大燃燒空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，盡管二者的目的和意義并不一樣。對(duì)于低污染燃燒室來(lái)說(shuō)，增大燃燒空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)是通過(guò)降低大工況下燃燒區(qū)的溫度來(lái)降低NOx；而對(duì)于高油氣比燃燒室來(lái)說(shuō)，增大燃燒空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不希望在100%工況下出現(xiàn)富燃和冒煙的狀況，是為了控制冒煙。這一因素給燃燒室設(shè)計(jì)帶來(lái)一系列變化，也帶來(lái)試驗(yàn)研發(fā)方面的變化：（1）不再有主燃孔；（2）火焰筒頭部高度增加；（3）燃燒區(qū)分為主模燃燒區(qū)和副模燃燒區(qū)；（4）副油路采用單油路離心噴嘴；（5）主油路采用直孔噴射；（6）火焰筒壁面最好采用發(fā)散冷卻方式；（7）副模采用弱旋流設(shè)計(jì)；（8）高進(jìn)口馬赫數(shù)可能采用空氣分配器式擴(kuò)壓器。

圖5 常規(guī)燃燒室結(jié)構(gòu)

圖6 先進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)

4.3 燃燒室試驗(yàn)的差異

先進(jìn)燃燒室在設(shè)計(jì)方面的變化導(dǎo)致其在試驗(yàn)研發(fā)上也有很大不同。由于先進(jìn)燃燒室的燃燒空氣全部由頭部進(jìn)入，沒(méi)有主燃孔，燃燒區(qū)的空氣動(dòng)力學(xué)完全由頭部的空氣模確定。這樣在試驗(yàn)和研發(fā)時(shí)，單頭部燃燒室試驗(yàn)的重要性大大提高，燃燒室的基本性能問(wèn)題都可以在單管燃燒室上研究并得以解決。這樣就涉及到初步設(shè)計(jì)的定義和研發(fā)的內(nèi)容有所改變，在初步設(shè)計(jì)階段，在單頭部燃燒室上基本的燃燒問(wèn)題都得以解決，然后才進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段和全環(huán)燃燒室設(shè)計(jì)階段。單頭部燃燒室重要性大大增加，這是燃燒室試驗(yàn)研發(fā)上的重大變化。在過(guò)去仿制過(guò)程中不需要從單頭部燃燒室開(kāi)始，對(duì)單頭部燃燒室在先進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì)中的重要性認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足?？傊冗M(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)與研發(fā)完全進(jìn)入了1 個(gè)新階段，設(shè)計(jì)研發(fā)者和管理者需要要有新的理念、思路和規(guī)劃。

5 總結(jié)

關(guān)于先進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)研發(fā)有以下幾點(diǎn)總結(jié)：

（1）燃燒室是“試”出來(lái)的，不是“畫(huà)”出來(lái)的，也不能“算”出來(lái)，更絕對(duì)不可“抄”來(lái)或“買(mǎi)”來(lái)。

（2）在燃燒室研發(fā)各階段中，技術(shù)研發(fā)階段尤為重要，只有完全掌握技術(shù)才能開(kāi)始型號(hào)研究。

（3）先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室與傳統(tǒng)燃燒室相比，無(wú)論是燃燒組織方式還是燃燒室試驗(yàn)都有很大差異，單頭部燃燒室的重要性顯著提升，設(shè)計(jì)研發(fā)者要有新的理念、思路和規(guī)劃。