一个劳心的点火青年，“大发”部件设计之燃烧室篇（十）
对于航空发动机这个喷火的大家伙来说，如何合理地在体内点好火、珍惜好烧点的每一滴燃油，是一件至关重要的事情，今天，设计研发中心的汤冠琼美眉将带领大家走进燃烧室的奇趣世界
PS：汤美眉的卡通头像由于还在制作中，因此要等到下期放出哦~敬请期待
终于轮到今天的主角出场了，大发中脾气火爆的一份子——燃烧室。一听名字就觉得热血沸腾，有木有，先上一个Rolls-Royce Trent 800发动机的总图，有没有找到燃烧室在哪里呢。你没看错，被画了个圈圈的就是。
·Rolls-Royce Trent 800发动机
虽说没有被诅咒，但燃烧室的工作环境非常恶劣，前有高压压气机，后有高压涡轮，如果称作两头受气的受气包一点不为过。虽然生存环境极不舒适，甚至是恶劣，但坚强的燃烧室仍斗志昂扬地吼道：我是大发中重要的一员，我志愿燃烧航空煤油，使燃气怀着满腔热情冲向涡轮，为大发提供源源不断的动力。一边吼，一边开始卯足劲点火，“我点我点我点点点”，哈哈点着了。好激动啊。
可是啊，别被燃烧室这个青年的外表给骗了，这小子看起来无忧无虑的，每天只负责点火烧油，小心思可多着呢。
要把燃烧室这个大炉子给烧好，需要先搞定两个桀骜不驯的家伙：
空气和燃油。
他遇到的第一个对手就是出生于安静的大气，经过风扇、低压压气机、高压压气机，集速度与压力于一身的疯子——空气。这家伙，速度达到100~150m/s，压力比他出生地的兄弟姐妹们大了几十倍，把12级台风（速度约为20~30m/s）都甩到不知道哪条街去了。
·疯狂的空气，图片来自于网络
这时候如果派电嘴去点火，只能是有几个火花被灭几个。大敌当前，燃烧室受大自然的启发，（这里脑补一下这样的一个画面：一条无落差的河流，流道越宽，水流越缓）想了一个办法，那就是先弄个扩张型的通道将空气这个疯子的速度降下来，就像这样：
·降速扩压示意图
经过扩张通道后，空气流速确实降了不少，在十几二十米每秒左右，不过还不能轻敌，如果这时候叫上点火嘴开点，还是免不了成为空气手下败将的下场。因为火焰传播速度只有几米每秒，要是怀着侥幸心理有了一个火苗，在空气的冲锋下，火苗还没来得及跑向未燃气体，就已经被迎面而来的气流给吹跑了。
燃烧室这时候又开动脑筋了，怎么样进一步降低气流速度呢。嘿嘿，“从燃烧学可知，在高速流动条件下，燃烧过程要稳定，产生一个低速区或者是回流区，以此形成一个高能量的、稳定连续的点火源，保持火焰稳定。换言之，需要采用火焰稳定装置。主燃烧室中最常用的火焰稳定装置是旋流器，其它包括钝体，或采用射流形成回流区稳火。”讲得这么一本正经，旋流器是什么啊？
从字面意思看，就是使气体直着进去，旋转着出来的一个东西。在航空燃气涡轮发动机上主要使用的旋流器是轴向叶片式旋流器和径向叶片式旋流器，以及他们的各种组合，双涡流器、三涡流器。气体经过旋流器后拥有切向速度，其旋转程度可用旋流数表示。
（a）轴向叶片旋流器
（b）径向叶片旋流器
·旋流器
雾里看燃油，
别有一番风味
等等，解决了外来入侵者加疯子的空气，航空煤油也是需要好好调教一下的，虽说这家伙蕴藏了不少能量，但是如果就这么原生态地与空气混合进行燃烧，效果一点都不好，所以要先由喷嘴进行雾化。
经过雾化后的燃油颗粒直径小至十几微米。雾化？你的思绪是不是飘到了空气加湿器那里，先回来。燃烧室需要雾化的是粘性更大的航空煤油，可不是水哦。
·燃油雾化
由于雾化在燃烧室中地位很高，所以竞争激烈，人才辈出。
1960年代以前，航空燃气轮机主燃烧室以离心喷嘴为主，由于冒烟问题和出口温度分布系数难以调节，在1960年代以后，发展了空气雾化喷嘴。从那时至今，空气雾化喷嘴是航空燃气涡轮发动机主燃烧室喷嘴的主流。甩油盘喷嘴主要是法国的Turbomeca公司发展的，至1980年代以后，新研制的机种已经没有用甩油盘雾化了。蒸发管喷嘴主要是英国的RR公司研制的，至1986年度新研发的EJ200采用的还是蒸发管喷嘴。
归纳起来，现在燃油雾化主要有四大门派，他们是：压力雾化Pi、空气雾化Pi、蒸发管雾化Pi以及甩油盘雾化Pi。这四大门派在各种航空发动机中都占有一席之地，但是目前占主流地位的燃油雾化方式是空气雾化。哎呀，不管主不主流，雾化得好的就是好喷嘴。
各大雾化门派的代表来露个脸。
（a）离心喷嘴 （b）空气雾化喷嘴 （c）旋转喷嘴 （d）蒸发管喷嘴
·航空燃气轮机燃烧室中各种喷嘴
史上最难搞的打火机
是怎么炼成的？
经过减速的空气和经过雾化的燃油似乎已经万事俱备了，还缺什么呢？点火装置。点火装置可分为直接点火和间接点火两种。用电嘴直接点燃工作喷嘴叫做直接点火，用电嘴首先点燃起动喷嘴，产生一股先锋火焰，然后用这小股火焰去点燃工作喷嘴叫做间接点火。不论是直接点火还是间接点火，点火过程都可以分为三个小过程。
第一阶段是火焰核的形成，这个火焰核必须有足够的尺寸和温度，能形成火焰传播；
第二阶段是火焰从这个核向整个主燃区传播；
第三阶段是火焰从燃烧室中点燃的主燃区向相邻的未燃主燃区传播。
影响点火成功的因素有好几个，且听我慢慢道来，首先要形成火核，点火电嘴的能量和点火时间必须要合适吧，什么叫合适，点火能量不能太低吧，但是太高了也浪费，电嘴能量释放的时间不能太短啊，当然太长了也浪费了。
另一方面，电嘴与喷嘴之间的相对位置很重要，最好放在燃油浓度适当、气流速度较低、最容易着火的地方，最好点完后火焰刚好能进入回流区，顺便把周围的未燃混合气给点燃了。
当然，为了找到这个绝佳的点火位置，工程师们需要根据流场状况，油雾分布状况具体情况具体分析，这里面大有文章呢。
·流场
由于在飞机的不同飞行状态，燃烧室的进口参数变化很大，比如在猛收油门的时候，空气量达到油燃烧所需空气量的四五十倍之多，油的含量非常少，在这种情况下要保持火焰的稳定燃烧困难是可想而知的。看到这里，你一定在想，点个火怎么这么麻烦啊，嘿嘿，为了烧出集优雅、稳重、炙热于一身的火，费这点力气也是值得的啊。
说到这，好像还有几个燃烧室的重要组件没有登场呢，他们是：火焰筒、机匣、帽罩。
火焰筒作为直接与火焰接触的第一角色，几毫米厚的小身板，工作时要忍受2000多度的高温火焰，想想都是件极不容易的事。所以火焰筒往往是燃烧室中寿命最短的，在高温、激烈振动和严重热冲击下，可怜的火焰筒就会出现裂纹、变形、掉快、烧损、魔蚀等故障。
据统计，发动机燃烧室的很多故障中，有63%是火焰筒的故障，5%是燃烧室外套的故障，4%是喷嘴故障。为了延长火焰筒的寿命，做好冷却工作就相当重要了。为了加强火焰筒的壁面冷却，引入第二股气流在火焰筒壁面形成一层空气薄膜，使高温燃气和火焰筒壁面隔开，这就是所谓的“气膜冷却”。
燃烧室机匣是燃烧室挑大梁的壮汉，它默默承受了整个燃烧室的重量，是不是很伟大。
至于帽罩呢，它在火焰筒前面，主要是为了保证空气按照指定的通道流入到相应的部件中，是一个引导者的角色。
好了，燃烧室的主要部件介绍完了，对着下面这张图，你能不能说出他们的作用和特点呢？
·燃烧室结构示意
下面介绍几种常见的燃烧室类型吧。在20世纪60年代以前，燃烧室主要长这个样子：
（a）单管燃烧室 （b）环管燃烧室
·燃烧室主要结构类型
左边的叫单管燃烧室，每个燃烧室之间都是相对独立的，他们之间用连焰管连接，通俗一点讲就是一个通道，这样的设计可以减少点火电嘴的个数，因为当一个单管燃烧室内的油气混合物被点燃后，火焰能通过连焰管传播至相邻的燃烧室继而传遍整场。“星星之火，可以燎原”这句话在这里得到了印证。
后来，为了减轻燃烧室的重量，设计者索性将外面的机匣连成了一体，火焰筒之间还是用连焰管连接。再后来，有人就想，机匣都连成一体了，干脆把火焰筒也连成一圈吧，省去了连焰管，多方便，于是燃烧室就变成了这个样子，也就是现在普遍采用的环形燃烧室。
（c）环形燃烧室
用简单的示意图表示，燃烧室的演变过可以抽象成下面这幅图：
有没有觉得是几个调皮的圆柱在变换队形，伸缩融合呢。
讲了那么多，其实小编就想说燃烧室在发动机中的地位很高，发动机的可靠性、经济性和寿命很大程度上取决于燃烧室的可靠性和燃烧有效程度。
从设计走到产品的路好漫长，不说了，还是老老实实干活去吧。
作者：汤冠琼
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