【长知识】涡轴发动机燃烧室关键技术

导读：相对于大型的涡轮发动机，涡轴发动机燃烧室尺寸较小，在结构、燃油喷嘴、气动、燃烧、冷却等方面有其自身的技术特点。

人们对航空发动机性能和可靠性的更高追求体现在燃烧室上，主要表现在高温升、长寿命、低排放、低成本和低重量等方面。然而，与大型涡轮发动机燃烧室相比，涡轴发动机燃烧室有其自身的一些特殊性。

燃烧室特殊性

结构形式多样化

涡轴发动机流量偏小，为追求高的气动效率，最后一级压气机多采用离心式压气机，使得压气机部件出口的径向高度相比最后一级采用轴流压气机的结构更大，因此燃烧室的结构形式更为多样化。通常，中小型涡轴发动机燃烧室有3种结构形式，以PT6B、PW200和MTR390等发动机为代表的回流式燃烧室，以T700发动机为代表的直流式燃烧室和以阿赫耶、马基拉等发动机为代表的折流式燃烧室。

尺寸效应影响明显

涡轴发动机功率都不大，相应地燃烧室的零件尺寸也不大，燃油喷嘴和涡流器等精密零件的加工公差以及火焰筒进气孔加工公差的变化对燃烧室性能影响很大，即燃烧室性能受尺寸效应影响明显。例如小流量燃油喷嘴的出油孔径很小，燃油流量受孔径公差影响大；目前大部分涡轴发动机燃烧室涡流器采用铸造成形，喉道尺寸的铸造公差可能会对涡流器的流量产生20%以上的变化；燃烧室火焰筒上有大量直径小于1mm的冷却小孔，这些小孔的尺寸公差并不与孔径按比例缩放，使得通过冷却小孔的空气流量有更多的变化，导致燃烧室性能表现不同。

气动设计困难

涡轴发动机燃烧室的表面积与体积之比，普遍比大尺寸涡轮发动机大，较大的表面积和体积之比意味着燃烧室需要更多的冷却空气对壁面进行冷却保护。燃烧室中的总空气流量一般分为3个部分：一部分是燃烧空气，用于与燃油混合燃烧，这部分空气的比例是由发动机的供油量决定，一部分是冷却空气，用于对燃烧室壁面进行保护，以确保燃烧室有足够的使用寿命.剩下一部分是掺混用气，用来调整燃烧室出口温度分布特性，以满足涡轮部件做功和寿命要求。对中小型涡轴发动机燃烧室而言，在燃烧空气一定的情况下，冷却空气比例增加，用于掺混的空气量就会显著减小，使得燃烧室出口热斑增多，出口温度分布品质下降，这对燃烧室下游的涡轮部件工作极为不利。

需要冷却的表面积增加，冋时会使得冷却空气在壁面附近对高温燃气产生的“埤熄”作用明显，这不但会降低燃烧效率使得发动机耗油率增加，还会增加一氧化碳和未燃碳氢的排放量，这种“焠熄”作用在低功率状态下影响更为明显。

此外，由于离心压气机的广泛使用，使得中小型涡轴发动机无论采用直流、回流还是折流结构形式，燃烧室内外环腔的流动呈现明显的不对称性，这对燃烧室气动设计造成不利影响，同时，由于涡轴发动机燃烧室火焰简的腔高和体积普遍偏小，而燃油的雾化、蒸发以及燃烧等特性与发动机尺寸不相关，燃油易碰壁形成积炭，因此在小空间内合理组织燃油和空气燃烧更为困难。

冷却设计挑战大

涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却表面积相对较大，在冷气量一定的情况下，冷却效率要求更高；火焰筒腔体高度小，高温火焰对火焰筒壁的热辐射影响更大；燃烧室内空气流速较低，对流换热效率不高，燃烧室冷却设计面临很大挑战。

随着涡轴发动机燃烧室进口压力和温升的提高，传统的气膜冷却方式使得燃烧室冷却空气量显著增加，导致用于调整燃烧室出口温度品质的空气量下降。同时，进口压力的增加使得冷却空气自身温度增加，冷却潜力下降，降低了冷却空气的冷却效果。

此外，用户对发动机使用寿命的要求也给冷却设计带来巨大挑战，近年来对发动机的寿命要求较1990年以前大概增长了一倍。这些因素都要求有更好的耐温材料、热障涂层或者更先进的冷却技术方案来应对高温升燃烧室冷却问题。此外，由于配装涡轴发动机的直升机通常在野外工作，因此在设计冷却孔孔径时，除了需要考虑冷却效果外，还必须根据直升机工作的特点，考虑沙尘对气膜孔的堵塞问题。

燃烧室结构和特点

回流燃烧室

回流燃烧室是现代涡轴发动机上普遍采用的结构。一般认为，采用回流燃烧室与上游离心压气机相匹配，可以有效缩短发动机轴系长度，这对采用高转速的涡轴发动机而言，可以有效缓解转子动力学难题。

另外，回流燃烧室还存在其他优点：火焰筒内气流平均流速偏低，有利于火焰筒内的燃烧组织和高效燃烧；高温燃气在火焰筒内的流路较长，在火焰筒内的驻留时间比较充足，有利于高效燃烧和获得较好的燃烧室出口温度分布品质；因为高温燃气在火焰筒内有一个180°左右的转弯，紧邻燃烧室部件的涡轮导向器不能直接感受到火焰筒头部的高温火焰辐射，有利于降低涡轮导向器的温度水平。

但是，回流燃烧室也存在较为突出的缺点，即整个燃烧室的表面积较大，尤其是燃烧室出口段有一个弯管，需要额外的冷却空气进行冷却保护。对高性能发动机要求燃烧室高温升而言，回流燃烧室的冷却问题尤为突出。

直流燃烧室

如果涡轴发动机采用全轴流压气机，通常选择自:流燃烧室与之相匹配（如T406、TV2-117、TV3-117、D-136等），燃烧室的结构和气动特点与大尺寸涡轮发动机直流燃烧室相同。然而，在中小型涡轴发动机上如果采用离心压气机或者轴流+离心组合压气机，也可以选择直流燃烧室与之相匹配，典型的例子为GE公司的T700发动机。

直流燃烧室具有构造简单、流动顺畅、冷却难度相对较小等优点，与回流燃烧室相比，适合更高温升的要求。但是，采用这种结构的发动机轴系较长，对高转速的涡轴发动机而言，转子动力学难度更大，另外，直流燃烧室对压气机出口流场特性较敏感，与离心压气机相匹配时，由于压气机出口与涡轮进口之间有较大的高度差，燃烧室通常需要设计成倾斜的，造成燃烧室内外环腔流动不对称，燃烧组织困难，因此较难获得良好的气动性能，尤其是在当前高性能中小型涡轴发动机追求低污染、低重量以及小冷却面积的条件下，燃烧室长度日益缩短，更加大了直流燃烧室的气动设计难度。

折流燃烧室

折流燃烧室是一种非常适合在高转速发动机上采用的燃烧室结构，它主要是利用发动机轴的高转速实观对燃油的雾化。燃油一般是以一个比较低的压力从发动机轴供给，然后通过发动机轴上的喷油孔或者固定在发动机轴上的喷油装置放射状地喷入燃烧室内。

折流燃烧室具有以下显著优点：利用高速旋转的发动机轴喷出燃油来实现燃泔的良好雾化，简化了燃油系统的设计，喷油孔直径较涼量要求的直径更大，能有效避免喷油孔堵塞的问题；燃烧室制造成本低、重量轻，因为燃烧室不需要价格昂贵且制造难度大的燃油喷嘴和涡流器等零件。

然而，折流燃烧室也存在如下缺点：喷油孔制造精度要求高，因为经验表明喷油孔之间燃油流量的均匀性很大程度上取决于孔尺寸的精度和表面光洁度；由于喷油孔和发动机转子转动是同步的，如果某喷油孔对应位置出现一个热斑，那么这个热斑将始终与燃烧室下游的某几个涡轮叶片相对应，因此会对这几个涡轮叶片产生严重危害；由于燃烧室喷油孔固定在发动机轴上，在燃烧室部件引入转动件，将使转静子间气流密封、气油密封等设计复杂。

关键技术

冷却技术

随着对燃烧室温升和寿命要求的进一步提高，给燃烧室的冷却提出的要求愈发苛刻。中小型涡轴发动机燃烧室冷却技术近期发展的重点为基于金属基材料的先进高效复合冷却技术，中远期目标重点为耐超高温的非金属复合材料与高效复合冷却相结合的技术。基于金属基材料的冷却技术已从最开始的纯气膜冷却，发展出多种复杂高效的冷却方式，如冲击气膜、Z型环、发散冷却、双层壁冷却、层板等，而非金属复合材料技术主要发展了陶瓷基复合材料和热障涂层等。

气膜冷却是现代燃烧室上通常采用的一种冷却方式，已经发展了多种不同的气膜冷却结构。气膜冷却小孔孔径、孔间距、冷却槽的尺寸等都对气膜冷却的效果有明显的影响，如何优化这些影响因素提升冷却效果，一直是气膜冷却研究的重点。

新的加工技术，如激光打孔，促进了高效发散冷却技术在燃烧室上的应用。发散冷却又称为全覆盖气膜冷却或多斜孔冷却，其特点是在单层壁面上打出大量倾斜小孔，在火焰筒热侧形成全气膜保护。大量小孔使得冷却面积极大增加，有效提高综合冷却效果，与常规缝式冷却相比，可节省40%的冷却气量，此外采用多斜孔冷却技术的火焰筒壁温度梯度小，有利于火焰筒寿命的增加，目前这种冷却技术在燃烧室上得到了广泛应用。在常规发散冷却的基础上，为进一步提高发散冷却效率，又出现了通过改变多斜孔几何结构来提高冷却效率的方式，如美国航空航天局(NASA)研究的异形多斜孔结构等。

双层壁冷却方式也是替代传统气膜冷却的一种比较好的方式，例如，通过螺栓和螺母在火焰筒热侧设置一个隔热板，布置多排鳍状绕流柱，冷却空气通过火焰筒上的孔冲击隔热板，然后流过绕流柱强化换热，最终像对流冷却方式一样流入燃烧室形成冷却气膜。也可以利用激光打孔技术在隔热板上打出大量发散小孔，即在隔热板一侧采用发散冷却。但双层壁冷却方式会增大燃烧室的重量，并增加火焰筒的结构复杂性。

未来发动机燃烧室进出口温度将进一步提高，传统金属基材料将无法满足其性能的要求，非金属复合材料就成为解决火焰筒冷却问题的一个重要研究方向。非金属复合材料火焰筒技术主要有陶瓷基复合材料火焰筒技术和热障涂层技术等。陶瓷基复合材料火焰筒的耐高温水平比现有的高温合金有很大的提高，相比于常规气膜冷却，冷却气量可减少80%以上，且火焰筒壁温降低13%，冷却效果改善相当明显，同时陶瓷基复合材料火焰筒重量轻，热效率高，可有效降低能耗和污染物排放，但这种技术目前还面临着强度、结构、加工等问题。热障涂层技术是目前应用广泛的一种有效保证火焰筒耐热性和耐久性的技术，其在火焰筒的燃气侧加入热障涂层，减少高温燃气对火焰筒内壁的对流换热量和辐射量，提高火焰筒的抗氧化能力，可有效降低火焰筒壁温50K以上。

目前，欧美发达国家通过一系列的研究计划已在燃烧室先进冷却技术方面开展了大量的研究工作并取得了重要进展，如美国通过专门针对涡轴、涡桨和涡扇中小型发动机的JTAGG计划，研究并验证了包括陶瓷基、热障涂层、双层壁冷却等多种先进的冷却技术。

燃油喷嘴技术

对航空发动机燃烧室而言，燃油喷嘴与燃烧室的性能密切相关。对燃油喷嘴的喷雾要求主要包括粒径大小、燃油质最分布、喷雾锥角、周向均匀性等。粒径大小是影响燃烧室燃烧效率、点火和高空再点火以及污染排放等性能的关键因素；燃油质量分布和喷雾锥角影响污染物形成和燃烧室出口温度品质，周向均匀性对防止形成局部富油区和贫油区非常重要，富油区和贫油区直接关系到燃烧室“热斑”和“冷斑”的形成，“热斑”会减少下游涡轮叶片的寿命和增大排气冒烟，“冷斑”则会增加未燃碳氢和一氧化碳两种污染物的形成。

高温升燃烧室意味着在大功率状态下燃油喷嘴的流量更大，在低功率状态和油气比不变时，就相应要求燃油喷嘴的燃油流量调节比更大。随着调节比的增加，中小型涡轴发动机燃油喷嘴的喷雾性能要求更加复杂：燃烧室尺寸小，燃油分布空间小，大喷雾锥角容易造成燃油打到金属壁面，导致金属表面积碳以及高温烧蚀，小喷雾锥角会使得燃油在燃烧室火焰筒中间区域集中形成富油区域，导致燃烧室出现“热斑”，恶化燃烧室出口温度分布品质，低功率状态下供油压力低，空气流量小，雾化质量差，液滴粒径大，容易引起燃烧室点火困难或者燃烧效率不高等问题。

在高性能燃烧室燃烧.冷却和掺混三者“争气”矛盾日益加大的情况下，合理地设计燃油喷嘴來避免“热斑”和“冷斑”，降低高油气比下污染物排放问题（高油气比冒烟问题突出）和实现涡轮部件期望的温度分布特性等问题显得尤为重要。

燃油喷嘴结焦是中小型涡轴发动机燃烧室面临的一个难题。这类发动机燃油流量小，为了获得低压力下良好的雾化质量以保证点火性能，通常要求燃油喷嘴的油路通道很小。随着燃烧室温升的提高，燃油喷嘴的热负荷增加，一旦燃油的温度高于可接受的水平，就会导致燃油喷嘴的油路通道结焦。因此，对于燃油喷嘴，在满足功能需求的同时必须考虑结焦问题，这就需要采取必要的冷却措施来进行热防护。

燃油喷嘴性能对尺寸公差敏感是涡轴发动机燃烧室面临的另一个难题。发动机燃烧室油路通道小、对喷雾质量要求高，因此喷嘴零件的设计公差非常关键，同时也对制造技术提出了苛刻的要求。此外，小尺寸燃油喷嘴对组合公差和不同的热膨胀也非常敏感。

加拿大普惠公司近年来在燃油喷嘴技术方面已经取得重大发展。燃油喷嘴的设计从铸造和焊接结构转变为更加简单的机械加工和钎焊结构，主要聚焦于减少零件数量、优化零件材料和使用先进技术，成功发展了许多高性能的先进燃油喷嘴，包括纯空气雾化喷嘴、单油路和双油路的气助雾化喷嘴等。

这些喷嘴采用了一种结构类似的涡流器，包括一个独特的阵列空气通道（环形阵列或者径向阵列），它具有几个方面的性能优点：允许通过喷嘴的空气流量实现最大化，同时优化了油气混合，因此可以有效地控制冒烟和其他污染物排放；在油雾锥内调整喷射形状和燃油分布方面提供了较大的灵活性；通过调整涡流器的射流角度和偏移可以很容易地调节喷雾喷射来满足宽广范围的要求。

低污染排放技术

目前的航空发动机污染排放标准对涡轴发动机的污染排放没有做出明确的规定。这主要是基于以下两点考虑：一是相对于大型涡轮发动机，涡轴发动机总的燃油消耗量小，污染排放的总量非常低，二是在涡轴发动机上减少污染排放的费用非常高，通常是花费大量的费用才取得作常有限的效果。

尽管如此，考虑到未来涡轴发动机潜在的巨大市场以及对“绿色发动机”的追求，针对涡轴发动机的污染排放也可能受到更加严格的限制。许多公司已经开始深入研究适用于小发动机的低污染技术，一方面来提高产品在市场上的竞争力，另一方面也是为未来市场对发动机的需求进行技术储备。

目前，涡轴发动机的低污染技术主要是借鉴大型涡轮发动机相关的低污染技术，同时基于本身的特殊性，如结构形式多样、重量和成本因素影响大等特点，使得很多成熟的用于大型涡轮发动机的低污染技术不再适用。因此，小发动机的低污染技术与大发动机有相似性，也有自身的特点。

对于回流燃烧室而言，由于需要冷却的表面积相对比较大，壁面的“焠熄”使得一氧化碳和未燃碳氮显箸增加，因此回流燃烧室低污染设计难度在于如何降低一氧化碳和未燃碳氢。普惠公司对此进行了大量研究，并列出了降低一氧化碳和未燃碳氢所采用的相关技术，主要包括提高燃油雾化质量、提高油气混合质量以及提高火焰筒壁面温度等。

对于涡轮发动机直流燃烧室，主要考虑的是降低氮氧化物排放，技术可以参考大型涡轮发动机上已有的技术，如分级燃烧、贫油直接喷射和富油/焠熄/贫油燃烧等。然而，基于成本和重量的考虑，分级燃烧不适应于涡轮发动机。贫油直接喷射燃烧技术的应用也受到限制，因为涡轮发动机较少的燃油流量使得多点喷射很难同时保证低功率状态下良好的雾化和高功率状态下的燃油供给问题，同时考虑到燃油喷嘴积碳、堵塞等实际问题，喷嘴喷油孔的加工也将受到限制。

相比较而言，富油/焠熄/贫油燃烧技术在小发动机上可以有广泛的应用前景。富油/焠熄/贫油燃烧技术不会增加小发动机燃烧室的成本和重量，并能显著降低未燃碳氢、一氧化碳、氮氧化物排放和冒烟现象。

（作者：严明超，中航工业航空动力机械研究所，高级工程师；康尧，中航工业航空动力机械研究所，助理工程师）

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来源：《国际航空》，2015年10月

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