发动机燃烧室

随着大飞机和歼20等国产飞机的试飞，航空发动机也逐渐变得热门起来。但说起航空发动机的燃烧室，可能大家并不是很熟悉。说到底，飞机发动机和汽车发动机一样，本质上是热机，都是烧油的，燃烧室就是负责把化学能转换为热能（下图中标红的部分）。从热力循环的角度，燃烧室基本决定了发动机的工作范围，也就决定了压气机和涡轮的性能要求。

（航空发动机热力循环——布雷顿循环。我保证，只有这一张看不懂的图）

航空发动机是个大坑，这个大家都知道，但是航空发动机燃烧室就算一个很小众的领域了。虽然属于发动机三大核心部件之一，但前有压气机一堆复杂的流体力学理论和数值研究，飘逸的风扇造型，后有高大上的单晶/粉末冶金的涡轮，燃烧室夹在中间，显得很弱小也不那么高调。

（GEnx发动机，燃烧室就像发动机的小蛮腰一样）

另一方面，航空发动机（或燃气轮机）燃烧室在国内的研究团队也不多，除了几大研究所之外，主要是北航、清华、中科院、西工大、南航等高校，真正有能力开展高温高压实验的团队屈指可数。当然并不是说燃烧室的研究多么的厉害，我反而觉得燃烧室研究（并非燃烧研究，后者属于基础科学）总的来说还处于比较传统的阶段。

这里首先给大家普及一个概念，现代航空发动机的燃烧室基本都采用环形燃烧室结构，就是围绕发动机主轴一圈，大概由15~30个头部组成，单个头部就叫做单头部燃烧室。所以这样看起来，全环燃烧室也不算小，但相对于整个发动机的尺寸来说就太小了。一个单头部的横截面积不过半张A4纸，绝对算是小蛮腰了。

（全环燃烧室结构示意图）

燃烧室的研发也是从单头部燃烧室开始，逐渐过渡到全环乃至整机测试，一共分为9级技术成熟度。一般来说，限于实验条件和经费，高校主要集中1~3级，研究所大概可以到6级，更高的就需要企业来完成。我所在的课题组也主要是做1~3级，随着北航国家实验室的建设，以后可能会扩展到4级（扇形燃烧室）。当然，如果从学术的角度，1级更接近研究物理本质的，也更容易发文章。

（燃烧室研发技术成熟度）

燃烧室虽然尺寸很小，但是内部的构型非常精巧（许多关键尺寸都在1mm以内），这里贴一张GE公司TAPS燃烧室（民航领域现役最先进燃烧室）的专利图。相对于压气机叶片或者涡轮叶片，虽然设计非常复杂，但结构形式相对固定，而燃烧室的设计自由度是最大的，在给定的空间内，可以有很多种设计方案，现役发动机的燃烧室结构也往往差别很大。比如GE公司的TAPS燃烧室采用贫油燃烧方案（LPP），而普惠公司的TALON燃烧室采用富油—焠息—贫油方案（RQL），都能达到低排放的目标，算得上殊途同归了。

（右边的燃烧室可以明显地看到中间一股射流截断了火焰，这就是RQL这类燃烧室的技术难点之一——焠息；而左边贫油燃烧室则相对更均匀）

燃烧室的进口对应高压压气机的出口，这里的空气来流已经是几十个大气压，温度数百摄氏度。几十个大气压什么概念呢？比如GEnx的大推力工况是45个大气压，相当于450米的水压，三峡大坝蓄水高度170米，接近3个坝高的水底下。除此之外，压气机出口的空气流速高达130-170m/s，要知道12级台风也才32m/s。为了稳定火焰，燃烧室大多采用旋流器作为稳焰装置，内部流场极度复杂（湍流+强旋流），相当于是在巴掌大的地方制造龙卷风，还要求持续高效地燃烧。大家可以随意感受一下~

有人说可以开展数值模拟，的确计算流体力学（CFD）发展非常迅速，在某些领域，考虑到测量误差，DNS（直接求解N-S方程）已经比实验结果还要准确了。但在燃烧领域，尤其是航发燃烧室对应的湍流燃烧，准确地模拟还不太可能。在上段所述的复杂湍流环境下，还要叠加化学反应，使得数值模拟相当地费力且难以准确（关键是往往还难以验证，因为高温高压环境下，我们很难测量到足够丰富的内部信息）。所以燃烧室的研究更多以实验为主。据说燃烧室部分的实验量，可能会占到发动机研发总实验量的一半。

（目前湍流燃烧领域第一大牛的杰作，全环燃烧室大涡模拟）
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00803230/document

有同学说，那就多做实验呗，可劲烧。事实上，由于进口工况很高，要人为地制造这样的空气来流条件，很不容易。拿我们组的一号台举例，如果是把2kg/s的空气加热到550℃，粗略估算需要的加热功率为1100kW，考虑散热损失，那么加热器功率至少要1375kW。如果是用电加热的话，可能需要供电所专门铺线了吧。所以一般是采用换热的方式，简单地说是先用一个小燃烧室产生高温燃气，通过换热器加热新鲜冷空气，然后被加热的空气再进入试验用的燃烧室。这样一套试验系统算是相当复杂了。

开展高压试验的时候，为了保证安全，燃烧室需要包裹在厚厚的机匣以内，只能伸入少数的热电偶或采样管，采集的信息无非是出口总温、总压、压力脉动、出口燃气分析等宏观参数，难以对内部的流场有深入地认识。因此燃烧室的研发总体以实验和半经验的模型为主，更直白点，就是试错。往往是先设计出来了，再实验，发现哪方面有问题，再优化，再实验，反复迭代，找到一个能满足指标的可行的方案。当然在这个过程中，也需要相关的基础理论知识指导。但燃烧室设计属于技术范畴，就是说基本理论都写在教科书里，谁都知道，但真正要解决实际问题，还得需要灵活地设计。很可能只是改变了一个微小的结构，比如不到1mm的一个小尖，整个流场就发生了显著地改变，燃烧室性能得以大幅提升。GE公司在研发TAPS燃烧室时，一次实验过后发现慢车效率得到改善，拆装试验件后发现是在预燃级出口产生了一圈积碳。后来他们仿造积碳的结构重新设计，并据此申请了专利。

（TAPS混合器微分叉结构）

综上所述，燃烧室研发的确也算个大坑。

难度之一，在于理论模型的不完善和辅助设计工具的缺乏。燃烧室对应的基础学科是燃烧学，燃烧学是一门实验科学，燃烧这种带反应的流动本身就很难以准确地测量（测试手段有限）。

当然，现在随着激光诊断技术的发展，越来越多的光学测试被用于燃烧室研究。基本是的N倍，除了测试气动场所需的PIV、LDA，还有燃烧场需要的PDA、PLIF、CARS、LII等等，不仅价格非常昂贵，调试难度也很大。

难度之二，在于实验费时费力，尤其是高温高压实验，每天都处于发现问题——解决问题的过程中，对体力和智力都是严峻的考验。往往做一把实验发现性能不达标，就要立马改结构重新加工，核桃大小的旋流器，加工成本就不菲，可能烧一把就要放弃。一个好的燃烧室真的是用钱烧出来的。

难度之三，在于精巧的设计。基本的理论到处都是，但怎么把理论转换为设计，是经验和灵感的结合。燃烧室长宽不过300mm，这么小的地方，要组织高效稳定的燃烧，要低排放，要稳定无振荡，要出口均匀，要高效冷却，要点火包线宽，熄火边界低，真的很不容易，可以称得上“螺蛳壳里做道场”。

（为了测试小小的一团火焰，常常是周围要布置一圈仪器）

最后说下燃烧室性能的考核。除了常规的燃烧效率（基本上99.9%以上），出口温度分布（避免涡轮热负荷过重），燃烧振荡等之外，目前最苛刻的要求在于污染排放。目前民航发动机发展的方向是低油耗（经济性）、低排放（环保性）、低噪声（舒适性）。其中噪声主要来自风扇叶片，效率取决于整体设计，而排放基本上就靠燃烧室解决。目前ICAO（国际民航组织）的适航要求愈发严格，它的流氓之处在于只要国外厂商达到什么水平，就会把适航标准提高到什么水平，阻止新人进入。所以国际民航发动机基本上被三巨头垄断，GE，罗罗，普惠。所以为了打破这种垄断，我们必须要达到比适航要求更低的水平。

（GE整机试验）

（TAPS燃烧室慢车工况图片，很漂亮的火焰）

燃烧室设计这块太复杂了……它是多相流、化学动力学、冶金、结构力学等等高深知识的汇集地。在没有cfd的年代全靠试凑，也就是一点点烧出来的。即便有了cfd，也远不能模拟真实工况，还是主要靠经验设计与改良设计。 就光说雾化吧，这个过程就复杂得了不得。液滴破碎机理、流动、掺混、蒸发……fluent到现在都没法直接模拟雾化颗粒细度。 三旋流头部的套筒台阶高度，改一点点，排放性能就可能截然不同，你还找不出理论来解释。

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