燃烧室

燃料等在其中生成燃气的装置

燃烧室是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置，是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备。燃料即在此室燃烧。它是燃气涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机的重要部件。对于活塞发动机来说，燃烧室是指活塞到达上止点后其顶部与汽缸盖之间的空间。

基本信息

定义

燃烧室是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备。燃料即在此室燃烧。

原理

在燃烧物理学中有四种守恒方程，即总质量守恒、动量守恒、能量守恒及组分守恒方程。

工作

工作过程

1.气流扩压减速，2.喷油雾化，3.点火，4.形成燃烧回流区，5.燃烧，6.掺混冷却

工作条件

不能在

①燃烧室在高温、大负荷下工作

②燃烧室在变工况下工作

③燃烧室在具有腐蚀性的环境下工作

④燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过程

⑤燃烧室中的燃烧在高速气流及贫油混合气情况下进行（“空气分股”、“减速扩压”、“反向回流”）

位置

在整台燃气轮机中，它位于压气机与涡轮之间。

影响

燃气轮机运行时，燃烧室在宽广的工况范围内工作。在燃气轮机工作情况的过程中，燃烧室进口的空气流量、温度、压力、速度以及燃油消耗量都会发生变化，这些变化反过来又会影响整台燃气轮机的性能。所以，弄清燃烧室的变工情况特性，对整台燃气轮机的变工况运行有积极地意义。

扩散燃烧：燃料与助燃剂边混合边燃烧的过程，燃烧快慢由扩散快慢决定。

动力燃烧：燃料与助燃剂先混合后然后燃烧的过程。燃烧快慢由可燃混合物的化学动力学因素决定。

差异：动力燃烧——燃烧之前混合均匀

扩散燃烧——燃烧之前不混合

分区

主燃区、补燃区（中间区）、掺混冷却区

构件结构

扩压器、燃烧室壳体、火焰筒、燃料喷嘴、点火装置

扩压器

1.功用：降低从压气机流出的气流速度，以利于燃烧的组织。

2.分类：一级扩压器、二级扩压器、突然扩张式扩压器。

燃烧室壳体

1.功用：燃烧室壳体构成二股气流通道；在环管和环形燃烧室中，燃烧室壳体由内外壳体组成，他们又是燃机的主要承力件。

2.燃烧室内壳体加强肋：燃烧室内套很多采用由钣料冲压焊接的加强肋予以加强。为减轻质量，在加强肋的辐板上可沿周向开许多减轻孔，在孔口处翻边加强。

3.燃烧室外套安装边结构：

(a)搭接滚焊形式，用的比较普通；

(b)对接熔焊形式；

(c)搭接熔焊形式；它可以获得比滚焊更好的气密性；

(d)形式结构比较合理，因为焊缝远离安装边，可有效地减少焊接热影响区对安装边造成的挠曲变形。

火焰筒

1. 组成：涡流器、火焰筒筒体、燃气导管等组成。

2. 涡流器：①：功用：使高温燃气在火焰筒头部形成低速回流区，保证点火、稳定燃烧和完全燃烧。

②：分类：无片式涡流器、叶片式涡流器（轴流式、径流式）

火焰筒筒体：筒壁的冷却方式有气膜式和散热片式（已淘汰）

传焰管：在分管和连管燃烧室中应装有传焰管，用来传递燃烧区之间的火焰并均衡火焰筒间的压力

燃料喷嘴

1. 功用：将燃料雾化，加速混合气的形成，保证稳定燃烧和提高燃烧效率。

2. 分类：离心喷嘴、气动喷嘴、蒸发喷嘴、甩油喷嘴。

3. 离心式喷嘴：燃料以一定的压力切向进入内腔。在离心力的作用下，实现雾化。离心喷嘴可分为：双路双室双喷口喷嘴、双路双室单喷口喷嘴、双路单室单喷口喷嘴

点火装置

1. 功用：在燃气轮机启动时，向燃烧室提供初始点火火炬。

2. 分类：间接点火装置、直接点火装置。

3. 间接点火装置：实际上是小小燃烧室系统，现已基本不用

性能指标

参数

有燃烧室效率、压力损失、稳定性、点火范围、出口温度分布和容热强度等。

但与燃气轮机变工况密切相关的参数主要是燃烧室效率和压力损失，前者直接关系到燃气轮机的燃料消耗量（影响燃气轮机的效率），而且还影响到流经涡轮的燃气流量；而后者直接影响到涡轮的膨胀比。由于燃烧室内部燃烧过程的复杂性，人们还不能全部用理论计算的方法给出燃烧室效率和压力损失随工况的变化关系，这些的关系式主要还是以实验为基础的经验公式。

气流流过燃烧室总压损失

1) 扩压器中的流动损失。它包括摩擦阻力和扩张角过大引起气流脱离的流动阻力；

2) 气流流过燃烧室各部件时的流动损失。包括气流经头部装置(扰流器或燃烧碗等)的压力损失及流经壁面进气孔或缝隙时的压力损失；

3) 进气射流与火焰筒内主流之间的混合损失；

4) 气流通过通道内各种障碍物(支板、档板、喷嘴等)所产生的附加压力损失；

5) 气流加热时，由于气流密度的变化所引起的热阻损失。

上述的燃烧室中五个部分的压力损失归纳起来可以分为二大类：

一类是流动阻力损失；另一类是热阻损失。

燃烧室的总损失可由以上两类阻力损失相加获得。

流动阻力损失

燃烧室入口处空气的总压；燃烧室出口处燃气的总压；燃烧室入口处空气的平均流速；燃烧室入口处空气的密度。

但试验表明：在燃烧工况下，燃烧室的流阻损失系数与：燃烧室冷吹风试验时的流阻损失系数；反应燃烧室结构差异的常数有关

基本类型

单管燃烧室、联管燃烧室、环形燃烧室

单管燃烧室

1.结构特点

管形火焰筒的外围包有一个单独的壳体，构成一个分管，沿燃气轮机周围6-16个这样的分管，各分管用传焰管连通，以传播火焰和均衡压力。

2.优点：

① 装拆、维修、检修方便 ② 因各个分管的工质流量不大，调试容易，实验结果比较接近实际情况

3.缺点：

① 装拆、维修、检修方便 ② 因各个分管的工质流量不大，调试容易，实验结果比较接近实际情况

联管燃烧室

1 .结构特点：

若干个火焰筒均匀排列安装在同一个壳体内，相邻火焰燃烧区之间用传焰管连通。

2.优点：

① 适合与轴流式压气机配合，布局紧凑、尺寸小、刚性小； ② 气流转弯小，流体阻力小，热散失小； ③ 调试比较容易，加工制造的工作量比分管小。

3.缺点：

① 燃烧室出口温度场沿周向不够均匀； ② 燃烧室的流体损失较大； ③ 耗费的材料、工时较多； ④ 质量较重。

环形燃烧室

1.结构特点：

内、外壳体与联管燃烧室类似，但火焰筒却有很大差别。在内外壳体之间的环形腔中，布置了一个呈环形的火焰筒，即火焰筒内外壁构成环形主燃区。

2.分类：

回流环形燃烧室；

直流环形燃烧室：全环形燃烧室、带有单独头部的环形燃烧室。

3.优点：

① 环形火焰筒制造简单，长度短，质量轻； ② 与轴流式压气机、涡轮配合方便，压力损失最； ③ 节约火焰筒冷却空气量约1/3； ④ 空间利用率最高，联焰性好。

4.缺点：

① 调试时需要大型气源； ② 火焰筒刚性差； ③ 燃料分布不均匀，组织燃烧困难； ④ 装拆维修困难

新型燃烧室

随着现代技术的发展，全球排放标准的限制和人类对于环境的要求越来越高，高效节能、低污染已成为现代汽车的发展趋势。综合考虑发动机燃油经济性、功率和排放等指标，新型燃烧室在汽车中的应用也越来越广泛。

火球高压缩比燃烧室

燃烧室主要部分位于气缸盖凹入的排气门下方，直径很小，结构紧凑，有一定的挤气面，可形成较强的挤气紊流。同时，进气门浅凹坑处与主燃烧室有浅槽相通。其优点是：可以燃烧非常稀薄的混合气，空燃比可达26，降低了燃油消耗率。其缺点是，必须用高辛烷值汽油，对积碳敏感，需严格控制压缩比。

德士古燃烧系统tccs燃烧室

tccs燃烧室是美国taxaco controlled combustion process中的一种燃烧室。属于汽油喷射统一式的类型。

在此系统中吸入气缸的只是空气，并且用导气屏组织强烈的吸气涡流，在压缩将近终了时，约上止点前30°曲轴转角，通过喷嘴顺气流将燃料喷入气缸，燃料即随气流流动形成混合气。因为在气流下方布置着火花塞，此时在火花间隙附近恰好具有较浓的易着火的混合气。着火后火焰及燃气随气流扩展。点火后喷入的燃料与旋转气流形成的混合气遇到火焰立即燃烧。

这种燃烧系统并不一定利用气缸中全部空气，小负荷时，燃烧产物扩展的区域并不大，随着负荷增加，喷油持续期延长，燃烧产物区域也随之扩展，只是到全负荷时才扩展到整个气缸。因此它的总空燃比可达100。

优点：1）功率可采用变质调节，因此在部分负荷时，具有较高的经济性。

2）对燃料的辛烷值不敏感。多种燃料适应性强。当采用ε=12，即使采用汽油、煤油、柴油等不同燃料也不影响其性能。

3）排污降低。

缺点：分层给气不好时，适应变工况能力差。即高负荷时会排出碳烟，低负荷时造成混合气过稀，hc排放量较多。

本田cvcc燃烧系统

这是属于化油器式供油，具有副室燃烧室的分层燃烧，燃烧室分成主燃室和副燃室，副室内装有辅助进气门和火花塞，主、副室之间用火焰喷孔连接。

主室中进入稀混合气，副室中进入浓混合气。这些可以由化油器的结构来保证。由于主、副室之间有火焰孔，通过火焰孔做适当混合，在副室内和火焰孔附近形成中间混合气，这样混合气形成分层。

当火花塞点火后，副室内浓混合气首先着火，然后火焰从火焰孔喷出，使中间浓度混合气燃烧，最后使稀混合气燃烧。

在本田cvcc分层燃烧系统中，主燃烧室中没有组织涡流，加上采用的是稀薄混合气，所以燃烧缓慢。在膨胀过程尚有明显的燃烧。故cvcc系统的经济性不如德士古燃烧系统。但是排气污染却大大降低，由于排气温度高，所以cvcc排气管有意做成双层大容积，起热反应器作用，进一步氧化排气中的hc和co。所以排放性能很好。

设计原则

汽油机燃烧室的设计对发动机动力性、经济性、工作稳定性及排放特性有很大影响，为此，燃烧室的设计应满足以下要求。

结构尽量紧凑

用燃烧室的面容比—燃烧室表面积与其容积之比来表征燃烧室的紧凑性。面容比小，燃烧室结构紧凑，从而使火焰传播距离短，燃烧可在短时间内完成、使爆燃倾向减小，还可以提高发动机压缩比。同时，由于单位体积的表面积较小，相对散热面积小，热损失减小，发动机热效率高，面容比小，使缸壁激冷区减小，HC排放量减少。燃烧室面容比大小取决于气缸直径与然烧室的形状，在采用小燃烧室情况下，为减少单位体积的表面积，多用半球形燃烧室。

火花塞位置适当

火花塞位置不同，火焰传播距离和燃烧速度的变化率也不同，从而影响汽油机的工作性能，为此，确定火花塞位置时，应考虑以下几个方面： 1）应使火焰传播距离短，如火花塞布置在燃烧室中央。 2）使末端气体受热减少，如火花塞布置在排气门附近。

3）减少各循环之间的燃烧变动，保证暖机和低速稳定性好，如火花塞布置在进、排气门之间，便于利用新鲜混合气扫除火花塞周围的残余废气，使混合气易于点燃，同时应控制气流的强度，避免吹散火花。

4）确保发动机运转平稳，火花塞的位置应能使从火花塞传播开的火焰面逐渐扩大。

燃烧室形状合理分布

燃烧室的容积分布情况反映了混合气体的分布情况。与火花塞位置相配合，决定了燃烧的放热规律、火焰燃烧到边缘可燃混合气的距离，从而影响发动机的抗爆性，工作粗暴型，性，经济性，压力上升速度及工作稳定性等。如：当圆链形燃烧室在其底部点火时，燃烧速率先快后慢，楔形燃烧室与此类似，在圆链形燃烧室顶部点火时，燃烧速率先慢后快，圆柱形的情况介于两者之间，浴盆形燃烧室与此类似

总之，燃烧室的容积分布应配合火花塞的位置考虑，最有利的分布是使燃烧过程初期压力升高率较小，发动机工作柔和，中期放热量最多，以获得较大的循环功。后期补燃铰小，具有高的热效率。

具有高的充气效率

进气口、进气道的布置尽量减小进气阻力，提高进气充量。燃烧室的形状应考虑允许有较大的进气门直径，如果楔形燃烧室可安排直径较大的进气门，混合气流经处应尽量光滑、转弯少。

半球形燃烧室的进气通道弯道少，且燃烧室弓高稍高（斜面积大）利于布置较大面积的进排气门，因此性能好，充量效率高。

形成适当的紊流运动

燃烧室内形成适当强度的气体流动可以加快火焰传播;增加末端混合气的冷却；减少循环间燃烧变动，扩大混合气体着火界限，利于燃烧更稀混合气;减少HC排放量，但紊流过强，向缸壁传热损失增加，还可能吹熄火核而失火，反而使Hc排放增多。

可见，紊流过强时，即使点火提前角减小，压力升高率仍较高，使工作粗暴，热效率降低。实践证明，紊流强度使压力升高率为196-245(千帕/度）时，发动机热效率最高。

近年来，发展了一种低污染、低油耗、高旋流的燃烧室—火球形燃烧室。

进气过程形成的旋流在压缩过程中被压入排气门下面的小直径室内，高速旋流加之紧凑的燃烧室允许使用高的压缩比而不引起表面点火或爆燃。

末端混合气要适当的冷却

对末端混合气适当冷却，可以避免燃烧室局部热点，降低终燃混合温度，减少爆燃倾向，同时要注意冷却强度不可过大，否则会使HC排放量增多。

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