航空发动机燃烧室机匣的组成及选材分析

航空发动机燃烧室机匣的组成及选材分析 3.1航空发动机的基本组成 发动机是飞机的“心脏”，是推动飞机和整个航空工业蓬勃发展的源动力，20世纪下半叶世界航空动力呈加速发展态势，21世纪航空动力面临新的机遇，它将以更快的速度向前发展，并促使飞机和航空工业出现新的飞跃。一般而言发动机由点火装置、燃烧室、装药和喷管四部分组成。 3.1.1点火装置 发动机点火装置工作的基本是: 能保证主装药准确、可靠地点燃、点火延迟时间要短。它的基本失效模式有发火失效和对发动机点火失效两种。以往的型号研制经验明，一般情况下，众多的结构可靠性评估续计变量中，以在规定时间内达到的点火压强为最佳统计变量。 3.1.2燃烧室 燃烧室是燃料与空气混合并进行燃烧的地方，燃烧室工作的好坏直接影响 发动机的性能，并关系到发动机的安全可靠性。 3.1.3装药 一般选取受内压时的壳体应力为统计变量。发动机药柱分为自由装填式和壳体粘接式两类。对于自由装填式药柱，强度是足够的，通常不需要进行结构完整性分析。对于壳体粘接式药柱，特别是内孔形状复杂的药柱，通常存在较严重的药柱强度问题，因为药柱从制造到使用的过程中，其内部会产生各种机械应力。 药柱失效的基本故障或基本机理，决定最终结果造成气体生成速率过低或过高。在化学和结构两方面的损坏都表现为造 成过高的壳体内压。经验及分析表明， 当壳体粘接式药柱受热载荷和工作压强载荷时，工作内压是应研究的主要载荷，以延伸率作为药柱结构可靠性评估的统计变量较为合理;而受加速度载荷和自重载荷时。以强度作为药柱结构可靠性评估的统计变量较为合理。上述观点已为多年来发动机的研制实践所证实。 3.1.4喷管 航空发动机离心喷嘴主要有喷嘴壳体、旋流器、旋流室和喷口组成。根据其自身工作条件及环境影响，其材料主要选用马氏体钢材2Cr13、3Cr13和4Cr13三种类型。一般离心喷嘴有四种类型:单路、双路单室单喷口、双路双室单喷口及双路双室双喷口，分别具有不同的结构设计、性能和用途。 3.2燃烧室的分类及基本构成 燃烧室是发动机的高温部件，工作条件极为恶劣，要求性能好、工作可靠的同时还要求尺寸小、重量轻、便于维护、足够的强度及刚性和有一定的使用寿命。 3.2.1燃烧室的分类 现代航空发动机燃烧室按基本结构可以分为三大类:单管燃烧室、联管燃烧室和环形燃烧审。 3.2.1.1单管燃烧室 又叫分管燃烧宣。它的结构特点是第一个管形火焰筒的外面都包有一个单独的外壳，组成一个单管燃烧室。沿发动机圆周均匀地安装有6,16个这样的分管，各分管之问用联焰管联通，传播火焰和均衡压力。 3.2.1.2联(环)管燃烧室 它的结构特点是将若干个管形火焰筒，沿圆周均匀安装在同一个内外壳体间的环腔内，相邻火焰筒燃烧区之间用联焰管联通。联管燃烧室的结构比较紧凑，外廓尺寸显著地减少。外壳体是承力构件，有利于减轻发动机结构的质量和改善发动机整体刚性。 3.2.1.3环形燃烧室 环形燃烧室的结构特点是在燃烧室内、外壳之间的环腔内，安装了一个由共同的火焰筒内、外壁构成的环形燃烧区和掺娓区。在火焰箭头部装有几个燃油喷嘴和稳定装置。燃烧室的各个气流通道都是环形的，因此与压气机出口环形气流可以获得最好的气动配合，气流均匀，流动损失小。还有利于设计矩扩压器。由于其结构紧凑，迎风面积最小，容积利用率最高，因此。在新型航空发动机上被广泛采用。 3.2.2燃烧室的基本构成 某型涡喷发动机燃烧室采用的是环形燃烧室。由燃烧室外壳、内壳、火焰筒、燃油总管、点火嚣等构成[14]。 3.2.2.1燃烧室机匣 燃烧室机匣是发动机的承力壳体，由外壳体和内壳体构成。外壳前段和内壳构成扩压器，降低压气机气流速度，外壳和内壳组成环形气流通道，保证气流的稳定性。扩压器为流线形扩压器，进口有一平直段，一方面防止气流畸变影响出口温度场品质和气流扰动影响压气机性能，另一方面减少叶片尾迹对燃烧室流场的影响。 燃烧室机匣是发动机的承力件，承受径向力、轴向力、扭矩、弯矩、 惯性力以及振动等多种负荷。本次设计主要研究的是在各种温度作用下，燃烧室机匣的相应应力变化。 3.2.2.2火焰筒 该发动机燃烧室共装有10个五段直流式气膜冷却火焰筒，火焰筒是燃烧室的一个重要组件，其作用是使燃油在它的空腔内得到稳定且完全的燃烧，并获得满意的出口温度场。火焰筒由带有旋流器、锥体的头部，带有气膜冷却的五段筒体和燃气导管构成。从压气机来的气流分为两股进入火焰筒:一股从旋流器进入火焰筒，空气经过旋流器高速旋转，在离心力作用下，空气被甩向四周，中心形成低压区，保证火焰燃烧;另一股由掺混孔进入火焰筒，和燃气混合，降低燃气温度。燃气导管将燃气由圆形界面向扇形界面过渡。 3.2.2.3燃油总管 燃油总管共有10个喷嘴，喷嘴为双油路离心式压力雾化喷嘴，主副油路独立，将主、副油路提供的燃油分别喷入两个独立的旋流器，然后从两个同心布置的喷嘴喷出。由于两条油路各自独立，无论大小工况均可获得满意的雾化质量,燃油流量的变化范围也比较大。 3.2.2.4点火器 点火嚣由点火器壳体和点火电嘴构成，电嘴为电蚀电嘴，每台发动机配备两个点火电嘴，点火方式为间接点火。 3.3燃烧室机匣的选材分析 扩压器与外机匣、内机匣共同组成燃烧室机匣。燃烧室是发动机的高温部件，工作条件极为恶劣，要求性能好、工作可靠的同时还要求尺寸小、 重量轻、便于维护、有足够的强度及刚性和有一定的使用寿命。燃烧室机匣是发动机的承力件，承受径向力、轴向力、扭矩、弯矩、惯性力以及振动等多种负荷。因此，合金选材是开展发动机疲劳可靠性分析的前提条件，只有在材料满足可靠性需求时所有的设计才有意义。 3.3.1燃烧室机匣受力分析 燃烧室机匣由扩压器机匣、外机匣和内机匣三部分组成。其功能主要是形成燃烧室的气流通道和作为发动机承力系统的一部分。燃烧室外机匣主要承受的是内外压差所形成的周向力，周向力占外机匣应力的绝大部分。外机匣除本身产生的径向力(重量引起)和轴向力外，还要传递从后安装边向前传到主安装节的轴向力、径向力和扭矩。内机匣除本身的径向力和轴向力外还要向前传递涡轮第一级导向器产生的部分扭矩和轴向力。内机匣由于受外压，稳定性是主要的。 机匣承力形式决定燃烧室机匣的结构形状，而发动机总体安排、支点布局和燃烧室类型等的不同，使传力可分为内传力、外传力、平行传力和混合传力。 1内传力 由涡轮传来的各种力，均通过内机匣或涡轮轴机匣向前传。这种传力方式只是用于早期单管燃烧室的情况，如WP5等。 2外传力 仅仅由外机匣传递涡轮传来的各种力，也仅见于早期环管燃烧室类型上。 3混合传力 燃烧室前端利用压气机末级导流叶片或承力支板将内外机匣刚性连 接。内机匣传来的轴向力、径向力和扭矩通过叶片或支板传至外机匣。使用支板的另一个原因是需要由此引气或放气。 燃烧室机匣后端则通过支柱、隔板或支撑杆将内外机匣连接。燃气收集器之间安排连接内外机匣的十个支柱。内端焊接在内机匣上，外端以螺栓和机匣相连。 设计要求有足够的径向刚性，以把涡轮前支点的径向力大部分传到外环，而轴向刚性则要求较小，以保证尽量减少工作中内外机匣轴向膨胀不一致所产生的热应力。这种结构的优点是: 1)传力刚性分配，不至于使直径小的内机匣承受过大的径向力; 2)整体机匣变形小，保证整机刚性。 缺点是结构复杂。该种机构通常应用于在涡轮有前支点，燃烧室多为联管燃烧室的总体结构上。而近期的环形燃烧室和高压转子只有两个支点的总体布局中，已少见这种安排。 4平行传力 在目前采用的环形燃烧室类型、高压涡轮前无支点的条件下，广泛地采用这种传力机匣结构，即外机匣传递涡轮及后面部件的径向力、轴向力和扭矩。而内机匣则传递涡轮第一级导向叶片产生的部分扭矩、轴向力和径向力。内机匣所传递的各种力则由燃烧室机匣前端连接内、外机匣的末级压气机叶片或支板传至外机匣。无论对平行传力还是混合传力，燃烧室前端联接是相同的。对目前短环形燃烧室则大部分采用前置扩压器内支板或末级压气机叶片一起整体铸造的联接形式，如图4,1和图4,2。 图4,1 某燃烧室结构图(扩压器支板连接) 图4,2 某燃烧室结构图(末级叶片连接) 由于平行传力结构多用于没有涡轮前支点情况，径向力不大，内机匣变形也不大。优点是结构简单，工作可靠，不产生轴向热应力等。各种传力方式的特点和适用范围见表4,1。 根据对以上四种机匣传力方式的对比分析研究，结合某小型航空发动机总体安排、支点布局以及燃烧室自身结构类型特点，选择前端扩压器支板联接的平行传力形式的燃烧室机匣结构。 3.3.2选材与材料工艺性分析 针对燃烧室机匣的复杂工作条件，在这里将对燃烧室机匣整体进行选材与材料工艺性分析，并提出以下几点选材要求: 1(具有较高的短时力学性能 根据机匣承力强度分析需要，在高温金属温度条件下，力求选取短时力学性能较高的材料，满足机匣承力件静强度(应力、刚度、稳定性)及包容性等项设计要求。 2(具有较高的疲劳及蠕变/持久性能 在高温金属温度条件下，力求选取较高的疲劳性能的材料，以满足发动机的疲劳寿命要求。对于需要保证封气间隙的热端部件机匣，需要选取具有较高蠕变强度的材料，其他热端部件的机匣则需要选取持久强度较高的材料。 3(具有较小的线膨胀系数 在处于高温工作的机匣承力件，力求选取线膨胀系数较小的材料，以减小热应力或热不协调引起的结构应力。 4(具有较好的抗氧化及材料组织稳定性 对于热端部件的机匣，需要选取具有较好抗氧化能力及组织稳定性的材料，防止燃气等介质的化学腐蚀而降低机匣承力件寿命。 5(具有较好的塑性 对于板料焊接机匣，选择塑性较好的材料，便于冲压成型。 6(具有较好的焊接性能 选择焊接性能较好的材料，便于保证焊接工艺要求，防止发生焊接裂纹或补焊后变脆等。 通过对几种涡喷、涡扇发动机燃烧室机匣和与其相连接的压气机机匣和涡轮机匣材料进行了解，将这几种发动机燃烧室机匣、压气机机匣和涡轮机匣的材料进行对比和分析，详见表3-2。 表3-2 涡喷、涡扇发动机燃烧室机匣选材对比 表3,2中统计了几种常用的机匣承力构件材料，为燃烧室机匣的结构强度设计选材提供了参考。从上表中各型发动机机匣的选材数据来看，可以得出以下结论: a(机匣材料的选择在很大程度上取决于机匣所处的工作温度，根据工作温度选择高温合金类材料或不锈钢材料; b(机匣材料的选择需考虑材料的热膨胀系数的协调性，尽量减少并避免各相邻部件之间由于材料热膨胀系数不同而造成热不协调引起的结构应力。 根据发动机的设计要求和燃烧室部件的工作环境，以及上述对机匣承力件选材的对比分析，可以选用1Cr18Ni9Ti和1Cr11Ni2W2MoV作为备选 材料，1Cr18Ni9Ti材料的部分材料性能见表3,3，1Cr11Ni2W2MoV材料的部分材料性能见表3,4。 表3-3 1Cr18Ni9Ti的部分材料性能[21] 表3-4 1Cr11Ni2W2MoV的部分材料性能[20] 从两种材料的部分性能对比可以看出: a(从材料的密度上来看，1Cr18Ni9Ti的材料密度略大; b(从线胀系数来看，同温度下，材料1Cr18Ni9Ti的线胀系数要大很多; c(从拉伸强度和屈服强度来看，同温度下，材料1Cr11Ni2W2MoV的拉伸强度和屈服强度都要高很多。两种材料的工艺性及应用对比见表3,5。 从两种材料的工艺性和应用对比，可以看出: a(从材料的成形上来看，1Cr18Ni9Ti材料的铸造性能要差一些; b(从加工性能上来看，1Cr18Ni9Ti材料的表面粗糙度难以保证; c(从焊接性能上来看，两种材料的焊接性能均能满足焊接要求。 通过以上对两种备选机匣材料部分材料性能、工艺性和应用进行对比分析，再结合燃烧室自身工作环境，以及考虑整机线胀系数的协调性，选择1Cr11Ni2W2MoV材料作为燃烧室机匣材料是能够满足设计要求的。从以上分析，我们可以得出这个发动机燃烧室机匣的关键材料以及工作条件下的主要参数。接着，我们可以进行发动机机匣合金的疲劳可靠性分析。