航空发动机燃烧室发展趋势2023.docx

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1、航空发动机燃烧室发展趋势2023目录1 -序言12 .军用航空发动机燃烧室33 .民用航空发动机燃烧室34 .航空发动机衍生工业燃气轮机燃烧室65 .航空发动机产业的主要特点以及瓶颈技术65.1. 航空发动机产业是保持大国地位的核心，是工业强国的象征75.2.航空发动机产业需要国家进行长期、稳定的扶持与投入75.3.航空发动机的技术门槛很高75. 3.1.航空发动机设计之难76. 3.2.航空发动机材料之难87. 3.3.航空发动机制造之难86.我国航空发动机制造业的现状及发展96.1. 我国航空发动机精益生产的状况及发展96. 1.1.我国航空发动机企业精益生产现状97. 1.2.我国航空发

2、动机生产企业的精益生产途径IO6.2. 基于MBD技术的数字化工艺及其应用116.3.我国航空发动机企业的CIMS之路126.3.1.在我国的航空发动机制造行业，FMS应该缓行126.3.2.CIMS结构应因零部件工艺特点而异131 .序百航空发动机，被誉为“工业之花”，是构成国家实力基础和军事战略的核心技术之一。发达国家在策略上对内优先发展，对外严密封锁。我国航空发动机研制任重道远，突破关键技术、走自主研制航空发动机之路是我国的必然选择。本文主要介绍了我国航空发动机产业现状和数字化制造技术、PDMP1M.CIMS系统在产业中的应用，并且介绍了相关制约我国航空工业发展的核心技术的发展情况。人们

3、常把发动机比喻为飞机的“心脏”，而燃烧室可以说是“心脏”的“心脏”。燃烧室的作用是将化学能（燃料加空气）转化为燃烧产物和剩余的未燃空气的热能（温度升高）。燃烧室接受压气机流出的高压空气，通过燃料燃烧产生热能，为涡轮提供均匀混合的热气，这样涡轮才能输出驱动压气机工作所需的功率，这就决定了燃烧室是发动机的“心脏”，也就是“心脏”的“心脏”。航空发动机燃烧室，位于压气机与涡轮之间，为燃料提供燃烧场地。当发动机工作时，燃料进入燃烧室，与高压空气混合并充分燃烧，燃料的化学能转化为热能，产生达到涡轮要求的高温高压气体，做功转化为发动机推力，从而使发动机运行。燃烧室是航空发动机的三大核心部件之一，其质量好坏

4、直接影响航空发动机性能。航空发动机燃烧室的工况复杂，从启动到停止过程之间，所处的温度、压力环境，以及进出气体流量等均发生巨大变化，这对产品的材料选择、结构设计、制造工艺、质量稳定性等要求极高。航空发动机推重比不断提高，燃料燃烧后固体颗粒的排放量随之提升，而航空工业环保要求不断提高，因此，燃烧室设计要求进一步提升，以降低污染物排放量。总的来看，航空发动机燃烧室技术壁垒高且进入门槛还在不断提升。按照结构来划分，航空发动机燃烧室可以分为环形燃烧室、环管燃烧室、分管燃烧室等类型。分管燃烧室是由多个单管燃烧室构成，由联焰管相连，每个单管燃烧室都拥有独立的火焰筒、外套；环管燃烧室是在内外壳体之间的环形腔中

5、，多个管形火焰筒由联焰管相连均匀排列；环形燃烧室是在内外壳体之间的环形腔中，由一个火焰筒构成燃烧区与掺混区。目前，环形燃烧室应用比例最高。根据新思界产业研究中心发布的20232027年中国航空发动机燃烧室行业市场深度调研及发展前景预测报告显示，燃烧室的性能直接决定航空发动机的经济性、可靠性与使用寿命，与飞机飞行的安全性息息相关，是飞机的重要部件。航空发动机燃烧室的性能指标主要包括燃烧效率、燃烧稳定性、地面点火状态、空中再点火状态、出口温度均匀性、压力损失、使用寿命、尺寸重量、污染物排放量等。航空发动机燃烧室的设计与制造技术壁垒高，全球量产企业数量较少。目前先进航空发动机燃烧室，无论从燃烧组织方

6、式、燃烧室头部结构、燃油喷射雾化方法以及火焰筒冷却方式等方面都与常规燃烧室有很大差异；先进燃烧室采用新概念、新技术和新方法势必带来新的技术难点和研发关键。2 .军用航空发动机燃烧室随着军用发动机推重比不断提高、超音速巡航以及短距起飞/垂直降落的要求，其燃烧室朝着高油气比方向发展。国外推重比12的军用发动机已经服役，以后还会更高。推重比的进一步（不能轻易的说今后的推重比是15还是18）提高非常不易，但是高推重比的要求是不会改变的。提高推重比的一个主要技术手段就是提高涡轮进口温度，也就是提高燃烧室总油气比。现在美国已经实现的燃烧室油气比为0.046（F135发动机），其在2023年以后会达到0.0

7、51（F135增推型），美国空军的2030年计划中燃烧室油气比高达0.062。军用航空发动机的发展趋势如图1所示。军用发动机发展工燃气鸵机燃烧室图1军用发动机燃烧室发展趋势为了解决高油气比燃烧室存在的大工况冒烟与小工况贫油熄火之间的设计矛盾，国内外普遍采用分区燃烧的燃烧组织方式，将燃烧区分成两个或多个燃烧区，各燃烧区可以独立工作或同时工作，以保证不同工况下的性能需求。3 .民用航空发动机燃烧室民用航空发动机燃烧室朝着低污染方向发展。但需要说明的是，对于民用发动机（不只是燃烧室）来说，降低油耗是最受欢迎的。燃烧室在遇到降低污染排放和和降低油耗的矛盾时，航空公司宁可选择降低油耗。另外航空发动机的首

8、要要求是工作可靠，无论是低污染还是低油耗，都不能影响到可靠性。目前民用发动机低污染燃烧室主要有3种方案。1)富燃快速淬熄贫燃Richburn-Quickquench-1eanburn(RQ1)方案，结构示意图如图2所示。这个方案已发展了近30年，其优点是容易解决高空点火和慢车贫油熄火问题，但在降低污染排放方面成效不大。不仅仅是NOX减少有限，技术也不简单。后面描述的贫油预混合预蒸发1eanPremiXedPreVaPOriZed(1PP)方案的缺点，RQ1基本都有，而且还有冒烟问题，所以RQ1不会是今后的发展方向。2)贫油预混合预蒸发1eanPremiXedPreVaPOriZed(1PP)方

9、案。这是近30多年来主要的研发方向。但1PP有很多技术难题，比如自燃、回火和振荡燃烧。目前已经服役的1PP燃烧室是GE的TWinAnnu1arPremiXedSWir1erS(TAPS)燃烧室(用于GENX发动机和1EAP发动机，其结构示意图如图3所示)。1PP中的主油需要分级，使得系统变得复杂，也影响到可靠性。这种方案目前的油气比范围为0.03到0.033,其中主油分级问题是需要解决的难题之一。民用发动机的压比、燃烧室进口温度和油气比也在不断提高，当油气比超过0.036到0.038甚至更高时，1PP对减少Nc)X并不会有多大好处。Cyc1onePremixingCyc1oneF1ameZon

10、ePi1otZCyc1oneInteractionZoneRccircu1ationZone图31PP(TAPS)燃烧室结构方案示意图3)贫油直接混合1eanDirectMiXed(1DM)方案。在国外这种方案叫贫油直接喷射1eanDireCt1njeCtiOn(1DI)。其实直喷几十年来燃烧室一直在用，除了蒸发管燃烧室以外，一律都是直喷。直喷的关键是直喷以后还要直接混合，这是其重点，所以我们称之为贫油直混燃烧1DMC贫油直混燃烧是直混燃烧的一种，前面说的高油气比燃烧室也是直混燃烧，但不是贫油，而是化学恰当比燃烧或接近化学恰当比的直混燃烧。贫油直混燃烧有很多优点，由于没有了预蒸发预混合，就没有

11、自燃和回火问题，而且振荡燃烧问题也不突出，也没有主油分级问题。但1DM在油气比0.03到0.033时，其NoX减少不及1PP好。1D1贫油直喷方案20年前由NASA刘易斯研究中心提出，至今未有技术上的突破。近年美国国家航空航天局Nationa1AeronauticsandSpaceAdminiStratiOn(NASA)格林研究中心又开始对1D1开展研究，但是仍然是采用以前的技术路线，目前的结果也不理想，距离实用还有较大距离。NASA1DI燃烧室结构示意图如图4所示。实际上NASA考虑的是今后更高油气比下势必要采用贫油直混燃烧技术。西北工业大学燃烧团队的直混燃烧技术与其不同，比较接近实用。应该

12、指出的是，对于压比超过70的发动机，1DM是唯一的低污染燃烧技术发展方向。4 图4NASA1D1燃烧室结构方案示意图5 .航空发动机衍生工业燃气轮机燃烧室航空发动机衍生工业燃气轮机的发展方向也是低污染。如果使用的是气体燃料（天然气），对其污染排放的要求是：在换算为15%氧浓度情况下，在50%到100%的工况范围内，每一点的NOX排放小于25PPM,Co排放小于50ppMo如果燃料为柴油，对其污染排放的要求是：在换算为15%氧浓度情况下，在50%至IJIOO%的工况范围内，每一点的NOX排放小于65ppM,CO排放小于IOOPPM。要特别注意，工业燃气轮机的低污染要求与航空发动机有许多不同。民用

13、航空发动机规定的是7%、30%、85%和100%四个工况下，在规定的时间内的排放要求，而工业燃气轮机对其在50%到100%工况内的每一点都要达到其对应的NOX和CO排放要求。这样工业燃气轮机必须要燃油分级，例如1M6000（航空衍生工业燃气轮机），其燃料有15个分级，非常复杂。要解决这个问题，就要设计在任意一个工况（如50%工况）下，可以实现NOX和CO排放要求的燃料空气比要尽可能的宽。因为在高的燃料空气比下，NOX排放较高，而在低的燃料空气比下，Co排放较高。因此在这个工况下，同时要满足NOX和CO的燃料空气比越宽，燃料分级的级数就越少，这个是工业燃气轮机研发的方向。6 .航空发动机产业的主

14、要特点以及瓶颈技术从发达国家航空发动机产业发展历程看，航空发动机产业主要有以下特点：6.1. 航空发动机产业是保持大国地位的核心，是工业强国的象征美国政府一直严格控制航空发动机技术，不仅对我国保持封锁，甚至在某些核心技术上也对其欧洲盟友实行“禁运”。在未来1020年，航空发动机产业仍然占据了美国国防科技战略的核心位置。同时，发达国家在人力资源方面实行看不见的封锁，不仅限制其他国家人员进入航空发动机核心研制领域，而且限制本国相关人才向国外转移，以此来保持产业实力。5.2.航空发动机产业需要国家进行长期、稳定的扶持与投入航空工业是典型的高技术、高投资、高风险、高附加值和国际化的工业，而航空发动机更

15、是如此，研制周期长、耗资巨大。根据国外经验，典型的发动机研制周期约为814年，整个发动机的使用寿命期约为30年。研制经费在历年增长，根据发动机型号大小、研制条件的不同，研制一台先进的大中型航空涡轮发动机，大致需要15亿30亿美元。美国长久以来一直通过国家长期、稳定的大力支持和投入，实施多项超前于具体型号的纯粹综合性技术研究性的中长期研究计划和短期专项研究计划，为发动机研制提供了充足的技术储备，降低了工程研制的技术风险，缩短了研制周期。正是因为这种长时间的巨额投入才保持了美国在航空发动机产业的领先地位。5.3.航空发动机的技术门槛很高5.3.1.航空发动机设计之难在航空式发动机中，最关键的压气机

16、、燃烧室、涡轮组成发动机的核心机。涡轮驱动压气机以每秒上千转的转速高速旋转，进入发动机的空气在压气机中逐级增压，多级压气机的增压比可达25以上。增压后的空气进入发动机燃烧室,与燃油混合、燃烧。要保持燃油火焰在以IOom/s以上高速流动的高压气流中稳定燃烧，同时要保护燃烧室火焰筒壁不被高温燃气烧蚀，光靠选择耐高温材料和耐热涂层还不够，还要通过燃烧室结构设计，采取冷却手段，降低燃烧室筒壁温度，保证燃烧室正常工作。从燃烧室出来的高温、高压燃气流驱动涡轮叶片以每分钟数千转甚至上万转的转速运转，通常涡轮前温度要超过涡轮叶片材料的熔点。除此之外，航空发动机的外部运行环境极其严苛，要适应从地面高度到万米高空缺氧环境、从地面静止状态到每小时数千米的超音速状态和从沙漠干燥环境到热带潮湿环境。总之，航空发动机需要