管式燃燒室是指一種主體為管的燃燒室。燃燒室呈桶狀，前端空氣入口是通往壓氣機的出口，高溫燃燒氣體從後端出口是通往渦輪。燃燒室入口內呈喇叭狀，迅速擴大的截面可降低壓氣機流出氣流的速度，以利於燃燒，燃燒室這前一段稱為擴壓器。圓筒形燃燒室就是單個大號的管式燃燒室，較少套用。由若干個管式燃燒室環繞燃氣輪機主軸排列組成一個整體的燃燒室稱為分管形燃燒室。
基本介紹
- 中文名：管式燃燒室
- 外文名：Combustion Chamber Fundamentals
- 類型：燃燒裝置
- 功能：化學能轉化為熱能
- 領域：能源
- 學科：熱力工程
簡介,管式燃燒室模型,管式燃燒室的組成,火焰筒,點火裝置,渦流器,噴油嘴,管式燃燒室的工作過程,管式燃燒器的氣流走向,管式燃燒室工作條件,管式燃燒室的影響,四種類型燃燒室與管式燃燒室的關係,
簡介
燃燒室是燃料或推進劑在其中燃燒生成高溫燃氣的裝置，是一種用耐高溫合金材料製作的燃燒設備。活塞到達上止點後其頂部與汽缸蓋之間的空間，燃料即在此室燃燒。燃氣輪機的燃燒室將燃料的化學能轉變為熱能，將壓氣機壓入的高壓空氣加熱到高溫以便到渦輪膨脹做功，燃料為液體燃料（例如汽油）或氣體燃料（例如天然氣）。在燃燒物理學中有四種守恆方程，即總質量守恆、動量守恆、能量守恆及組分守恆方程。
管式燃燒室模型
管式燃燒室模型如右圖，是管式燃燒室的外殼剖視圖，燃燒室呈桶狀，前端空氣入口是通往壓氣機的出口，高溫燃燒氣體從後端出口是通往渦輪。燃燒室入口內呈喇叭狀，迅速擴大的截面可降低壓氣機流出氣流的速度，以利於燃燒，燃燒室這前一段稱為擴壓器。
在燃燒室前端裝有燃料噴嘴，噴嘴噴出的燃料與進入的空氣在燃燒室內燃燒，產生高溫高壓燃氣從出口噴出，燃燒室內燃燒溫度高達2000多度，壓力在20至30多個大氣壓，燃燒室外殼在這樣高溫下很難承受這樣的高壓。為了降低燃燒室壁的溫度，在燃燒室內設火焰筒，火焰筒採用耐高溫材料製成，空氣氣流通過火焰筒前方入口與筒身的進氣孔進入火焰筒內，燃料與空氣混合後在火焰筒內燃燒，由於氣流是從火焰筒外流向火焰筒內，在火焰筒外是沒有火焰的，使燃燒室壁不會受到火焰的燒烤，溫度較低保證強度。而火焰筒只承受高溫，不承受壓力。
管式燃燒室的組成
火焰筒
火焰筒前方是主燃區，中部是補燃區，後部是過渡段（燃氣導管）。圖4是燃燒室氣流走向示意圖，白色箭頭線表示氣流在燃燒室的走向。
雖然火焰筒採用耐高溫材料製成，也難承受高溫的燒烤，為了降低火焰筒的溫度，利用空氣進入火焰筒時對其冷卻。通過進氣孔進入火焰筒的空氣能對火焰筒壁起到一定的冷卻作用，但還不夠，還要一些措施來降低火焰筒壁的溫度，下面介紹一種在航空發動機中常用的方法——小孔氣膜冷卻法。
這種火焰筒的圓周開有很多小孔，氣流沿壁進孔並沿內壁走過一段距離，可有效降低這一段的溫度，由於一圈小孔僅降低一段的溫度，所以採用多段的結構，圖中的火焰筒有三段（含燃氣導管）。圖6中的淺藍色箭頭線表示小孔冷卻氣流的走向。
為了看清結構與氣流走向，該火焰筒僅繪有3段，實際上許多火焰筒有更多段；除了小孔氣膜冷卻法外還有多種方法，原理大同小異。
點火裝置
在火焰筒入口有渦流器與燃料噴嘴，在火焰筒前端還有點火裝置。
渦流器
也稱空氣擾流器，目前多數渦流器是由多個偏轉的葉片組成的葉片式渦流器，氣流通過時產生旋轉在火焰筒頭部內形成旋渦，旋渦中心為低壓區，使一部分已經燃燒的高溫燃氣倒流回來形成回流區，不斷的點燃由燃油霧滴蒸發形成的新鮮混合氣。
除了葉片式渦流器還有喇叭形渦流器採用非流線體來產生渦流。
噴油嘴
燃燒室多採用離心式噴油嘴，在高壓作用下燃油經噴油嘴高速旋轉噴出，與噴咀外空氣相撞擊形成極細小的霧化油滴，並很快蒸發與空氣混合，形成新鮮混合氣。
目前氣動霧化噴嘴（氣動噴嘴）在新型燃燒室中得到廣泛套用，優點是燃油離開噴嘴時已經較好的霧化，在火焰筒頭部形成均勻的油霧，燃燒效果好。
點火裝置採用高壓火花塞打火，點燃燃料和空氣的混合氣體。
管式燃燒室的工作過程
- 氣流擴壓減速，
- 噴油霧化，
- 點火，
- 形成燃燒回流區，
- .燃燒，
- 摻混冷卻
管式燃燒器的氣流走向
在來自壓氣機的高壓空氣從燃燒室入口進入，擴壓減速後分兩路進入火焰筒，一路從渦流器進入火焰筒與燃料混合後燃燒；另一部分空氣流經火焰筒外壁從進氣孔與冷卻小孔進入火焰筒與剩餘燃料燃燒，這部分氣流對燃燒室外殼與火焰筒壁起到冷卻作用，同時降低到渦輪的氣流溫度。
管式燃燒室工作條件
①燃燒室在高溫、大負荷下工作
②燃燒室在變工況下工作
③燃燒室在具有腐蝕性的環境下工作
④燃燒室內的燃燒過程是一個極其複雜的物理化學過程
⑤燃燒室中的燃燒在高速氣流及貧油混合氣情況下進行 （“空氣分股”、“減速擴壓”、“反向回流”）。
管式燃燒室的影響
燃氣輪機運行時，燃燒室在寬廣的工況範圍內工作。在燃氣輪機工作情況的過程中，燃燒室進口的空氣流量、溫度、壓力、速度以及燃油消耗量都會發生變化，這些變化反過來又會影響整台燃氣輪機的性能。所以，弄清燃燒室的變工情況特性，對整台燃氣輪機的變工況運行有積極地意義。
擴散燃燒：燃料與助燃劑邊混合邊燃燒的過程，燃燒快慢由擴散快慢決定。
動力燃燒：燃料與助燃劑先混合後然後燃燒的過程。燃燒快慢由可燃混合物的化學動力學因素決定。
差異：動力燃燒——燃燒之前混合均勻
擴散燃燒——燃燒之前不混合
四種類型燃燒室與管式燃燒室的關係
目前燃氣輪機的燃燒室主要有四種類型：圓筒形燃燒室、分管形燃燒室、環管形燃燒室、環形燃燒室，圓筒形燃燒室就是單個大號的管式燃燒室，較少套用。右圖是分管形燃燒室、環管形燃燒室、環形燃燒室的截面圖（垂直於燃氣輪機軸線的截面）示意圖。
由若干個管式燃燒室環繞燃氣輪機主軸排列組成一個整體的燃燒室稱為分管形燃燒室；由若干個管式火焰筒繞燃氣輪機主軸排列在一個環形燃燒室內稱為環管燃燒室；在環形燃燒室內有一個環形火焰筒稱為環形燃燒室。
