燃气涡轮燃烧室基础

　　航空燃气涡轮发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，其发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现，也是国家安全和大国地位的重要战略保障。目前，世界上能够独立研制高性能军用航空燃气涡轮发动机的只有美、俄、英、中等少数几个国家，民用领域则由美、英两国垄断，技术门槛极高。
　　燃烧室是航空燃气涡轮发动机的核心部件之一，其组织空气流动、雾化和混合燃油，通过燃烧过程把燃油中的化学能释放并转化为热能，用于提高发动机工作介质（燃气）的温度。高温的燃气工作介质是驱动涡轮使发动机输出推力或者功率的源泉，因而它常常被称作航空燃气涡轮发动机的“心脏”。加力燃烧室在涡轮排气（或混合了外涵纯空气）中再次喷入燃油进行燃烧，目标是再次提高燃气的温度和排气速度，以大幅提升发动机的推力，被认为是航空燃气涡轮发动机的“接力站”。
　　随着“十三五”期间我国航空发动机和燃气轮机重大专项的全面启动实施，出现了很多关于航空燃气涡轮发动机燃烧方面的优秀图书。这些图书侧重点不同，优势各异。本书立足清华大学航空发动机研究院燃烧传热专业组的现状，为加强专业组队伍建设，特组织编写本书用作科研参考。本书集基础性、专业性、先进性和工程性于一身，形成了以下特点： 
　　（1） 内容全面系统，脉络清晰分明。本书内容涉及航空燃气涡轮发动机燃烧室的理论、关键技术和部件的原理、功用、工作机制、试验测试和故障分析，篇章内容全面、系统，章节脉络清晰。
　　（2） 理论深刻透彻，示例生动实用。本书的理论论述部分深刻、透彻，示例说明部分生动、实用。例如，对总压损失系数与温升比和马赫数间的理论关系，扩压器等压梯度型面计算理论、喷油嘴性能计算理论等都提供了详细的理论推导过程； 火焰筒的非冷却壁温计算、气膜冷却壁温计算，以及TBC壁温计算等示例紧扣应用，生动再现了不同应用场景中的壁温计算流程，实用性极强。
　　（3） 突出工程思维，注重应用实践。本书无论是燃烧基础理论还是燃烧室专业理论都聚焦航空燃气涡轮发动机燃烧室工程。在编排上也是基于工程思维以燃烧室零组件作为全书的大纲。燃烧室试验和故障分析的章节更是从工程规模燃烧室出发，阐述工程燃烧室的性能试验和故障处理，直接瞄准应用实践。
　　全书共14章，其中1~12章和附录由清华大学教授曾青华编写，第13章由中国航发四川燃气涡轮研究院专项总师冯大强研究员编写，第14章由空军5719型号总师邹利民研究员编写。全书由曾青华统稿。
　　本书在编著过程中，原北京航空航天大学金如山（J.S.Chin）教授给予了大量指导。在此向金老先生致以最诚挚的感谢和最崇高的敬意！
　　衷心感谢中国工程院院士甘晓华教授！甘院士治学严谨、为人和蔼，给予了本书关键性的指导。在此向甘院士致以最美好的祝福！
　　此外，很多业内专家和同事提供了大量有价值的素材和有益的建议，在此深表感谢。尤其感谢西北工业大学张群教授，中国航发四川燃气涡轮研究院谢建光和郑明新研究员，沈阳航空航天大学刘爱虢教授，5719厂欧秀萍和高明高级工程师，航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司李子昂部长，北京动力机械研究所王云雷研究员和何悟高级工程级，西南交通大学郑东副教授等，也特别感谢清华大学航空发动机研究院老师们的支持和帮助。
　　本书涉及面较广，引用了大量文字、图、表、数据等，对这些内容的原作者表示衷心的感谢！此外，有的图、表和数据等内容难以溯源，未能注明出处，敬请谅解！囿于作者水平有限，书中缺点和错误在所难免，敬请读者批评指正。

作者
2023年9月

本书共14章,系统阐述了航空燃气涡轮发动机燃烧室的相关理论、关键技术和部件的原理、功用、工作机制、试验测试和故障分析。第1章和第2章主要阐述了燃烧及燃烧学的基础理论; 第3章论述了航空燃气涡轮发动机的基本知识,从整机视角认识燃烧室; 第4章和第5章从总体角度阐述了主燃烧室的功用、特点、类型、结构、参数、性能要求、设计要求和工作机制; 第6章至第11章从部件结构和性能角度进行阐述,包括喷油嘴及其喷雾、点火器和燃烧室点火、扩压器及其内流特性、两股空气动力学特性、火焰筒冷却和燃烧室排放等; 第12章阐述了加力燃烧室的功用、特点、参数、性能要求和构成,讨论了振荡燃烧问题; 第13章阐述了工程燃烧室试验的相关概念、试验器、试验方法、测试技术和试验数据的处理; 第14章阐述主燃烧室和加力燃烧室的主要故障类型和常见故障处理方法,从更深层次理解燃烧室理论和燃烧室设计。 本书既可作为高等学校航空宇航科学与技术、动力机械和工程热物理等学科的研究生专业 课程教材,也可作为从事与航空燃气涡轮发动机燃烧相关工作的科研人员和工程技术人员的参 考用书。

曾青华，教授，清华航发院燃烧传热专业组副组长，兼任空军5719客座研究员。主要从事航空发动机燃烧学科研工作。主持和参加国家级科研项目10余项，发表论文30余篇，授权专利20余项，出版译著1本。

第1章绪论
1.1燃烧的定义
1.2燃烧的分类
1.3燃烧的应用
1.4燃烧学简史
1.5燃烧学研究对象和方法
1.6本书的内容要点

第2章燃烧基础理论
2.1引言
2.1.1内容概述
2.1.2燃烧系统
2.2燃烧热力学
2.2.1燃烧系统的热力学第一定律分析
2.2.2燃烧系统的热力学第二定律分析
2.3燃烧动力学
2.3.1化学反应有关概念
2.3.2化学反应速度
2.3.3反应速度影响因素
2.3.4链反应
2.4燃烧流体力学
2.4.1多组分气体性质
2.4.2输运定律
2.4.3守恒方程
2.4.4一维流方程
2.4.5多组分反应系统相似准则
2.5气相燃烧基础理论
2.5.1层流预混燃烧
2.5.2湍流预混燃烧
2.5.3层流/湍流的扩散燃烧
2.6液雾燃烧基础理论
2.6.1航空喷气燃料RP-3的特性
2.6.2高温静止环境下油滴的蒸发和燃烧
2.6.3对流环境下的油滴蒸发和燃烧
2.6.4热壁面上油滴的蒸发
2.6.5油滴蒸发燃烧中的多组分因素
2.6.6油滴群的蒸发和燃烧
2.7着火、熄火和火焰稳定
2.7.1着火理论
2.7.2熄火理论
2.7.3火焰稳定理论

第3章航空燃气涡轮发动机概述
3.1航空燃气涡轮发动机类型
3.2航空燃气涡轮发动机循环
3.3航空燃气涡轮发动机性能要求
3.3.1涡喷和涡扇发动机的性能指标
3.3.2涡桨和涡轴发动机的性能指标
3.3.3航空燃气涡轮发动机使用性能要求

第4章主燃烧室概述
4.1主燃烧室的功用
4.2主燃烧室的特点
4.3主燃烧室的类型
4.3.1单管燃烧室
4.3.2环管燃烧室
4.3.3环形燃烧室
4.4主燃烧室的结构
4.5主燃烧室的参数
4.6主燃烧室的性能要求
4.6.1燃烧效率
4.6.2总压损失
4.6.3出口温度分布
4.6.4点火边界
4.6.5稳定工作范围
4.6.6排气污染
4.6.7使用寿命
4.6.8容热强度
4.7主燃烧室设计界面要求
4.7.1设计界面参数要求
4.7.2设计界面尺寸要求

第5章主燃烧室工作机制
5.1火焰筒分区
5.1.1常规分区
5.1.2分区发展
5.2空气流量分配
5.3空气流动组织
5.4油雾分布组织
5.5燃烧区燃烧机制
5.6掺混区掺混机制
5.7火焰筒冷却机制

第6章喷油嘴及其喷雾
6.1喷油嘴工作机制
6.1.1液滴破碎条件
6.1.2液柱雾化机制
6.1.3液膜雾化机制
6.2喷油嘴性能要求
6.2.1喷油量
6.2.2喷雾锥角
6.2.3喷雾周向不均匀度
6.2.4液滴平均直径
6.2.5液滴尺寸分布
6.2.6液滴均匀度
6.3喷油嘴流量方程
6.4喷油嘴的类型
6.4.1直射式喷嘴
6.4.2离心式喷嘴
6.4.3空气雾化喷嘴
6.4.4甩油盘喷嘴
6.4.5蒸发管喷嘴
6.4.6组合式喷嘴
6.5喷油嘴性能理论计算
6.5.1喷油量理论计算
6.5.2喷雾锥角理论计算
6.5.3燃油黏性的影响
6.6喷油嘴性能的影响因素
6.7喷油嘴积炭和防护
6.7.1喷油嘴积炭机制
6.7.2喷油嘴积炭防护

第7章点火器和燃烧室点火
7.1物态
7.2气体放电
7.3点火器类型
7.3.1电火花点火器
7.3.2等离子体点火器
7.4点火器应用场景
7.5燃烧室点火方式
7.6燃烧室点火过程
7.7燃烧室点火因素

第8章扩压器及其内流特性
8.1扩压器功能
8.2扩压器流态
8.3扩压器性能要求
8.3.1扩压器性能指标
8.3.2扩压器使用性能要求
8.4扩压器类型
8.5扩压器结构
8.6扩压器型面设计
8.7进口流动条件影响

第9章两股空气动力学特性
9.1旋流器
9.1.1旋流器功用
9.1.2旋流器类型
9.1.3旋流器性能
9.2旋流器空气动力学
9.2.1旋流器空气流动
9.2.2回流形成机制
9.3环道空气动力学
9.3.1环道空气流动
9.3.2火焰筒孔内流动

第10章火焰筒冷却
10.1引言
10.2火焰筒冷却方法
10.2.1常规型气膜冷却
10.2.2增强型气膜冷却
10.2.3先进冷却方法
10.3热障涂层技术
10.4火焰筒的材料
10.4.1材料的基本要求
10.4.2陶瓷复合材料
10.5火焰筒温度计算
10.5.1非冷却壁温计算
10.5.2气膜冷却壁温计算
10.5.3热障涂层壁温计算

第11章燃烧室排放
11.1排放污染物的危害
11.2污染物生成机制
11.2.1CO生成机制
11.2.2UHC生成机制
11.2.3冒烟生成机制
11.2.4NOx生成机制
11.3污染物控制方法
11.3.1CO和UHC控制
11.3.2冒烟控制
11.3.3NOx控制
11.4低污染燃烧室技术
11.4.1可变几何燃烧室
11.4.2燃油分级燃烧室
11.4.3贫油预混预蒸发燃烧室
11.4.4富油燃烧-淬熄-贫油燃烧燃烧室
11.4.5贫油直接喷射燃烧室
11.4.6催化燃烧室

第12章加力燃烧室
12.1加力燃烧室的功用
12.2加力燃烧室的特点
12.2.1区别于主燃烧室的特点
12.2.2涡喷加力与涡扇加力比较
12.2.3加力的硬点火与软点火
12.3加力燃烧室的参数
12.4加力燃烧室性能要求
12.4.1加力燃烧室性能指标
12.4.2加力燃烧室使用性能要求
12.5加力燃烧室的构成
12.5.1混合器
12.5.2扩压器
12.5.3稳焰器
12.5.4供油装置
12.5.5点火装置
12.5.6防振隔热屏
12.5.7结构一体化
12.6振荡燃烧
12.6.1振荡燃烧的类型和特点
12.6.2加力燃烧室振荡燃烧的原因
12.6.3加力燃烧室振荡燃烧的抑制

第13章燃烧室试验
13.1试验的相关概念
13.1.1燃烧室试验定义
13.1.2试验科目和工况
13.1.3燃烧室的试验件
13.2燃烧室的试验器
13.2.1试验器的原理
13.2.2试验器的构成
13.2.3关键工艺设备
13.2.4试验器的设计
13.3燃烧室试验方法
13.3.1模化实验方法
13.3.2主要相似准则
13.3.3冷态流阻试验方法
13.3.4流量分配试验方法
13.3.5点/熄火特性试验方法
13.3.6燃烧性能的试验方法
13.4燃烧室测试技术
13.4.1高温测试技术
13.4.2燃气分析技术
13.4.3光学诊断技术
13.5试验数据的处理
13.5.1试验数据判识
13.5.2试验数据的处理方法
13.5.3不确定度分析

第14章燃烧室故障分析
14.1主燃烧室故障
14.1.1主要故障类型
14.1.2常见故障处理
14.2加力燃烧室故障
14.2.1主要故障类型
14.2.2常见故障处理
14.2.3复杂系统性问题引起的故障

附录A常见燃料与静止空气恰当混合在1atm/25℃下燃烧性能参数
附录B空气与燃气各组分绝对焓与温度的关系
附录C工程燃烧室常用的光学诊断技术
附录D主要符号表
参考文献

本书共14章,系统阐述了航空燃气涡轮发动机燃烧室的相关理论、关键技术和部件的原理、功用、工作机制、试验测试和故障分析。第1章和第2章主要阐述了燃烧及燃烧学的基础理论; 第3章论述了航空燃气涡轮发动机的基本知识,从整机视角认识燃烧室; 第4章和第5章从总体角度阐述了主燃烧室的功用、特点、类型、结构、参数、性能要求、设计要求和工作机制; 第6章至第11章从部件结构和性能角度进行阐述,包括喷油嘴及其喷雾、点火器和燃烧室点火、扩压器及其内流特性、两股空气动力学特性、火焰筒冷却和燃烧室排放等; 第12章阐述了加力燃烧室的功用、特点、参数、性能要求和构成,讨论了振荡燃烧问题; 第13章阐述了工程燃烧室试验的相关概念、试验器、试验方法、测试技术和试验数据的处理; 第14章阐述主燃烧室和加力燃烧室的主要故障类型和常见故障处理方法,从更深层次理解燃烧室理论和燃烧室设计。 本书既可作为高等学校航空宇航科学与技术、动力机械和工程热物理等学科的研究生专业 课程教材,也可作为从事与航空燃气涡轮发动机燃烧相关工作的科研人员和工程技术人员的参 考用书。

曾青华，教授，清华航发院燃烧传热专业组副组长，兼任空军5719客座研究员。主要从事航空发动机燃烧学科研工作。主持和参加国家级科研项目10余项，发表论文30余篇，授权专利20余项，出版译著1本。