航空發(fā)動機燃燒室機匣的組成及選材分析

航空發(fā)動機燃燒室機匣的組成及選材分析3.1航空發(fā)動機的基本組成發(fā)動機是飛機的“心臟，是推動飛機和整個航空工業(yè)蓬勃發(fā)展的源動力，20世紀下半葉世界航空動力呈加速發(fā)展態(tài)勢，21世紀航空動力面臨新的機遇，它將以更快的速度向前發(fā)展并促使飛機和航空工業(yè)出現(xiàn)新的飛躍一般而言發(fā)動機由點火裝置、燃燒室、裝藥和噴管四部分組成。3.1.1點火裝置發(fā)動機點火裝置工作的基本要求是:能保證主裝藥準(zhǔn)確、可靠地點燃、點火延遲時間要短它的基本失效模式有發(fā)火失效和對發(fā)動機點火失效兩種以往的型號研制經(jīng)驗表明一般情況下眾多的結(jié)構(gòu)可靠性評估續(xù)計變量中以在規(guī)定時間內(nèi)達到的點火壓強為最佳統(tǒng)計變量。3.1.2燃燒室燃燒室是燃料與空氣混合并進行燃燒的地方，燃燒室工作的好壞直接影發(fā)動機的性能，并關(guān)系到發(fā)動機的安全可靠性。3.1.3裝藥一般選取受內(nèi)壓時的殼體應(yīng)力為統(tǒng)計變量發(fā)動機藥柱分為自由裝填式和殼體粘接式兩類對于自由裝填式藥柱強度是足夠的通常不需要進行結(jié)構(gòu)完整性分析對于殼體粘接式藥柱特別是內(nèi)孔形狀復(fù)雜的藥柱通常存在較嚴重的藥柱強度問題，因為藥柱從制造到使用的過程中，其內(nèi)部會產(chǎn)生各種機械應(yīng)力藥柱失效的基本故障或基本機理決定最終結(jié)果造成氣體生成速率過低或過高在化學(xué)和結(jié)構(gòu)兩方面的損壞都表現(xiàn)為造成過高的殼體內(nèi)壓經(jīng)驗及分析表明，當(dāng)殼體粘接式藥柱受熱載荷和工作壓強載荷時，工作內(nèi)壓是應(yīng)研究的主要載荷以延伸率作為藥柱結(jié)構(gòu)可靠性評估的統(tǒng)計變量較為合理而受加速度載荷和自重載荷時以強度作為藥柱結(jié)構(gòu)可靠性評估的統(tǒng)計變量較為合理上述觀點已為多年來發(fā)動機的研制實踐所證實。3.1.4噴管自身工作條件及環(huán)境影響，其材料主要選用馬氏體鋼材2Cr13、3Cr13和4Cr13及雙路雙室雙噴口，分別具有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能和用途。3.2燃燒室的分類及基本構(gòu)成同時還要求尺寸小重量輕便于維護足夠的強度及剛性和有一定的使用壽命。3.2.1燃燒室的分類室和環(huán)形燃燒審。3.2.1.1單管燃燒室又叫分管燃燒宣它的結(jié)構(gòu)特點是第一個管形火焰筒的外面都包有一個單獨的外殼組成一個單管燃燒室沿發(fā)動機圓周均勻地安裝有6～16個這樣的分管，各分管之問用聯(lián)焰管聯(lián)通，傳播火焰和均衡壓力。3.2.1.2聯(lián)(環(huán))管燃燒室它的結(jié)構(gòu)特點是將若干個管形火焰筒沿圓周均勻安裝在同一個內(nèi)外殼體間的環(huán)腔內(nèi)，相鄰火焰筒燃燒區(qū)之間用聯(lián)焰管聯(lián)通。聯(lián)管燃燒室的結(jié)構(gòu)比較緊湊外廓尺寸顯著地減少外殼體是承力構(gòu)件有利于減輕發(fā)動機結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和改善發(fā)動機整體剛性。3.2.1.3環(huán)形燃燒室同的火焰筒內(nèi)外壁構(gòu)成的環(huán)形燃燒區(qū)和摻娓區(qū)在火焰箭頭部裝有幾個燃油噴嘴和穩(wěn)定裝置燃燒室的各個氣流通道都是環(huán)形的因此與壓氣機出口環(huán)形氣流廣泛采用。3.2.2燃燒室的基本構(gòu)成筒、燃油總管、點火囂等構(gòu)成[14]。3.2.2.1燃燒室機匣燃燒室機匣是發(fā)動機的承力殼體由外殼體和內(nèi)殼體構(gòu)成外殼前段和殼構(gòu)成擴壓器降低壓氣機氣流速度外殼和內(nèi)殼組成環(huán)形氣流通道保證氣的穩(wěn)定性擴壓器為流線形擴壓器進口有一平直段一方面防止氣流畸變影響出口溫度場品質(zhì)和氣流擾動影響壓氣機性能另一方面減少葉片尾跡對燃燒室場的影響。力以及振動等多種負荷本次設(shè)計主要研究的是在各種溫度作用下燃燒室機匣的相應(yīng)應(yīng)力變化。3.2.2.2火焰筒該發(fā)動機燃燒室共裝有10個五段直流式氣膜冷卻火焰筒，火焰筒是燃燒室的一個重要組件其作用是使燃油在它的空腔內(nèi)得到穩(wěn)定且完全的燃燒并獲得滿意的出口溫度場火焰筒由帶有旋流器錐體的頭部帶有氣膜冷卻的五段筒體和燃氣導(dǎo)管構(gòu)成從壓氣機來的氣流分為兩股進入火焰筒一股從旋流器進氣溫度。燃氣導(dǎo)管將燃氣由圓形界面向扇形界面過渡。3.2.2.3燃油總管燃油總管共有10個噴嘴，噴嘴為雙油路離心式壓力霧化噴嘴，主副油路獨立將主副油路提供的燃油分別噴入兩個獨立的旋流器然后從兩個同心布置的噴嘴噴出由于兩條油路各自獨立無論大小工況均可獲得滿意的霧化質(zhì)量燃油流量的變化范圍也比較大。3.2.2.4點火器點火囂由點火器殼體和點火電嘴構(gòu)成電嘴為電蝕電嘴每臺發(fā)動機配備兩個點火電嘴，點火方式為間接點火。3.3燃燒室機匣的選材分析擴壓器與外機匣內(nèi)機匣共同組成燃燒室機匣燃燒室是發(fā)動機的高溫部件，維護有足夠的強度及剛性和有一定的使用壽命燃燒室機匣是發(fā)動機的承力件，材是開展發(fā)動機疲勞可靠性分析的前提條件只有在材料滿足可靠性需求時所有的設(shè)計才有意義。3.3.1燃燒室機匣受力分析燃燒室機匣由擴壓器機匣外機匣和內(nèi)機匣三部分組成其功能主要是成燃燒室的氣流通道和作為發(fā)動機承力系統(tǒng)的一部分燃燒室外機匣主要承受是內(nèi)外壓差所形成的周向力周向力占外機匣應(yīng)力的絕大部分外機匣除本身產(chǎn)生的徑向（重量引起和軸向力外還要傳遞從后安裝邊向前傳到主安裝節(jié)的軸向力徑向力和扭矩內(nèi)機匣除本身的徑向力和軸向力外還要向前傳遞渦輪第一級導(dǎo)向器產(chǎn)生的部分扭矩和軸向力。內(nèi)機匣由于受外壓，穩(wěn)定性是主要的。機匣承力形式?jīng)Q定燃燒室機匣的結(jié)構(gòu)形狀而發(fā)動機總體安排支點布局和燃燒室類型等的不同，使傳力可分為內(nèi)傳力、外傳力、平行傳力和混合傳力1內(nèi)傳力是用于早期單管燃燒室的情況，如WP5等。2外傳力僅僅由外機匣傳遞渦輪傳來的各種力，也僅見于早期環(huán)管燃燒室類型上。3混合傳力燃燒室前端利用壓氣機末級導(dǎo)流葉片或承力支板將內(nèi)外機匣剛性連接內(nèi)匣傳來的軸向力徑向力和扭矩通過葉片或支板傳至外機匣使用支板的另一個原因是需要由此引氣或放氣。間安排連接內(nèi)外機匣的十個支柱內(nèi)端焊接在內(nèi)機匣上外端以螺栓和機匣相連。設(shè)計要求有足夠的徑向剛性以把渦輪前支點的徑向力大部分傳到外環(huán)而軸向剛性則要求較小以保證盡量減少工作中內(nèi)外機匣軸向膨脹不一致所產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：1）傳力剛性分配，不至于使直徑小的內(nèi)機匣承受過大的徑向力；2）整體機匣變形小，保證整機剛性。燒室的總體結(jié)構(gòu)上。而近期的環(huán)形燃燒室和高壓轉(zhuǎn)子只有兩個支點的總體布局中，已少見這種安排。4平行傳力在目前采用的環(huán)形燃燒室類型高壓渦輪前無支點的條件下廣泛地采用這種傳力機匣結(jié)構(gòu)即外機匣傳遞渦輪及后面部件的徑向力軸向力和扭矩而內(nèi)機匣則傳遞渦輪第一級導(dǎo)向葉片產(chǎn)生的部分扭矩軸向力和徑向力內(nèi)機匣所傳遞的各種力則由燃燒室機匣前端連接內(nèi)外機匣的末級壓氣機葉片或支板傳至外機匣無論對平行傳力還是混合傳力燃燒室前端聯(lián)接是相同的對目前短環(huán)形燃燒室則大部分采用前置擴壓器內(nèi)支板或末級壓氣機葉片一起整體鑄造的聯(lián)接形式，如圖4－1和圖4－2。圖4－1某燃燒室結(jié)構(gòu)圖（擴壓器支板連接）圖4－2某燃燒室結(jié)構(gòu)圖（末級葉片連接）由于平行傳力結(jié)構(gòu)多用于沒有渦輪前支點情況徑向力不大內(nèi)機匣變形也和適用范圍見表4－1。表1傳力方式的特點和適用范圍傳力式內(nèi)傳外傳

特點內(nèi)機匣傳遞所有力和扭矩，直徑小，剛性差外機匣傳遞所有的力和扭矩內(nèi)機匣沒有和機匣剛性連接，自身剛性較差

適用范圍早期單管燃燒室早期環(huán)管燃燒室混合傳 內(nèi)外機匣傳遞徑向力按剛性分配，受力合理力 較復(fù)雜

渦輪前有支點環(huán)管燃燒室平行傳單渦輪前無支點的力適用，無內(nèi)外機匣膨脹不一致引起的熱應(yīng)力環(huán)行燃燒室根據(jù)對以上四種機匣傳力方式的對比分析研究結(jié)合某小型航空發(fā)動機總安排支點布局以及燃燒室自身結(jié)構(gòu)類型特點選擇前端擴壓器支板聯(lián)接的平行傳力形式的燃燒室機匣結(jié)構(gòu)。3.3.2選材與材料工藝性分析針對燃燒室機匣的復(fù)雜工作條件在這里將對燃燒室機匣整體進行選材與料工藝性分析，并提出以下幾點選材要求：1．具有較高的短時力學(xué)性能計要求。2．具有較高的疲勞及蠕變/持久性能疲勞壽命要求對于需要保證封氣間隙的熱端部件機匣需要選取具有較高蠕變強度的材料，其他熱端部件的機匣則需要選取持久強度較高的材料。3．具有較小的線膨脹系數(shù)應(yīng)力或熱不協(xié)調(diào)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。4．具有較好的抗氧化及材料組織穩(wěn)定性對于熱端部件的機匣，需要選取具有較好抗氧化能力及組織穩(wěn)定性的材料防止燃氣等介質(zhì)的化學(xué)腐蝕而降低機匣承力件壽命。5．具有較好的塑性對于板料焊接機匣，選擇塑性較好的材料，便于沖壓成型6．具有較好的焊接性能焊后變脆等。通過對幾種渦噴渦扇發(fā)動機燃燒室機匣和與其相連接的壓氣機機匣和渦機匣材料進行了解將這幾種發(fā)動機燃燒室機匣壓氣機機匣和渦輪機匣的材料進行對比和分析，詳見表3-2。型號WP7壓氣機機匣燃燒室外機匣 燃燒室內(nèi)機匣型號WP7壓氣機機匣燃燒室外機匣 燃燒室內(nèi)機匣 渦輪機匣i i WP13WP15GH4133MXWPGH4133WS6C263GH2132WS9S/SJ2C263C263MXWSGH4169TC1GH3044表3－2中統(tǒng)計了幾種常用的機匣承力構(gòu)件材料，為燃燒室機匣的結(jié)構(gòu)強設(shè)計選材提供了參考從上表中各型發(fā)動機機匣的選材數(shù)據(jù)來看可以得出以下結(jié)論：a．機匣材料的選擇在很大程度上取決于機匣所處的工作溫度，根據(jù)工作溫度選擇高溫合金類材料或不銹鋼材料；b．機匣材料的選擇需考慮材料的熱膨脹系數(shù)的協(xié)調(diào)性，盡量減少并避免各相鄰部件之間由于材料熱膨脹系數(shù)不同而造成熱不協(xié)調(diào)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。根據(jù)發(fā)動機的設(shè)計要求和燃燒室部件的工作環(huán)境以及上述對機匣承力件選材的對比分析，可以選用i和V作為備選材料，i材料的部分材料性能見表3－3，V材料的部分材料性能見表3－4。拉伸強度（MP）屈服強度（MP）表拉伸強度（MP）屈服強度（MP）溫度（℃）20300400500600700800密度（3）7.9線膨脹系數(shù)（℃1）—17.217.517.918.218.6—彈性模量（GPa）184159——13712088X610450440440390275176X27519617617617615798表4V201002003004004505005506007.8—9.310.310.8—12.2196——172162154142123—932892841809772717660570465782755720687644603560481389溫度（℃）密溫度（℃）密線膨脹系數(shù)（106℃彈性模量E（GP）拉伸強度σb（MP）屈服強度（MP）c．從拉伸強度和屈服強度來看，同溫度下，材料1Cr11Ni2W2MoV的拉伸度和屈服強度都要高很多。兩種材料的工藝性及應(yīng)用對比見表3－5。表5 i與V材料材料工藝性應(yīng)用成形性能焊接性能加工性能冷熱加工成形性能良好鑄造焊接性能良好，焊后不不易獲得小的粗糙主要用于發(fā)動機燃油管道液壓導(dǎo)性能較差需熱處理度管、排氣總管等冷熱加工成形性能良好鑄造焊接性能良好，焊后需加工性能良好主要用于發(fā)動機壓氣機盤葉片等性能良好回火從兩種材料的工藝性和應(yīng)用對比，可以看出：a．從材料的成形上來看，1Cr18Ni9Ti材料的鑄造性