航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室機(jī)匣的組成及選材分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室機(jī)匣的組成及選材分析3.1航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基本組成發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟，是推動(dòng)飛機(jī)和整個(gè)航空工業(yè)蓬勃發(fā)展的源動(dòng)力，20世紀(jì)下半葉世界航空動(dòng)力呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，21世紀(jì)航空動(dòng)力面臨新的機(jī)遇，它將以更快的速度向前發(fā)展并促使飛機(jī)和航空工業(yè)出現(xiàn)新的飛躍一般而言發(fā)動(dòng)機(jī)由點(diǎn)火裝置、燃燒室、裝藥和噴管四部分組成。3.1.1點(diǎn)火裝置發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置工作的基本要求是:能保證主裝藥準(zhǔn)確、可靠地點(diǎn)燃、點(diǎn)火延遲時(shí)間要短它的基本失效模式有發(fā)火失效和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失效兩種以往的型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)表明一般情況下眾多的結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估續(xù)計(jì)變量中以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到的點(diǎn)火壓強(qiáng)為最佳統(tǒng)計(jì)變量。3.1.2燃燒室燃燒室是燃料與空氣混合并進(jìn)行燃燒的地方，燃燒室工作的好壞直接影發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性。3.1.3裝藥一般選取受內(nèi)壓時(shí)的殼體應(yīng)力為統(tǒng)計(jì)變量發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱分為自由裝填式和殼體粘接式兩類(lèi)對(duì)于自由裝填式藥柱強(qiáng)度是足夠的通常不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性分析對(duì)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(yán)重的藥柱強(qiáng)度問(wèn)題，因?yàn)樗幹鶑闹圃斓绞褂玫倪^(guò)程中，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生各種機(jī)械應(yīng)力藥柱失效的基本故障或基本機(jī)理決定最終結(jié)果造成氣體生成速率過(guò)低或過(guò)高在化學(xué)和結(jié)構(gòu)兩方面的損壞都表現(xiàn)為造成過(guò)高的殼體內(nèi)壓經(jīng)驗(yàn)及分析表明，當(dāng)殼體粘接式藥柱受熱載荷和工作壓強(qiáng)載荷時(shí)，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(píng)估的統(tǒng)計(jì)變量較為合理而受加速度載荷和自重載荷時(shí)以強(qiáng)度作為藥柱結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估的統(tǒng)計(jì)變量較為合理上述觀點(diǎn)已為多年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制實(shí)踐所證實(shí)。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(jì)、性能和用途。3.2燃燒室的分類(lèi)及基本構(gòu)成同時(shí)還要求尺寸小重量輕便于維護(hù)足夠的強(qiáng)度及剛性和有一定的使用壽命。3.2.1燃燒室的分類(lèi)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(diǎn)是第一個(gè)管形火焰筒的外面都包有一個(gè)單獨(dú)的外殼組成一個(gè)單管燃燒室沿發(fā)動(dòng)機(jī)圓周均勻地安裝有6～16個(gè)這樣的分管，各分管之問(wèn)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(diǎn)是將若干個(gè)管形火焰筒沿圓周均勻安裝在同一個(gè)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和改善發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)燃油噴嘴和穩(wěn)定裝置燃燒室的各個(gè)氣流通道都是環(huán)形的因此與壓氣機(jī)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(diǎn)火囂等構(gòu)成[14]。3.2.2.1燃燒室機(jī)匣燃燒室機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)壓器降低壓氣機(jī)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(kuò)壓器為流線形擴(kuò)壓器進(jìn)口有一平直段一方面防止氣流畸變影響出口溫度場(chǎng)品質(zhì)和氣流擾動(dòng)影響壓氣機(jī)性能另一方面減少葉片尾跡對(duì)燃燒室場(chǎng)的影響。力以及振動(dòng)等多種負(fù)荷本次設(shè)計(jì)主要研究的是在各種溫度作用下燃燒室機(jī)匣的相應(yīng)應(yīng)力變化。3.2.2.2火焰筒該發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室共裝有10個(gè)五段直流式氣膜冷卻火焰筒，火焰筒是燃燒室的一個(gè)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(chǎng)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?xì)鈱?dǎo)管構(gòu)成從壓氣機(jī)來(lái)的氣流分為兩股進(jìn)入火焰筒一股從旋流器進(jìn)氣溫度。燃?xì)鈱?dǎo)管將燃?xì)庥蓤A形界面向扇形界面過(guò)渡。3.2.2.3燃油總管燃油總管共有10個(gè)噴嘴，噴嘴為雙油路離心式壓力霧化噴嘴，主副油路獨(dú)立將主副油路提供的燃油分別噴入兩個(gè)獨(dú)立的旋流器然后從兩個(gè)同心布置的噴嘴噴出由于兩條油路各自獨(dú)立無(wú)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(diǎn)火器點(diǎn)火囂由點(diǎn)火器殼體和點(diǎn)火電嘴構(gòu)成電嘴為電蝕電嘴每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)配備兩個(gè)點(diǎn)火電嘴，點(diǎn)火方式為間接點(diǎn)火。3.3燃燒室機(jī)匣的選材分析擴(kuò)壓器與外機(jī)匣內(nèi)機(jī)匣共同組成燃燒室機(jī)匣燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件，維護(hù)有足夠的強(qiáng)度及剛性和有一定的使用壽命燃燒室機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)的承力件，材是開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)所有的設(shè)計(jì)才有意義。3.3.1燃燒室機(jī)匣受力分析燃燒室機(jī)匣由擴(kuò)壓器機(jī)匣外機(jī)匣和內(nèi)機(jī)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(dòng)機(jī)承力系統(tǒng)的一部分燃燒室外機(jī)匣主要承受是內(nèi)外壓差所形成的周向力周向力占外機(jī)匣應(yīng)力的絕大部分外機(jī)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(jī)匣除本身的徑向力和軸向力外還要向前傳遞渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器產(chǎn)生的部分扭矩和軸向力。內(nèi)機(jī)匣由于受外壓，穩(wěn)定性是主要的。機(jī)匣承力形式?jīng)Q定燃燒室機(jī)匣的結(jié)構(gòu)形狀而發(fā)動(dòng)機(jī)總體安排支點(diǎn)布局和燃燒室類(lèi)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(jī)匣傳遞渦輪傳來(lái)的各種力，也僅見(jiàn)于早期環(huán)管燃燒室類(lèi)型上。3混合傳力燃燒室前端利用壓氣機(jī)末級(jí)導(dǎo)流葉片或承力支板將內(nèi)外機(jī)匣剛性連接內(nèi)匣傳來(lái)的軸向力徑向力和扭矩通過(guò)葉片或支板傳至外機(jī)匣使用支板的另一個(gè)原因是需要由此引氣或放氣。間安排連接內(nèi)外機(jī)匣的十個(gè)支柱內(nèi)端焊接在內(nèi)機(jī)匣上外端以螺栓和機(jī)匣相連。設(shè)計(jì)要求有足夠的徑向剛性以把渦輪前支點(diǎn)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(jī)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(diǎn)是：1）傳力剛性分配，不至于使直徑小的內(nèi)機(jī)匣承受過(guò)大的徑向力；2）整體機(jī)匣變形小，保證整機(jī)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(gè)支點(diǎn)的總體布局中，已少見(jiàn)這種安排。4平行傳力在目前采用的環(huán)形燃燒室類(lèi)型高壓渦輪前無(wú)支點(diǎn)的條件下廣泛地采用這種傳力機(jī)匣結(jié)構(gòu)即外機(jī)匣傳遞渦輪及后面部件的徑向力軸向力和扭矩而內(nèi)機(jī)匣則傳遞渦輪第一級(jí)導(dǎo)向葉片產(chǎn)生的部分扭矩軸向力和徑向力內(nèi)機(jī)匣所傳遞的各種力則由燃燒室機(jī)匣前端連接內(nèi)外機(jī)匣的末級(jí)壓氣機(jī)葉片或支板傳至外機(jī)匣無(wú)論對(duì)平行傳力還是混合傳力燃燒室前端聯(lián)接是相同的對(duì)目前短環(huán)形燃燒室則大部分采用前置擴(kuò)壓器內(nèi)支板或末級(jí)壓氣機(jī)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(kuò)壓器支板連接）圖4－2某燃燒室結(jié)構(gòu)圖（末級(jí)葉片連接）由于平行傳力結(jié)構(gòu)多用于沒(méi)有渦輪前支點(diǎn)情況徑向力不大內(nèi)機(jī)匣變形也和適用范圍見(jiàn)表4－1。表1傳力方式的特點(diǎn)和適用范圍傳力式內(nèi)傳外傳

特點(diǎn)內(nèi)機(jī)匣傳遞所有力和扭矩，直徑小，剛性差外機(jī)匣傳遞所有的力和扭矩內(nèi)機(jī)匣沒(méi)有和機(jī)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(jī)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(diǎn)環(huán)管燃燒室平行傳單渦輪前無(wú)支點(diǎn)的力適用，無(wú)內(nèi)外機(jī)匣膨脹不一致引起的熱應(yīng)力環(huán)行燃燒室根據(jù)對(duì)以上四種機(jī)匣傳力方式的對(duì)比分析研究結(jié)合某小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)總安排支點(diǎn)布局以及燃燒室自身結(jié)構(gòu)類(lèi)型特點(diǎn)選擇前端擴(kuò)壓器支板聯(lián)接的平行傳力形式的燃燒室機(jī)匣結(jié)構(gòu)。3.3.2選材與材料工藝性分析針對(duì)燃燒室機(jī)匣的復(fù)雜工作條件在這里將對(duì)燃燒室機(jī)匣整體進(jìn)行選材與料工藝性分析，并提出以下幾點(diǎn)選材要求：1．具有較高的短時(shí)力學(xué)性能計(jì)要求。2．具有較高的疲勞及蠕變/持久性能疲勞壽命要求對(duì)于需要保證封氣間隙的熱端部件機(jī)匣需要選取具有較高蠕變強(qiáng)度的材料，其他熱端部件的機(jī)匣則需要選取持久強(qiáng)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(duì)于熱端部件的機(jī)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?xì)獾冉橘|(zhì)的化學(xué)腐蝕而降低機(jī)匣承力件壽命。5．具有較好的塑性對(duì)于板料焊接機(jī)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(guò)對(duì)幾種渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室機(jī)匣和與其相連接的壓氣機(jī)機(jī)匣和渦機(jī)匣材料進(jìn)行了解將這幾種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室機(jī)匣壓氣機(jī)機(jī)匣和渦輪機(jī)匣的材料進(jìn)行對(duì)比和分析，詳見(jiàn)表3-2。型號(hào)WP7壓氣機(jī)機(jī)匣燃燒室外機(jī)匣 燃燒室內(nèi)機(jī)匣型號(hào)WP7壓氣機(jī)機(jī)匣燃燒室外機(jī)匣 燃燒室內(nèi)機(jī)匣 渦輪機(jī)匣i i WP13WP15GH4133MXWPGH4133WS6C263GH2132WS9S/SJ2C263C263MXWSGH4169TC1GH3044表3－2中統(tǒng)計(jì)了幾種常用的機(jī)匣承力構(gòu)件材料，為燃燒室機(jī)匣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)設(shè)計(jì)選材提供了參考從上表中各型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的選材數(shù)據(jù)來(lái)看可以得出以下結(jié)論：a．機(jī)匣材料的選擇在很大程度上取決于機(jī)匣所處的工作溫度，根據(jù)工作溫度選擇高溫合金類(lèi)材料或不銹鋼材料；b．機(jī)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求和燃燒室部件的工作環(huán)境以及上述對(duì)機(jī)匣承力件選材的對(duì)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(jiàn)表3－3，V材料的部分材料性能見(jiàn)表3－4。拉伸強(qiáng)度（MP）屈服強(qiáng)度（MP）表拉伸強(qiáng)度（MP）屈服強(qiáng)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(qiáng)度σb（MP）屈服強(qiáng)度（MP）c．從拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度來(lái)看，同溫度下，材料1Cr11Ni2W2MoV的拉伸度和屈服強(qiáng)度都要高很多。兩種材料的工藝性及應(yīng)用對(duì)比見(jiàn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)葉片等性能良好回火從兩種材料的工藝性和應(yīng)用對(duì)比，可以看出：a．從材料的成形上來(lái)看，1Cr18Ni9Ti材料的鑄造性