第1章加力燃烧室设计基础
　　1.1概述
　　加力燃烧室是增加军用航空发动机推力的重要部件，可以在发动机中间状态（又称最大状态）推力基础上提高推力40%以上。
　　采用加力燃烧室增加发动机推力的研究最早在1939年就开始了，1944年德国使用JUMO004E发动机完成了加力燃烧室试验，是涡喷发动机开始使用加力燃烧室增推的重要标志。在20世纪50年代，加力燃烧室已在军用涡喷发动机上获得了广泛应用并占有重要地位，到20世纪60年代中期，涡扇发动机的加力燃烧室投入使用。
　　目前，已有四代涡喷/涡扇发动机的加力燃烧室出现，几十年来，加力燃烧室的技术发展一直是一个不断提高加力温度、提高燃烧效率、减小流动损失、减轻重量、提高可靠性的过程。
　　加力燃烧室在涡扇发动机中的位置如图1.1中虚线所示，燃烧室包括内外两个涵道，其中内涵道进口与涡轮相连，外涵道进口与风扇相连；加力燃烧室出口和喷管相连。各截面的划分和标识也示于图中，内涵道沿流向分别为：　加力燃烧室内涵道进口标为6，对应位置处的外涵道标为16，混合扩压器出口标为65，加力燃烧室出口标为7。
　　图1.1加力燃烧室在涡扇发动机中的位置示意图典型涡扇发动机的加力燃烧室结构示意图如图1.2所示，加力燃烧室包括内涵道、外涵道、混合扩压器、供油系统、火焰稳定系统和防振隔热屏等零组件。空气分别经内涵道、外涵道进入加力燃烧室，内涵道为高温燃气，外涵道是低温的纯空气，二者混合后与喷入的燃油进行掺混燃烧；加力燃烧室的供油一般采用直射式喷嘴，并根据不同工作状态的需要，设置了分区和分压两种供油模式。在燃烧区设置了火焰稳定器组，承担点火、稳定火焰和高效燃烧的功能；稳定器包括值班稳定器和主流稳定器两部分，值班稳定器主要用于软点火和稳定火焰，主流稳定器除了辅助火焰稳定，还承担着引燃并支持主流燃烧的功能。防振隔热屏包含防振屏和隔热屏两部分，防振屏主要用于削弱压力和释热引起的振荡燃烧；隔热屏的主要功能是保护壁面免受高温燃气的侵蚀破坏。
　　1.2设计理论基础
　　加力燃烧室的流动主要涉及混合器、扩压器（两者常合并称为混合扩压器）、火焰稳定器及隔热屏等方面的流动，燃烧主要与着火、火焰稳定和传播等密切相关，相关的流动和燃烧基本理论也与此相关。
　　1.2.1流动和燃烧的基本理论
　　1.扩压器流场
　　加力燃烧室扩压器的主要功能是降低气流速度，满足火焰稳定、高效低阻燃烧的要求。
　　在扩压器设计中，应满足如下性能要求：　
　　（1）压力损失尽可能小，一般要求压力损失小于进口动压头占总压比例的30%～40%；
　　（2）扩压器长度尽可能短；
　　（3）扩压器沿程流动不分离；
　　（4）在所有发动机工作状态下扩压器内的流场动态稳定。
　　总之，如何在最短距离内、最小流阻损失下实现减速增压，获得稳定的流动是扩压器设计的关键。
　　1）加力燃烧室扩压器类型
　　加力燃烧室扩压器大都是气动扩压器，沿流动方向截面面积平缓增加，气流速度逐步下降，静压上升。同时，加力燃烧室扩压器内边常与发动机的后锥合为一体，外边则是内外涵道的隔板，一般是直边或扩张角非常小，因此加力燃烧室的扩压器往往是一个半边扩压器。
　　根据扩压器壁面形式的不同，气动扩压器又可分为直壁扩压器和曲壁扩压器。
　　直壁扩压器（图1.3）是最简单的一类气动扩压器，扩压器壁面的母线为直线，结构简单，加工容易，成本低。但由于受限于气流分离的要求，直壁扩压器一般只应用于进口速度低、扩张比小的燃烧室。近年来，为控制发动机后向雷达波散射方向，发动机后锥多为尖锥，直壁扩压器的应用又得以扩展。
　　图1.3直壁扩压器随着燃烧室进口气流速度的提高，要求扩压器降低气流速度的能力提高，在直壁扩压器的基础上发展了曲壁扩压器，图1.4曲壁扩压器主要目的是通过合理设计扩压器的壁面形状，可以在更大的扩张比下，流动不分离的前提下更多地降低气流速度和提高静压。曲壁扩压器的结构如图1.4所示，扩压器的壁面曲线一般按等压力梯度、等速度梯度或双纽线等规律设计。由于曲壁扩压器的流动平稳光滑，压力损失小，有时也称为流线型扩压器。
　　2）扩压器性能参数
　　（1）静压恢复系数Cp。
　　静压恢复系数Cp是指扩压器进出口静压差与进口动压头的比值，定义式为（1.1）式中，pS6为扩压器进口静压；pS5为扩压器出口静压；q5为进口动压头。
　　静压恢复系数Cp反映了进口动压头转化为静压的程度，体现了扩压器减速增压的特点，是扩压器最重要的性能指标。
　　（2）总压损失系数ζ。
　　总压损失系数ζ是指进出口总压差与进口总压的比值：（1.2）
　　（3）扩压器效率η。
　　扩压器效率η是指扩压器的实际静压恢复系数与理论静压恢复系数之比，反映了实际扩压器的性能与理想扩压器的差距，表达式为
　　（1.3）
　　理想扩压器是指不考虑压力损失的扩压器（PT5＝PT6），对应的静压恢复系数为理论静压恢复系数Cpi。
　　3）扩压器的流态
　　如前所述，当扩压器出口面积与进口面积之比（扩张比）越大，出口速度越小。而当扩张角一定时，为了获得较大的扩张比，扩压器的长度将会变大，这会增加流阻损失和发动机的重量。相反，若要保证更小的扩压器长度，则必然要增大扩张角，可能导致气流分离，造成实际扩张比减小、流阻损失增大。扩压器的流场与扩张比、扩张角相关，一般会出现如下五种流态，如图1.5所示。
　　针对不同的扩张比和长度，气动扩压器内会出现五种典型流态。图1.6为在特定结构参数扩压器内的流态情况，图中横轴为扩压器长高比，纵轴为扩压器的扩张角。总体来看，扩压器长度保持不变时，扩张角越大，越容易分离；相反，扩张角越大，能够保证扩压器流动不分离时的长度越小。图中有四条线，分别为a—a、b—b、c—c、d—d，把整个图分成了5个区域。由下而上，扩压器长高比一定时，扩张角越大，扩张比也越大，若各种情况下都没有分离，则说明减速增压的性能越好。而实际上各个区域的流态有较大的差异。线a—a以下的区域，扩压器的扩张角小，此时气流没有分离，如图1.5（a）流态所示；线a—a和b—b之间的区域，是轻微失速区，此时在扩压器的一侧壁面处有很小的分离区，流线绕过该分离区后又会重新附着于壁面，如图1.5（b）流态所示。扩压器的最大静压恢复系数也出现在轻微失速区，图中有一条虚线，表示的是最大静压恢复系数的变化规律，随着扩压器长度的变大，对应最大静压恢复系数的扩张角变小。这主要是因为相比于无分离区，在同样长度下，轻微失速区对应的扩压器扩张角更大一些，尽管在扩压器中间的某个区域产生了分离，但经重新附着，出口处流场依然是完整的。线b—b和c—c之间的区域，是一个大范围失速过渡区，此时扩压器中在某一侧出现了分离区，然后消失，接着在另一侧又会出现分离区，整个流态呈现一个两侧交替出现分离区的动态变化过程。同样，扩压器出口流场也呈现出类似的动态变化特性，这会对加力燃烧室性能带来极为恶劣的影响，如图1.5（c）流态所示。再往上，从线c—c到d—d区域，是二元失速区，该区域中在扩压器的一侧壁面形成相对稳定的分离区，之后的流线也不会重新附着于壁面，但流线是弯曲的。该区域产生的分离涡虽然不像大范围失速过渡区时刻在变化，但仍存在脱落生成过程，流线如图1.5（d）流态所示。在线d—d以上的区域，会在扩压器的两个壁面都产生分离区，出口流动呈现射流流动特征，此时流线是直线形，常称为射流区，如图1.5（e）流态所示。
　　由上面的讨论可知，为了在尽可能短的距离内获得高静压恢复系数，需要设计更大的扩张比，但这可能导致气流分离，反之，又会增加扩压器的长度。扩张比和长度存在一定的匹配关系，使得静压恢复系数最大，流动又不产生分离。另外，图1.6中的无失速区和轻微失速区中还有一条虚线，表示的是扩压器最大效率线。由图1.6可知，最大效率线在长高比为3～20时，对应的扩张角基本不变，图中为2θ＝9°左右，这表明扩压器在该匹配参数范围内，扩压器的损失基本保持不变。最大效率线和最大静压恢复系数线的交点处于轻微失速区，该点也是扩压器设计时的首选位置。
　　2.热自燃和强迫着火的基本理论
　　油气混合气的着火方式分为自发着火和强迫着火。
　　（1）自发着火：　可燃混合气加热到某一温度时，燃烧反应能自发开展，且可燃混合气释放的热量大于散热量，反应能持续下去，而不需要外部再提供热量，这种现象称为自发着火。
　　（2）强迫着火：　在可燃混合气内的某处，用外部能量点着一层混合气体，然后火焰自动传播到混合气的其余部分，又称点火。
　　加力燃烧室中，最初的着火往往是通过点火实施的，然后是自发着火，维持稳定燃烧。
　　下面首先介绍热自燃理论，建立着火条件，然后对点火理论进行简要阐述。
　　1）热自燃理论
　　热自燃理论认为，着火是反应放热因素和散热因素相互作用的结果，若反应放热大于散热，则着火成功。
　　着火条件是指能够实现着火的临界条件，定义为：　如果在一定初始条件（闭口系统）或边界条件（开口系统）下，使系统在某个瞬间或某个空间内燃烧，对应的初始条件或边界条件称为着火条件。
　　显然，着火条件是化学动力学参数和流体力学参数的综合函数。