航空發動機燃燒室機匣的組成及選材分析3.1航空發動機的基本組成發動機是飛機的“心臟，是推動飛機和整個航空工業蓬勃發展的源動力，20世紀下半葉世界航空動力呈加速發展態勢，21世紀航空動力面臨新的機遇，它將以更快的速度向前發展并促使飛機和航空工業出現新的飛躍一般而言發動機由點火裝置、燃燒室、裝藥和噴管四部分組成。3.1.1點火裝置發動機點火裝置工作的基本要求是:能保證主裝藥準確、可靠地點燃、點火延遲時間要短它的基本失效模式有發火失效和對發動機點火失效兩種以往的型號研制經驗表明一般情況下眾多的結構可靠性評估續計變量中以在規定時間內達到的點火壓強為最佳統計變量。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動機的性能，并關系到發動機的安全可靠性。3.1.3裝藥一般選取受內壓時的殼體應力為統計變量發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構完整性分析對于殼體粘接式藥柱特別是內孔形狀復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，其內部會產生各種機械應力藥柱失效的基本故障或基本機理決定最終結果造成氣體生成速率過低或過高在化學和結構兩方面的損壞都表現為造成過高的殼體內壓經驗及分析表明，當殼體粘接式藥柱受熱載荷和工作壓強載荷時，工作內壓是應研究的主要載荷以延伸率作為藥柱結構可靠性評估的統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構可靠性評估的統計變量較為合理上述觀點已為多年來發動機的研制實踐所證實。3.1.4噴管自身工作條件及環境影響，其材料主要選用馬氏體鋼材2Cr13、3Cr13和4Cr13及雙路雙室雙噴口，分別具有不同的結構設計、性能和用途。3.2燃燒室的分類及基本構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形燃燒審。3.2.1.1單管燃燒室又叫分管燃燒宣它的結構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，各分管之問用聯焰管聯通，傳播火焰和均衡壓力。3.2.1.2聯(環)管燃燒室它的結構特點是將若干個管形火焰筒沿圓周均勻安裝在同一個內外殼體間的環腔內，相鄰火焰筒燃燒區之間用聯焰管聯通。聯管燃燒室的結構比較緊湊外廓尺寸顯著地減少外殼體是承力構件有利于減輕發動機結構的質量和改善發動機整體剛性。3.2.1.3環形燃燒室同的火焰筒內外壁構成的環形燃燒區和摻娓區在火焰箭頭部裝有幾個燃油噴嘴和穩定裝置燃燒室的各個氣流通道都是環形的因此與壓氣機出口環形氣流廣泛采用。3.2.2燃燒室的基本構成筒、燃油總管、點火囂等構成[14]。3.2.2.1燃燒室機匣燃燒室機匣是發動機的承力殼體由外殼體和內殼體構成外殼前段和殼構成擴壓器降低壓氣機氣流速度外殼和內殼組成環形氣流通道保證氣的穩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計主要研究的是在各種溫度作用下燃燒室機匣的相應應力變化。3.2.2.2火焰筒該發動機燃燒室共裝有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得到穩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管構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成電嘴為電蝕電嘴每臺發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機匣共同組成燃燒室機匣燃燒室是發動機的高溫部件，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動機的承力件，材是開展發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動機承力系統的一部分燃燒室外機匣主要承受是內外壓差所形成的周向力周向力占外機匣應力的絕大部分外機匣除本身產生的徑向（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的軸向力徑向力和扭矩內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向器產生的部分扭矩和軸向力。內機匣由于受外壓，穩定性是主要的。機匣承力形式決定燃燒室機匣的結構形狀而發動機總體安排支點布局和燃燒室類型等的不同，使傳力可分為內傳力、外傳力、平行傳力和混合傳力1內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流葉片或承力支板將內外機匣剛性連接內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。間安排連接內外機匣的十個支柱內端焊接在內機匣上外端以螺栓和機匣相連。設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而軸向剛性則要求較小以保證盡量減少工作中內外機匣軸向膨脹不一致所產生熱應力。這種結構的優點是：1）傳力剛性分配，不至于使直徑小的內機匣承受過大的徑向力；2）整體機匣變形小，保證整機剛性。燒室的總體結構上。而近期的環形燃燒室和高壓轉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構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機匣則傳遞渦輪第一級導向葉片產生的部分扭矩軸向力和徑向力內機匣所傳遞的各種力則由燃燒室機匣前端連接內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接是相同的對目前短環形燃燒室則大部分采用前置擴壓器內支板或末級壓氣機葉片一起整體鑄造的聯接形式，如圖4－1和圖4－2。圖4－1某燃燒室結構圖（擴壓器支板連接）圖4－2某燃燒室結構圖（末級葉片連接）由于平行傳力結構多用于沒有渦輪前支點情況徑向力不大內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傳外傳

特點內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管燃燒室混合傳 內外機匣傳遞徑向力按剛性分配，受力合理力 較復雜

渦輪前有支點環管燃燒室平行傳單渦輪前無支點的力適用，無內外機匣膨脹不一致引起的熱應力環行燃燒室根據對以上四種機匣傳力方式的對比分析研究結合某小型航空發動機總安排支點布局以及燃燒室自身結構類型特點選擇前端擴壓器支板聯接的平行傳力形式的燃燒室機匣結構。3.3.2選材與材料工藝性分析針對燃燒室機匣的復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應力或熱不協調引起的結構應力。4．具有較好的抗氧化及材料組織穩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定性的材料防止燃氣等介質的化學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 燃燒室內機匣型號WP7壓氣機機匣燃燒室外機匣 燃燒室內機匣 渦輪機匣i i WP13WP15GH4133MXWPGH4133WS6C263GH2132WS9S/SJ2C263C263MXWSGH4169TC1GH3044表3－2中統計了幾種常用的機匣承力構件材料，為燃燒室機匣的結構強設計選材提供了參考從上表中各型發動機機匣的選材數據來看可以得出以下結論：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的協調性，盡量減少并避免各相鄰部件之間由于材料熱膨脹系數不同而造成熱不協調引起的結構應力。根據發動機的設計要求和燃燒室部件的工作環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（℃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（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用對比見表3－5。表5 i與V材料材料工藝性應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動機燃油管道液壓導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用對比，可以看出：a．從材料的成形上來看，1Cr18Ni9Ti材料的鑄造性