生活经验告诉我们,在大风的天气,点燃火柴或者打火机很困难。那么各位读者是否想过,飞机在高空飞行中,如何保证燃烧室的稳定燃烧呢?
航空发动机燃烧室的工况
空气在经过航空发动机的压气机后,速度会达到200米/秒上下,这是什么概念呢。在海面12级飓风可以掀起10米高的海浪。而12级飓风也只有30多米/秒。所以航空发动机的工作条件是极为严峻的。如果飞机在高空中熄火,危险可想而知。所以航空发动机的稳定性极为重要。那么在燃烧室里是怎样稳定火焰的呢?这就要从火焰速度谈起。
火焰的稳定条件火焰的传播速度是指火焰相对于未燃气体的移动速度。在燃烧学中,火焰锋面与我们生活看到的火焰不同。燃烧学中,火焰锋面是燃料和空气按最恰当的比例混合,燃烧后只有产物的一个薄面。火焰锋面会自发的向未燃气体的方向移动。同时,未燃气体会与火焰锋面相反的方向移动,那么这两者的大小就决定了火焰的情况。
当火焰速度大于未燃气体速度时,就会发生"回火"现象,当两者速度相等时,火焰就会稳定。当未然气体速度较大时,火焰会改变自己的形状,使得垂直与火焰面的未燃气体速度与火焰传播速度相等。但当火焰速度特别大时,火焰就会被吹熄。
因此稳定火焰的关键就是使气流流速与火焰速度相等或相近。可是,火焰的传播速度一般不到1米/秒,所以……
稳定火焰的方法:构造低速回流区在生活中,如果想在有风的天气中点燃火柴,人们常做的动作就是用手遮挡,一些打火机也有防风罩,用的也是同样的道理。
这个原理就是利用钝体制造一个低速区域,使得火焰与流速相等,从而可以维持火焰。在航空发动机的燃烧室中,使用的也是类似的方法。首先,从压气机出来的高速气流先经过扩压器减速,然后经过燃烧室中一个叫做旋流器的东西,它的作用就是让空气和燃油的混合物在燃烧室中旋转。生活经验告诉我们,绕中心旋转的东西需要向心力。比如用绳子拴住小球旋转,绳子的拉力就提供了向心力。那么在燃烧室谁给旋转的流体提供了向心力呢?答案是压力。在燃烧室旋流中,外侧的压力较大,内侧的压力较小,这种压力差使得流体可以维持旋转。这种压力差还带来了另一个好处,就是内侧压力小,使得后方的气流可以填补前方的低压区,形成了一股回流。
就像上图表现的那样中间回流与两侧气流方向相反,这样,在两股气流的分界处,就形成了低速区域,这就为火焰的稳定提供了有力的保障。从图中可以看出,火焰就是在这片回流区附近组织燃烧的。火焰燃烧的区域叫做主燃区,它的后面还有掺混区,是为了保证燃气温度不要过高,烧坏后面部件。航空发动机就是使用这种办法,实现了在200米/秒的空气中稳定火焰的目的。 |