第八章　液体燃料燃烧

燃料与燃烧

第八章　液体燃料燃烧第八章　液体燃料燃烧

要求：了解液体燃料的燃烧过程，掌握燃油要求：了解液体燃料的燃烧过程，掌握燃油雾化机理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴的雾雾化机理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴的雾化特性，掌握油珠、油雾燃烧特性，了解液化特性，掌握油珠、油雾燃烧特性，了解液体燃烧装置工作过程。体燃烧装置工作过程。

第八章　液体燃料燃烧

第一节液体燃料燃烧过程第一节液体燃料燃烧过程液体燃料燃烧系统液体燃料燃烧系统

1 、供油系统 2 、供气系统　 3 、燃烧系统


第一节液体燃料燃烧过程第一节液体燃料燃烧过程液体燃料燃烧特点液体燃料燃烧特点

1 、扩散燃烧 2 、非均相燃烧

液体燃料燃烧过程液体燃料燃烧过程

1 、雾化　

2 、蒸发　

3 、掺混　

4 、燃烧


第二节燃油雾化过程第二节燃油雾化过程燃油雾化现象燃油雾化现象


第二节燃油雾化过程第二节燃油雾化过程燃油雾化过程燃油雾化过程

1. 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。2. 由于液体射流本身的初始湍流以及周围气

体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。

3. 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形油珠。

4. 在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。


第二节燃油雾化过程第二节燃油雾化过程油珠破碎过程油珠破碎过程

气动力表面张力


第二节燃油雾化过程第二节燃油雾化过程油珠破碎准则油珠破碎准则

22

~/4

2/~

ud

d

uWe

油珠内压力力作用于油珠表面的气动

14We 油珠破碎

两种力：

外力：气动力、惯性力

内力：表面张力、粘性力


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴一、喷嘴类型一、喷嘴类型

直流喷嘴

离心喷嘴

气动喷嘴

旋转喷嘴


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴直流喷嘴直流喷嘴

特点：特点：

1. 结构简单，尺寸紧凑，安装布置方便

2. 雾化角小，雾化质量差

3. 多用于加力燃烧室、冲压发动机等


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴离心喷嘴离心喷嘴

特点：特点：

1. 雾化锥角大，雾化质量好

2. 采用双油路，可获得更大的供油能力


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴离心喷嘴离心喷嘴


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴气动喷嘴气动喷嘴

特点：特点：

1. 雾化质量高

2. 排气冒烟少

3. 贫油熄火范围窄

4. 可采用特殊的气化剂


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴其它喷嘴其它喷嘴


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴一、喷嘴类型一、喷嘴类型


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论二、离心喷嘴理论

1. 流体为无粘性的理想流体；2. 不计喷嘴内部流动的径向分速度；3. 喷嘴处于最大流量状态工作。

基本假设：

　　 1944 年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论：


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴

二、离心喷嘴理论二、离心喷嘴理论



.2

1

2

1

2

10

222 constHupuup infinfxf

离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程

根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为

2inffin rnmu

不计粘性时，流体的动量守恒，故有

ruRurumRum sinfsinf 或

空气涡核空气涡核



　　由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流通面积为一圆形，其值为

)( 220 arrf

　　取轴向长度为 1 的环形微元体，其质量为

r

drudp

r

drurrdp ff

2222 或

frdrdm 2

　　微元体旋转时产生离心力正好与径向压力差相平衡，故有

轴向速度轴向速度



r

drudp

r

drurrdp ff

2222 或

u

du

r

drruRu sin

duudp f2

积分得 .2

1 2 constup

f

.constux （与 r 无关）



以“空穴率”表示喷孔内空气核的大小，用 ε 表示

20

2

20

220 1

r

r

r

rr aa

10rra

HpHuu xfaf 022

2

1

2

1

在燃油与空气核的交界面上有



空气核界上的切向速度为 a

sina r

Ruu

2

20

in

xin nr

ruu

120

in

sxa nr

rRuu

1Auu xa

又据连续方程有

A称为离心喷嘴的几何特性参数，表示离心喷嘴几何相似的准则


fx H

A

u

/2

11

12

2


为轴向速度系数

ffxf Hrrum 220

20

ff Hrm 220

2

1

1/1

A

为流量系数

流量流量



01

1

2/1

2

2

A

最大流量原理

2//)1( 2A

2

流量系数流量系数

2

1

1/1

A

2

/


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论二、离心喷嘴理论雾化锥角雾化锥角

雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定

xuutg /2

xmm uutg /

2 ,

8

11

1

11

2

2

A

tg m

2/)( 0 am rrr


第三节燃油雾化装置－喷嘴第三节燃油雾化装置－喷嘴三、离心喷嘴设计计算程序三、离心喷嘴设计计算程序

设计程序：

1 、选定雾化锥角，由此确定几何特性参数 A

2 、确定流量系数

3 、确定喷嘴的孔径

4 、确定喷嘴其它尺寸

已知条件：

供油能力（供油量）、供油温度和压力、燃油物性参数（密度、粘度）


第四节燃油喷嘴的雾化特性第四节燃油喷嘴的雾化特性一、油珠群的平均直径一、油珠群的平均直径

算术平均直径：算术平均直径：

iiim ndndd )( 10或

2/1220 )( iiims ndndd 或

3/1330 )( iiimv ndndd 或

表面积平均直径：表面积平均直径：

体积平均直径：体积平均直径：


第四节燃油喷嘴的雾化特性第四节燃油喷嘴的雾化特性一、油珠群的平均直径一、油珠群的平均直径

SauterSauter 平均直径：平均直径：

2

3

32 )(ii

ii

dn

dndSMD 或

质量中间直径质量中间直径 MMDMMD ：：

　　大于与小于 MMD的油珠质量各占 50% 。


第四节燃油喷嘴的雾化特性第四节燃油喷嘴的雾化特性二、油珠群的尺寸分布二、油珠群的尺寸分布

积分分布：积分分布：

　　小于（或大于）给定直径的油珠所具有的质量 M占油珠群总质量 M0 的百分数微分分布：微分分布：

　　直径在　　　　　　　　　范围内的油珠质量所占有的百分数

)2

()2

( iii

ii

ddd

dd


第四节燃油喷嘴的雾化特性第四节燃油喷嘴的雾化特性三、油珠群几种典型分布三、油珠群几种典型分布Rosin-Rammler:Rosin-Rammler:

n

i

d

d

M

MR exp1

0

63.2%Rddi ＝

P ( psi )

n

in

ni

i d

d

d

nd

dd

dRexp

)(

1

n

i

d

d

M

MR 693.0exp1

0

MMDd%5Rddi 0＝

均匀指数


第四节燃油喷嘴的雾化特性第四节燃油喷嘴的雾化特性三、油珠群几种典型分布三、油珠群几种典型分布

Nukiyama-Tanasawa:Nukiyama-Tanasawa:

为常数、babdaddd

dN nii

i

exp)(

2

22exp ydy

dR

为常数)/ln( SMDdy i

正态分布：正态分布：


第四节燃油喷嘴的雾化特性第四节燃油喷嘴的雾化特性四、计算四、计算 SMDSMD 的经验公式的经验公式

离心喷嘴在静止空气中雾化：离心喷嘴在静止空气中雾化：

)(55.0

4.0

25.06.02.0

mp

mvSMD fll

离心喷嘴在气流中雾化：离心喷嘴在气流中雾化：

)(1945)(

1350056.027.0

34.0

mp

u

p

FNSMD g

p

QFN

直流喷嘴在静止空气中雾化：直流喷嘴在静止空气中雾化：

)(1015.3 2.04

mu

vSMD

l

l


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧蒸发或燃烧时的油珠温度蒸发或燃烧时的油珠温度

Twb 为蒸发平衡温度（或湿球温度）


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧 StefanStefan 流流

dr

dYDm

dr

dYDm

aa

ff

02 s

as dr

dYDd

0.1 fa YY任意半径上：在油珠表面：

022 s

asasss dr

dYDdYvd

　为平衡空气向油珠内部的扩散趋势而产生的一个反向的流动称为 Stefan 流。且有：

在油珠表面上净空气通量为零在油珠表面上净空气通量为零


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧 StefanStefan 流流

Stefan 流－点源点源：

aasss vYdYvd 22 .2 constvYd a

022 dr

dYDdvYd a

a 0dr

dYDvY a

a


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧 StefanStefan 流流StefanStefan 流存在的条件：流存在的条件：

在相的分界面上有物理或化学过程存在，这个过程要求表面排除或吸入净的质量流上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧高温环境中相对静止油珠的蒸发速率高温环境中相对静止油珠的蒸发速率

fsss

s

fsf Yvd

dr

dYDdm 22

ff

f vYddr

dYDdm 22

dr

dY

dr

dY fa

22 )( dvYYdvm faf

fff

f Ymdr

dYDrm 24

)1(4

2f

ff Y

dYD

r

drm

ff

fsfs

YYr

YYrr

)1ln(4 BDrm sf

fs

ffs

Y

YYB

1

物质交换系数：物质交换系数：

扩散项 Stefan 流项

022 dr

dYDdvYd a

a


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧高温环境中相对静止油珠的能量平衡高温环境中相对静止油珠的能量平衡

加热油珠至蒸发温度

油珠蒸发

加热油蒸气

03

4)(4 32

d

dTCrhmTTCm

dr

dTr l

llsfgflpf

fg

wbp

psf h

TTC

Crm

)(1ln4

)1ln(4 Tsf BDrm

1Le

TBB

fg

wbp

fs

ffs

h

TTC

Y

YY )(

1


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧相对静止油珠的燃烧相对静止油珠的燃烧

0)(,

,

fff

fsfs

Yrr

YYrr

)1ln(11

14 B

rr

Dm

fs

f

fs

fs

Y

YB

1

)1(4

2f

ff Y

dYD

r

drm

fg

bfp

p

fs

f h

TTC

Crr

m)(

1ln4

111


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧相对静止油珠的燃烧相对静止油珠的燃烧

fa m

dr

dYDr 24

在火焰面上：

DY

mr

r

drmDdY

ff

r f

Y

af

4

420

DY

h

TTC

Crm

fg

bfp

psf

)(1ln4

rf 的确定：


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧强迫对流条件下油珠的蒸发与燃烧强迫对流条件下油珠的蒸发与燃烧

0Re

*

0Re )(2

)( ff mNu

m

g

sgR dU

Re

33.05.0* PrRe60.02 Nu

折算薄膜：折算薄膜：　　把一个真实的二维轴对称对流传热、传质问题转化为一个假想的等值球对称分子导热与扩散问题：

1 、不考虑蒸发和燃烧，把液滴看成只和气流有对流换热的固球

2 、不考虑对流的存在，只研究这个假想的有分子导热和扩散的球层内的蒸发和燃烧，从而找到蒸发和燃烧速度


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧直径平方定律及油珠的寿命直径平方定律及油珠的寿命

1

22 d

dm tf )1ln(4

Bd

Dd

t

)1ln(

820

2 BD

ddl

Kdd 20

2

0d

)1ln(

2

8 *20

2 BNuD

ddl

设任一瞬间的油珠直径为 d ，经过时间后直径减小 d:

)1ln(4 BDrm sf

直径平方定律

K

d 20 油珠寿命


第五节油珠的蒸发与燃烧第五节油珠的蒸发与燃烧直径平方定律及油珠的寿命直径平方定律及油珠的寿命

)1ln(

2

8 *20

2 BNuD

ddl

在强迫对流条件下：

KK

K

K

K

f

f燃烧常数蒸发常数


第六节油雾燃烧第六节油雾燃烧油雾燃烧的特点油雾燃烧的特点

油雾中的每一个油珠所处的环境（温度与浓度等）随时间、空间不断变化

两颗油珠体系：随着滴间距离的减小，燃烧常数先增加后减小；多油珠体系：中央燃烧常数高，四周低。

1 、相邻油珠释放燃烧热使周围温度增高，燃烧过程加速。

2 、油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧过程减缓。


第六节油雾燃烧第六节油雾燃烧油雾燃烧模型油雾燃烧模型

预蒸发型燃烧

滴群扩散燃烧

复合燃烧

气相燃烧加液滴蒸发



预蒸发型燃烧预蒸发型燃烧　　雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定区间距离长，使液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。

加力燃烧室



　　周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），进入燃烧区时油珠基本未蒸发，只有滴群的扩散燃烧，此时反应动力学因素影响不大。

滴群扩散燃烧滴群扩散燃烧

燃气轮机内燃机



复合燃烧复合燃烧　　介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中较小的液滴在火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火焰，较粗的液滴到达火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧发生作用。

火箭发动机

冲压发动机



部分预蒸发型气体燃烧加液滴蒸发部分预蒸发型气体燃烧加液滴蒸发　　部分小油珠已经蒸发完毕，另一部分液滴进入火焰区时其直径已过小而着不了火，只能蒸发，因此没有滴群扩散火焰，只有部分预混的气体火焰。

工业炉


第六节油雾燃烧第六节油雾燃烧滴群扩散燃烧滴群扩散燃烧

s

n ,

2/3

3

0

)/1(11 sd

d

fs Kd /2

fs Kd /20

Probert滴群扩散燃烧模型：

影响燃烧效率的因素：

均匀油珠群：

1 、雾化细度

2 、燃烧常数

3 、均匀指数

sd

越小，后期n

sfK


第七节乳化油及其燃烧第七节乳化油及其燃烧基本概念基本概念

　　燃油与水在少量乳化剂及乳化装置的搅拌下形成稳定、均匀的油水乳化液。

乳化油乳化油

目的目的1 、提高燃烧效率、节约燃料　 2 、降低污染

类型类型1 、油包水型　 HLB＝ 2~6

2 、水包油型　 HLB＝ 12~18

HLB －乳化剂的亲憎平衡值

HLB＞ 20 　亲水、不溶于油

HLB＝ 0 　不亲水、只溶于油


第七节乳化油及其燃烧第七节乳化油及其燃烧乳化油的燃烧特点乳化油的燃烧特点

1 、二次雾化

2 、水的催化作用　　碳氢燃料在高温缺氧条件下下析碳，水气对析出碳粒有催化作用：

222

222

22

22

900

900

HCOOHC

CT

HCOOHCO

HCOOHC

CT


第八节典型液体燃料燃烧装置第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气（涡）轮（发动）机航空燃气（涡）轮（发动）机


第八节典型液体燃料燃烧装置第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室航空燃气轮机燃烧室



作用：作用：

主燃烧室：把压气机增压后的空气，经过喷油燃烧提高温度，然后流向涡轮膨胀做功。

加力燃烧室：利用经涡轮膨胀后燃烧室燃烧所剩余的氧气再补充喷油燃烧，提高气流温度，增加做功能力，使发动机增加推力。

燃料的化学能热能

机械能

动能大气



工作特点：工作特点：

1 、进口气流速度高，组织燃烧困难。

2 、燃烧室容积小，且要求在短时间内发出大量的热

3 、出口气流温度受到限制

4 、要求工作范围宽



要求：要求：

1 、点火可靠

点火高度： 8~9km ，补氧后： 12~13km

2 、燃烧稳定

不熄火不产生破坏性的振荡燃烧



要求：要求：

3 、燃烧完全

燃烧完全系数：uf

c Hm

Q

Q

Q

1

0

1＝理论放热量实际放热量

燃烧效率：

uf

ffafac Hm

imimimm )()( *2

*2

*3

＝理论放热量

加热工质的热量



要求：要求：

4 、出口温度场符合要求

除点火过程外，火焰不得伸出燃烧室。沿涡轮进口环形通道的圆周方向温度均匀沿叶高温度分布：



要求：要求：

5 、压力损失小

损失因素：摩擦损失、扩压损失、小孔进气损失、掺混损失、热阻损失等。

总压恢复系数： *2

*3*

p

pc

阻力系数：2

*3

*2

21

mm

c

c

pp



要求：要求：

6 、尺寸小、质量轻

7 、排气污染少

8 、寿命长



基本结构：基本结构：

扩压器

喷油嘴

火焰筒

旋流器

点火器

联焰管



基本类型：基本类型：

单管燃烧室

环管燃烧室

环形燃烧室


第八节典型液体燃料燃烧装置第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室工作过程航空燃气轮机燃烧室工作过程

燃烧室分区：燃烧室分区：

主燃区

中间区

掺混区

燃烧区



气流流型：气流流型：



燃料分布：燃料分布：



燃烧过程：燃烧过程：



火焰筒进气分配及功用：火焰筒进气分配及功用：


第八节典型液体燃料燃烧装置第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室特性航空燃气轮机燃烧室特性

燃烧效率特性：燃烧效率特性：



贫富油熄火特性：贫富油熄火特性：



流阻特性：流阻特性：

第八章 液体燃料燃烧

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第八章　液体燃料燃烧