主燃燒室工作特性的好壞，取決於燃油霧化、與燃油霧化相匹配的空氣流動、以及在此基礎上的燃燒特性。
本章所涉及的基本內容包括燃油霧化、燃燒室空氣動力學、燃油散布、燃燒效率、點火及熄火、燃燒室火焰筒壁冷卻等特性分析。
9.1 燃油霧化
在航空燃氣渦輪發動機中，燃油噴嘴的功能和要求如下：
1) 在寬廣的流量範圍內提供良好的霧化；
2) 快速響應燃油流量變化；
3) 與流動的不穩定性無關；
4) 耗能小；
5) 可以縮放設計，提供設計的靈活性；
6) 低成本，輕重量，維護容易，拆裝容易；
7) 對製造和安裝過程中的輕微損傷不敏感；
8) 燃油受到汙染和噴嘴表面積碳時不易堵塞；
9) 受熱時不易結焦；
10) 均勻的徑向和周向燃油濃度分布。
航空燃氣輪機主燃燒室中，主要的噴嘴有離心噴嘴、空氣霧化噴嘴、甩油盤噴嘴和蒸發管噴嘴。如圖9-1-1所示。
圖9-1-1 航空燃氣輪機燃燒室中各種噴嘴
9.1.1 離心噴嘴(壓力霧化噴嘴)
離心噴嘴屬於壓力霧化噴嘴的一種.主要有兩種結構,一種是單油路離心噴嘴,一種是雙油路離心噴嘴,雙油路離心噴嘴相比於單油路離心噴嘴擴大了工作範圍.如圖9-1-2所示.
單油路離心噴嘴雙油路離心噴嘴
圖9-1-2 離心噴嘴的結構
進入離心噴嘴的燃油做切向運動，由於離心運動建立了空心渦，在噴嘴出口，旋轉的燃油同時有軸向速度和切向速度，形成空心油膜，油膜失穩形成液霧，如圖9-1-3所示。
圖9-1-3 離心噴嘴的油膜運動
由於壓力不同，將形成不同的形態，如圖9-1-4所示隨著燃油壓力的增加，噴嘴噴霧的形態變化。通常，噴嘴壓力降大於0.1mpa，即可得到乙個充分發展的油霧。
圖9-1-4 燃油噴霧的各種形態
燃油流量和噴嘴壓力降之間的關係
設通過離心噴嘴出口的截面積為的液體流量為，如圖9-1-5所示。則通過噴嘴的燃油流量如下式計算：
上式中，是考慮了通過離心噴嘴流動時的各種損失的流量係數，是通過噴嘴在一定壓力降的情況下能夠達到的理論噴射速度，該噴射速度由下式計算：
可以建立燃油流量與噴嘴壓力降之間的關係如下：
圖9-1-5 噴嘴幾何結構示意
可以稍加變形得到流量數的定義：
流量數是乙個表達噴嘴特性廣泛使用的引數，僅與噴嘴的幾何結構和通過的流體有關，與噴嘴的工況無關，因此它給定了某種用途下的噴嘴「尺寸」。其單位是。
噴嘴設計的核心是確定在離心噴嘴一定的幾何結構情況下的流量係數。
離心噴嘴的流量係數
燃油通過整個噴嘴旋流室的流動過程中，是乙個復合運動，有切向速度，軸向速度和徑向速度。在離心噴嘴出口，有一小段平直段，燃油在此處的運動可以視為乙個切向運動加軸向運動的復合運動。如圖9-1-6所示。
圖9-1-6 離心噴嘴燃油運動和出口噴霧張角
，式中，是燃油靜壓與離心噴嘴的背壓之差。
上式說明如果，則，從物理上是不可能的。由於旋轉速度增加，根據伯努利方程，意味著燃油的靜壓下降，對於燃油，壓力下降後，沸騰溫度隨之下降，則中心的燃油開始蒸發，蒸發後形成乙個空心渦，該空心渦的直徑為，其中充滿了燃油蒸汽與空氣的混合物。並且，該空心渦的表面靜壓與離心噴嘴的背壓相等，才能維持平衡。
根據上述分析，可以建立離心噴嘴流量係數與噴嘴幾何結構之間的關係。
在空心渦的表面上，燃油靜壓與離心噴嘴的背壓相等，伯努利方程可以簡化為：
假設通過離心噴嘴噴口處的軸向速度分布是均勻的，則離心噴嘴噴口處的軸向速度由連續方程寫出：
由於燃油運動的無粘假設，並且在整個離心噴嘴中的燃油運動不受任何外力，因此，動量矩守恆，則有：
因此可以建立壓力降與流量之間的關係：
離心噴嘴流量係數與結構之間的關係：
假設，，流量係數的表示式就可以簡化為：
引入著名的假設最大流量原理：在離心噴嘴一定壓力降的條件下，噴嘴通過的燃油流量最大。根據高等數學中求極值的原理，令，可以得到：
最終可以得到流量係數的表達關係：
因為面積比x是噴嘴設計特性引數k的函式，上述關係式的實質就是表達了無粘理想流動條件下離心噴嘴流量係數與一定幾何結構的關係。圖9-1-7給出了離心噴嘴的理論分析流量係數與實驗結果的對比(k'為噴嘴幾何引數)。
圖9-1-7 離心噴嘴流量係數理論值與實驗值
離心噴嘴的噴霧張角
離心噴嘴的噴霧張角是燃燒室設計的另外乙個關係的重要問題。正是由於在噴嘴出口處的切向速度分量存在，使得噴霧有了一定的張角。噴霧張角與運動速度的關係參見圖9-1-6。
忽略燃油離開離心噴嘴噴口的轉折，則噴霧張角可以表達成乙個幾何關係：
從離心噴嘴的下游往上看，圖9-1-6的右邊，是乙個展開的檢視，當噴霧軌道從p1點運動時，在噴嘴中心剖面的交點是p2，可以建立幾何關係如下：
引入變數y和，則有：，由於離心噴嘴非常小，上式可以簡化為，從圖-1-6右邊檢視可見，
簡單地講，離心噴嘴的噴霧張角近似為離心噴嘴出口處的切向速度與軸向速度比。為了建立噴霧張角與幾何結構的關係，需要把速度項轉換一下，
由於在離心噴嘴出口處的切向速度是乙個變化的值，採用質量平均的方法來定義噴霧張角，可以寫出如下表示式：
由於動量矩守恆，對於上式的積分就變得容易，其結果如下所示：
最後，離心噴嘴的噴口噴霧張角的關係式如下：
再此利用x和k的表示式，則上式可以簡化為：
在常壓下離心噴嘴的噴霧張角接近乙個常數，但是當環境壓力增加時，離心噴嘴的噴霧張角隨著環境壓力的增加會迅速減小，如圖9-1-9所示。當發動機工作在大狀態時，噴霧張角減小會導致兩個不利的結果，一是冒煙大量增加，二是出口溫度分布係數惡化。
影響霧化的主要因素，一是燃油物性，如表面張力和粘性係數，二是燃油的工況，如燃油流量和燃油壓力。表面張力大，粘性係數大，霧化變差，**d增加，同樣燃油壓力降下，噴嘴流量越大，**d增加。見圖9-1-10，9-1-11和9-1-12所示。
圖9-1-8 離心噴嘴噴霧張角
圖9-1-9 離心噴嘴噴霧張角隨環境壓力變化規律
圖9-1-10 離心噴嘴**d與表面張力的關係
圖9-1-11 離心噴嘴**d與燃油粘性的關係
圖9-1-12 離心噴嘴**d與工況和噴嘴流量數的關係
9.1.2 空氣霧化噴嘴
由於離心噴嘴在大工況下的噴霧張角會發生很大的變化，新研發的燃燒室大部分都採用了空氣霧化噴嘴。空氣霧化噴嘴與離心噴嘴最大的不同之處是燃油的霧化不是依靠壓力產生油膜失穩，而是依靠通過噴嘴的空氣速度剪下霧化油膜。空氣霧化噴嘴有兩種典型的結構，一種是ge公司使用的旋流杯空氣霧化噴嘴，一種是p&w公司預膜空氣霧化噴嘴。
見圖9-1-13。
在旋流杯這種噴嘴中，燃油是從中心的離心噴嘴中噴出，燃油衝擊在文氏管上，形成乙個薄的油膜，在文氏管出口邊緣上，油膜破碎成條，然後迅速地進入了內外旋向相反的兩股旋流的剪下層中霧化。剪下層中，破碎成條的油膜被進一步霧化，形成油霧。
在內部預膜空氣霧化噴嘴中，燃油進入乙個通道通過一定的旋流產生裝置展成油膜，在通道出口處，油膜在內外兩層旋流的剪下作用下破碎成油膜，形成油霧。
兩種空氣霧化噴嘴的不同之處在於油膜的形成方式，而共同之處就是都是通過相對較高流速的空氣來霧化燃油,霧化的物理本質是相同的。
（a）旋流杯空氣霧化噴嘴及其霧化
（b）內預膜空氣霧化噴嘴及其霧化過程
圖9-1-13 空氣霧化噴嘴的典型結構及霧化過程
9.1.3 甩油盤噴嘴
旋轉噴嘴中最著名的噴嘴是法國turbomeca公司的甩油盤系統。用於折流環形燃燒室，燃油通過供入乙個空心的中心軸中，然後從甩油盤上打的孔依靠離心力甩出。
由於甩油盤高速旋轉，從軸裡供入的燃油運動到甩油盤的噴油孔中，在噴油孔中觀察到的現象是燃油空心往甩油盤邊緣運動。燃油離開甩油盤的切向速度比甩油盤的線速度略高一些。燃油射流的速度增加與甩油盤速度增加成正比。
燃油射流離開甩油盤後，射流失穩，形成油霧。
圖9-1-14 甩油盤噴嘴結構和霧化過程
9.1.4 蒸發管噴嘴
蒸發管噴嘴由英國rr公司發展的。早期的蒸發管結構為「拐杖型」，為了改善蒸發管的蒸發效能和減小長度，於2023年代發展了「t型」蒸發管，如圖9-1-15所示。蒸發管噴嘴中，燃油從乙個噴嘴中噴出，部分燃油噴射到蒸發管的內壁面上，部分燃油與進入蒸發管的空氣混合隨空氣流動。
在「t型」蒸發管中，燃油的蒸發加熱量**於管壁和進入蒸發管的空氣。在設計點狀態，80％的燃油是依靠進入蒸發管的空氣來蒸發。研究結果表明，蒸發管出口的霧化顆粒度小於20μm。
圖9-1-15蒸發管噴嘴結構和霧化蒸發過程
蒸發管噴嘴霧化效能的主要影響因素是進入蒸發管的空氣壓力、溫度及燃油空氣質素比。在發動機小功率狀態，主要的燃油準備靠蒸發，在高功率狀態，多少與空氣霧化噴嘴的性質相象。
9.2 燃燒室空氣動力學
在燃燒室機匣內，頭部端壁（含旋流器）和火焰筒壁面將燃燒室的流動分為兩個部分，頭部端壁、火焰筒以及機匣中的流動稱為外部流動，而頭部和火焰筒內部的流動稱為內部流動。見圖9-2-1所示。
外部流動的主要特徵是擴壓降速，並保證流動均勻，不發生分離，為內部流動提供良好的進氣條件。內部流動分主燃區流動、摻混區和冷卻壁面附近的流動。主燃區的流動是形成回流區，實現燃燒室的高效能燃燒，摻混區的流動主要是保證燃燒室出口溫度分布符合發動機總體的效能要求。
當然，出口溫度分布與主燃區的流動也有很密切的關係。火焰筒壁面的流動主要是氣膜流動，保證火焰筒壁面的高效冷卻。
圖9-2-1 燃燒室的內部流動和外部流動
9.2.1 擴壓器流動
為了減小燃燒過程的壓力損失以及縮短燃燒室的長度，從壓氣機出口的高速氣流首先進入擴壓器。通過擴壓器將壓氣機出口高速空氣流動的動壓頭盡可能大的恢復成靜壓，然後進入燃燒室火焰筒。目前高效能航空燃氣輪機為了追求高的壓縮效能，壓氣機的負荷很大，而且壓氣機出口空氣的流速很高。
目前典型的資料是壓氣機出口的動壓頭佔來流總壓的10％。擴壓器的功能就是盡量的恢復該部分能量。否則，將導致燃燒過程中壓力損失大，最終使得發動機的耗油率上公升。
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