机载火焰抑制器设计要求研究

火焰抑制器为保证飞机燃油系统安全的重要手段,可阻止外部火焰进入燃油箱内部。为满足我国大型民用飞机发展,对其性能和设计需求的研究日益增加。基于历史发展和以往研究,介绍了火焰抑制器基本原理,对机载环境下火焰抑制器结构特征和安装要求进行分析。再根据淬熄长度和淬熄直径研究结果,讨论火焰抑制器阻火单元尺寸设计准则。结合美国联邦航空局咨询通告AC25.975要求和美国汽车工程师学会设计规范SAE ARP5776,提出火焰传播试验和火焰保持试验,为火焰抑制器性能论证方法提供参考。最终,对火焰抑制器压降性能要求和环境适应性能要求进行简述。     

机载火焰抑制器流通性能研究

受限于适航认证工作的相关要求及我国航空技术相对落后的现状,国产机载火焰抑制器的研制开发起步较晚。通过对机载火焰抑制器压力降产生的原因进行分析,提出一种适合计算机载火焰抑制器压力降的方法,在与实验结果对比并验证该方法正确性的基础上,根据某型机载火焰抑制器技术要求,分析在空气流动和燃油溢流情况下不同特征尺寸阻火单元的压力降,并探讨各个因素对机载火焰抑制器压力降的影响。结果表明:本文关于机载火焰抑制器流通性能的研究可为其工程设计、计算和选择提供有益的参考。     

旋转状态下矩形微小通道流动与换热试验研究

为了研究微小通道结构在航空发动机涡轮叶片中应用的前景和可行性,以空气为冷却介质,在Re＝1000～3000、转速为0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3条件下,对水力直径为1 mm的旋转微小通道组的流动和换热特性进行试验研究。结果表明：微小通道流阻系数呈现粗糙壁通道特征,通道临界Re≈2350,流阻系数以及临界Re随转速增加未见明显改变。在静止状态下,通道组综合换热系数随Re增大而增大,换热系数分布沿流动方向逐渐减小;在旋转状态下,通道组平均综合换热系数略有增大,旋转对换热特性的影响随着流动的发展而增大     

三级旋流燃烧室流动和点火过程中火焰传播特性

为了研究三级旋流燃烧室的流动以及预燃级煤油非预混燃烧特性,设计了三级旋流燃烧室结构方案与光学非接触测量方案,研究了总压损失与当量比对三级旋流燃烧室流动特性及火焰结构的作用和油气参数对点火过程中火焰特征结构与特征时间的影响规律。研究结果表明：在高速气流碰壁区存在内、外剪切层,剪切层的无量纲高度随总压损失变化较小,剪切强度随总压损失增大而增大;火焰结构随着当量比变化存在“V”型火焰、过渡火焰以及包络火焰三种形态,过渡当量比约在0.6左右;热态回流区扩张段扩张角度随总压损失的增大而增大,随着当量比先减小后增大;点火过程中存在大尺度火焰的熄灭与复燃,复燃火焰从回流涡附近以三维螺旋方式回传;点火过程中,随总压损失的增大,火核生成时间增大,火焰传播时间减小,熄火复燃时间减小;随当量比增大,火核生成时间增加,火焰传播时间先增大后减小,熄火复燃时间减小。     

旋转通道内流阻特性实验的实现与验证

针对涡轮叶片的蛇形内冷通道内流阻特性的研究,在北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室的旋转涡轮叶片内冷通道换热实验台上构建了旋转工况的测压系统.该测压系统具有高精度、多路选通、高压高旋转数等特点.在通道进口雷诺数从20000~70000,旋转数从0~1.025的范围内,实验研究了旋转状态下,冷态与热态流场下方形截面光滑U形通道流阻系数.实验结果与国外同类实验对比验证了构建的实验系统的可靠性和优越性.实验结果表明:低雷诺数下静止工况的流阻随雷诺数增大而增大,并在雷诺数增大到一定值后转而减小.冷态下流阻随旋转数增大而增大,低旋转数下旋转对热态流阻影响并不显著,高旋转数下热态流阻随旋转数增大而显著增大.      

一种用于吸气式电推进的新型吸气装置研究

为提升吸气式电推进吸气装置的气体收集率,本文设计一种新结构的吸气装置,即附有近壁阻翼结构的抛物型吸气管。以单元粒子/直接蒙特卡罗碰撞模型（PIC/DSMC）对传统抛物型和新型结构的吸气管进行流场参数分布的数值计算。计算结果表明,近壁阻翼对于壁面附近返流有较强的阻碍作用,可令返流粒子数量减少,气体收集率可提高2%～10%不等;近壁阻翼的位置和长度对气体收集率有较大影响,主要表现在阻翼对来流阻挡作用和对返流阻挡作用两者的占比程度,在本文工况中（轨道高度为180km,适应系数σ=0.3）,气体收集率的最优值为47.3%。     

接力喷嘴不同径向高度和方位角对加力燃烧室 热射流点火性能的影响

为了研究不同热射流点火状态下的燃烧性能,针对采用波瓣混合器的某型航空发动机加力燃烧室,基于N-S方程建立了3维数值计算模型,得到了接力喷嘴径向高度和方位角对加力燃烧室流场、燃烧特性和流阻特性的影响规律。结果表明:随着径向高度增加,热射流火焰传播距离逐渐减小,传播到稳定器下游区域从内涵逐渐向外涵移动,且稳定器壁面高温分布区域逐渐减小;随着方位角增大,热射流火焰径向穿透深度逐渐增大,且稳定器壁面高温区域逐渐减小,在方位角α=0°和α=5°时稳定器壁温最高,为1450 K左右;在加力燃烧室出口截面上,径向高度和方位角对无量纲总压影响不大,整体小于0.005。     

波形隔板形状对通道流动和换热的影响

采用数值模拟的方法,对基于波形隔板结构涡轮叶片尾缘复合通道的换热和流阻特性进行研究.设计了一种直隔板和三种不同折角的波形隔板结构,研究波形角度对通道中流动和换热的影响.数值结果表明,波形隔板结构折角越小,对整个通道,换热越好,尤其是对于第1通道,换热增强最大可达30%;同时折角越小,通道的流阻系数越大;从换热和流阻的综合效果来看,150°折角波形隔板结构和直隔板结构(180°折角)相当,120°折角和90°折角波形隔板结构的综合换热效果比直隔板结构的略大.      

交错肋结构形式对换热和流阻特性的影响试验研究

通过试验,研究了不同结构的交错肋对换热及流阻特性的影响。试验结果表明:努塞尔数和流阻系数,随着肋宽的增大而都增大,随着肋间距的增大而都减小,随着肋倾角的增大而都增大。综合换热效果为1.3~2.5。     

阳极通道长度对等离子体射流点火器特性影响的实验研究

为进一步优化等离子体射流点火器的结构,提高点火器的工作性能,在自主设计的等离子体点火实验系统的基础上,开展了阳极通道长度对等离子体射流点火器特性影响的实验研究,选取的阳极通道长度为3mm,5mm和7mm。获得了等离子体射流点火器的放电特性、光谱特性、射流特性和点火特性。结果表明:增大阳极通道长度能够抑制电弧分流的幅度,减小电极的烧蚀面积,但提高了击穿电压,使引弧更加困难;随着阳极通道长度的增大,氮分子离子的转动温度和振动温度分别呈现出先升高后降低和先降低后升高的变化趋势;煤油/空气混合气的点火延迟时间随阳极通道长度的增加,呈现出先减小后增大的变化趋势,余气系数为1.43时,阳极通道长度5mm时的点火延迟时间为14.4ms,相对于阳极通道长度3mm,7mm下的点火延迟时间分别减小了21.1%,12.1%。     

气膜出流条件下回转通道流动特性的实验研究

采用实验方法研究气膜出流条件下带肋回转通道流动特性,其中回转通道为带90°直肋变截面通道。根据研究问题的特点,利用单元分析方法,定义了壁面有效压力及单元有效压力系数。结果表明:通道出口段存在气膜出流与无气膜出流情况相比出口段有效压力分布发生变化,并且使整个通道的流阻下降。影响流动的主要因素是通道的阻塞比、长径比、宽高比、气膜出流比和进口雷诺数。     

反推力装置运动学与动力学仿真

为了研究叶栅式反推力装置各部件在工作过程中的运动学与动力学特性,根据机构运动原理对反推力装置进行简化并建立了运动学与动力学数学模型。以滑动整流罩位移与阻流门所受气动负荷为输入进行运动学与动力学仿真,得到了反推力装置各部件的位移、速度及受力特性曲线,并对比分析了在不同尺寸参数下各部件特征点的运动轨迹和反推力装置负载力变化。结果表明:运动学及动力学仿真结果与工程实际相符；反推力装置机构参数选择不合理时,各设计点会发生干涉现象并导致机构无法运动;机构参数变化对负载力最大值影响尤为突出,在阻流门AC段长度值增大6%,阻流门CB段长度值减小9%的情况下,负载力正向最大值将增大19.53%,负向最大值增大12.67%。研究方法及研究结果可为反推力装置运动学及动力学分析,以及为反推力装置机构优化设计提供参考。      

结构参数对蒸发式火焰稳定器贫油熄火性能的影响及其预测方法研究

为了拓宽蒸发式火焰稳定器的贫油熄火边界,在0.14~0.3Ma及483K的来流条件下,试验研究了裙板长度及头部开孔率对贫油熄火性能的影响。采用冷态流场数值模拟结合蒸发式火焰稳定器燃烧负荷参数的方法分析与预测蒸发式稳定器贫油熄火性能。研究结果表明,裙板减小了稳定器头部进气量且增加了局部回流区的体积,减小了燃烧负荷参数,因此裙板长度为32.5mm的稳定器贫油熄火特性优于不带裙板的火焰稳定器。蒸发式火焰稳定器随着头部开孔率增大,头部进气量增加,因此燃烧负荷参数增大,头部开孔率6.4%的稳定器贫油熄火特性优于头部开孔率9%的火焰稳定器。不同结构参数的蒸发式火焰稳定器的无量纲燃烧负荷参数与贫油熄火局部油气比成线性关系,可以用于预测不同结构参数的蒸发式火焰稳定器贫油熄火性能。     

基于流阻特性数据处理的燃烧室头部估算修正法

为了获得燃烧室真实工作状态下的流阻特性,在工程实践中,根据现有的燃烧室流阻特性测试手段与试验处理方法,提 出一种新的燃烧室流阻特性试验数据处理方法—头部估算修正法。以高温升燃烧室全环试验件冷态流场的试验结果为基础,完 成头部估算修正法与现有试验处理方法关于扩压器、火焰筒及燃烧室总压损失系数与燃烧室进口马赫数的关系表达式的对比。 将设计点与理论设计值进行比较,结果表明：采用直接处理法评估的燃烧室流阻特性结果过于保守;涡轮引气修正法可用来评价 燃烧室总压损失,但用于评价扩压器与火焰筒总压损失并不理想;头部估算修正法相比于现有试验数据处理方法更适用于评估燃 烧室的流阻特性,为燃烧室的设计与试验数据处理提供了技术支持。     

带肋壁与出流孔内流通道的流阻特性

采用根据相似理论几何放大的模型，在流动相似的条件下，实验研究了带肋壁与出流孔内流通道的流阻特性。在内流通道进口雷诺数为40000-80000，通道总出流比为0．30—0．60的范围内测量了通道压力损失系数Cp的分布，分析了通道进口雷诺数和通道总出流比对Cp的影响规律。结果显示：在通道进口雷诺数一定时，随总出流比的提高，通道内Cp减小，压力损失减小；在通道总出流比一定时，通道进口雷诺数对Cp无显著影响。另外，在比较了当前内流通道流阻工程算法与实验结果的基础上，提出了对当前流阻算法的改进措施。     

自稳火双旋流杯在非受限空间内的燃烧特性

采用试验方法研究了一种适用于切向驻涡燃烧室的自稳火双旋流杯在非受限空间内的燃烧特性.自稳火双旋流杯的方案特点是采用两级径向旋流器,燃油从中心离心喷嘴喷出,根据旋流器旋流强度和气量分配形成不同布局形式.在常温常压条件下,以RP-3航空煤油为燃料,测量了三种结构的自稳火双旋流杯火焰特性以及贫油熄火油气比,结果表明:随着内旋流器气量减少和旋流数增加,火焰稳定性将有所增强,但火焰长度及总体形状没有变化.      

射流预冷装置温降与流阻特性试验研究

为了满足基于某型传统涡轮发动机射流预冷技术验证的需求,以射流预冷装置的温降和流阻特性研究为基础,设计了1种高效蒸发、低流阻的射流预冷装置,搭建了国内首套基于全尺寸的地面模拟试验系统,通过试验验证的方法研究了喷入介质的流量变化和进气温度变化对温降和流阻特性的影响,验证了射流预冷技术的有效性。结果表明:发动机入口来流温度不变时,射流预冷装置的温降特性主要取决于喷入介质的流量变化;随着来流温度的升高,射流预冷装置的介质蒸发率提高,来流降温量也会随之增大;通过调节喷射介质的流量,可将发动机风扇前气流温度维持在80~120℃;流阻特性主要取决于射流预冷装置自身,而介质喷射对流阻特性几乎不产生影响;射流预冷装置的总压损失小于4%,且随着来流温度的升高,总压损失有所减小。     

来流条件对微燃烧室中庚烷燃烧特性的影响

为了通过改变来流条件提高微燃烧器中火焰的稳定性,使用液体正庚烷作为燃料,在内径为4mm的微燃烧室中,对不同庚烷流量和氧气浓度下庚烷液滴的燃烧特性进行了实验研究。结果表明,固定当量比为0.9,庚烷流量由10μL/min增大到30μL/min时,点火时间缩短,液滴滴落并形成液膜,液膜对点火以及稳定火焰有利。固定来流速度为0.33m/s时,加入氧气后,火焰出现瞬时喷射现象,但火焰不会熄灭。增加氧气浓度可以缩短点火时间,增强火焰稳定性。随着氧气浓度的增大,火焰长度总体上先增大后减小。燃烧声振呈现出低频特性,氧气浓度为0.46时声振最为强烈。     

气冷径向稳定器张角对混合扩压器性能影响

针对一种混合扩压器和气冷径向稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,研究了气冷径向稳定器张角变化对混合扩压器流场、流阻特性和混合特性的影响规律.结果表明:随着气冷径向稳定器张角的增大,混合扩压器的静压恢复系数逐渐减小,混合扩压器的流阻系数和压力损失系数均逐渐增大；在混合扩压器出口截面处,随着气冷径向稳定器张角的增大,总压恢复系数逐渐减小,总压恢复系数的最大值与最小值相差0.0032.热混合效率逐渐增大,热混合效率的整体变化范围为0.7268~0.8857.      

典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验

对进气孔、扰流柱和出气孔个数之比为1:4:1的典型层板冷却结构的流体流阻与换热特性进行了实验研究.结果表明, 对于进、出气板间距不大的层板模型, 出气板内表面的换热系数最大, 扰流柱表面的换热系数次之, 进气板内表面的换热系数最小.对不同层板模型的比较表明, 相同流量下随着进气孔直径的增大, 流阻系数增大, 进气板内表面的换热系数变化不大、出气板内表面的换热减弱;随着出气孔直径的增大, 流阻明显减小, 进气板内表面的换热减弱, 出气板内表面的换热变化不大;随着出气孔倾角的增大, 流阻增大, 进气板内表面的换热增强, 出气板内表面的换热变化不大.