齿轮传动风扇发动机将用于宽体飞机

齿轮传动风扇（GTF）可提高发动机的涵道比,降低油耗并减少污染排放,普惠公司和罗罗公司均已将其列入未来民机发动机的发展路线图。预计到2025年,采用GTF发动机的民用宽体客机有可能问世。     

高涵道比涡轮风扇发动机发展综述

作为干线客机的动力.高涵道比涡扇发动机从诞生时起,就在满足飞机需要的前提下,不断完善性能,包括提高推力,降低发动机耗油率与性能衰减率,提高发动机可靠性与耐久性,降低发动机噪声值与排放值等.特别是进入21世纪后,为用户提供经济性好,能满足新世纪严格环保要求的发动机,已成为参与新型旅客机发动机市场竞争的必备条件.     

基于参数化模型的大型民用飞机设计航程研究

航程和座级直接反映民用客机的市场定位,是飞机产品能否被市场广泛接受的关键因素。目前全球大型客机市场由波音和空客两家公司垄断,又细分为窄体客机、宽体客机和超大型客机等市场。其中,宽体客机的航程跨度较大,是否发展中、短程宽体客机的争论从未终止。伴随空客公司推出A330区域型客机,中短程宽体客机是否有利可图的争论更加炙手可热。有鉴于此,基于全参数化飞机模型,研究了特定座级下设计航程与机翼、发动机、特征重量、气动特性以及燃油经济性之间的关系,分析了设计航程对民用飞机总体设计带来的影响,从技术层面阐述了设计航程变化带来的收益及代价。     

考虑污染物排放的开式转子发动机总体性能建模及分析研究

开式转子发动机兼具涡桨发动机高推进效率和涡扇发动机高飞行速度的特点,是未来民用单通道客机理想动力装置之一。为了掌握开式转子发动机的性能变化规律,明确开式转子发动机相比于常规大涵道比涡扇发动机节油和降低污染物排放的优势,本文基于螺旋桨相似理论和动量理论,建立了考虑前后排桨扇相互影响的对转桨扇模型;与双轴燃气发生器进行匹配,建立了三轴齿轮传动开式转子发动机模型;同时建立了发动机污染物排放计算模型;对同技术水平的开式转子发动机和大涵道比涡扇发动机进行了性能对比。结果表明：所建立的对转桨扇模型与实验结果误差较小,最大误差不超过3%。飞行马赫数增大,桨扇功率系数增大,推力系数减小,耗油率增大;飞行高度增加,桨扇功率系数和推力系数均增大,耗油率呈减小的趋势。相比于同技术水平的大涵道比涡扇发动机,开式转子发动机在典型工况下的耗油率降低9%以上。在飞机起飞着陆循环内,开式转子发动机的UHC,CO和NO_x三种污染物排放指数相比于大涵道比涡扇发动机降低10%以上,表明开式转子发动机可有效降低航空污染物的排放。     

未来大飞机发动机的发展趋势

21世纪初,无论是在波音777客机上使用多年的PW4084、GE90、TRENT800发动机与在A380客机上使用不久的GP7000与TRENT900发动机,还是为波音787客机研制的GEnx与TRENT1000发动机,在耗油率、全寿命费用、污染物排放、噪声排放、可靠性与安全性等方面都已经取得了显著的进步.     

高涵道比涡扇发动机的关键制造技术

高涵道比涡扇发动机具有安全性、经济性和环保性,寿命长,外廓尺寸大,机动过载小等特点,是欧美国家的干线客机所采用的动力装置,也是我国自主研制大型飞机的关键之一,其中材料和工艺方面的关键技术又是制造高涵道比涡扇发动机的重中之重.     

减推力起飞对环境的影响

为研究减推力起飞对环境的影响,包括其对噪声排放的影响和对二氧化碳以及氮氧化物等主要大气污染物排放的影响,本研究使用对照试验的方法,通过不同型号民用客机设置对照组,根据对照试验的结果进行处理分析,以分析减推力起飞对于环境的影响.通过分析可以得出,减推力起飞造成近距离噪声小幅升高,并伴有氮氧化物排放量降低,而对于二氧化碳的排放量几乎没有影响.     

绿色民用航空发动机关键技术

随着降低排放与降低噪声技术的快速发展,20世纪90年代末,航空发动机设计与制造商提出了“绿色”发动机概念。该文综述了常规大涵道比涡扇发动机的三大“绿色”技术——先进的降低噪声技术、降低排放的技术和降低有害物质生成与排放的技术。     

风扇/压气机气动设计技术发展趋势——用于大型客机的大涵道比涡扇发动机

分析了大型客机使用的当代先进大涵道比涡扇发动机及其下一代的风扇/压气机气动设计技术的现状和发展趋势,探讨了我国研制高性能大涵道比涡扇发动机在风扇/压气机方面所面临的严峻挑战,以及为了满足我国研制大涵道比涡扇发动机的需求,需要在风扇/压气机气动研究方面尽快展开的一些关键研究.      

新型干线客机发动机的发展与设计特点

美国GE和普惠公司及英国罗-罗公司于70年代初期成功地研制了用于干线客机的高涵道比涡扇发动机后,在近20多年里又为这种飞机研制了各种推力级的发动机。目前这三家公司仍控制着干线客机发动机市场,并正竞争研制新的发动机。干线客机及其对发动机的要求现代先进干线客机这种干线客机指目前已在航线上服役、能满足有关噪声、排放物严格限制并能在今后10～20年内还可继续使用的大型客机。由于航空运输量每年以较大的增长率急剧增加,全球需求的飞机量日益加多,同时由于市场竞争形势所逼,促使飞机制造集团纷纷推出各种型号、载客量和航程     

民用飞机全航线排放预测

针对民用飞机全航线的排放预测问题,运用飞机升阻特性模型、发动机性能模型和飞机航线性能模型计算了民用飞机在全航线上的飞机升阻特性与发动机性能,并将以上模型与基于T₃-p₃法与波音流量法所建立的排放计算模型相耦合,详细计算了飞机在实际飞行过程中未燃碳氢化合物(UHC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)的排放指数,并得到了全航线的各种污染排放物排放总量,完善了民用航空发动机排放预测分析体系,为低污染民用航空发动机的设计与评估提供理论依据.计算结果表明,飞机处在起飞以及爬升阶段时,NOx的排放指数较高,而UHC与CO的排放指数较低;当飞机处在下降以及进场时,NOx的排放指数较低,而UHC与CO的排放指数较高.NOx的总排放量在3种污染排放产物中最高.      

基于ICAO起降模型的中国机场飞机排污计算研究

结合ICAO机场排放计算方法，在考虑3种主要气体污染物HC、CO和NOx的情况下，提出了适合中国机场飞机排放污染物的计算方法。该方法基于国际民航组织（ICAO）规定的标准起飞着陆（LTO）循环的模型，采用ICAO发动机排放数据库（ICAO aircraft engine emissions databank），通过搜集中国民航机队的飞机／发动机配置信息及所列机场航班计划表，计算出机场污染物年排放量。     

航空发动机排气污染物控制与适航符合性研究

基于民用航空活动对环境排放污染占比快速增长的现状,结合民用航空领域排放物相关政策的历史沿革和背景,展望了发动机排放物政策的发展趋势,研究表明由于NOx危害较大且很难控制,国际民航组织（简称ICAO）和美国联邦航空局（简称FAA）对NOx的要求日趋严格,而对HC、CO和烟的排放要求基本没有变化。同时介绍了低污染燃烧技术发展概况,分析了排气污染物的生成机理和主要影响因素以及改善措施,基于污染物生成机理及控制原理阐述了富油和贫油燃烧的污染排放控制方法。最后对飞机排放适航符合性验证方法进行了介绍,提出了基于发动机台架试验的LTO循环中气态排放污染物和烟尘的测量程序和计算分析方法,该测量程序和计算分析方法能较准确地评估航空发动机运行过程中的排气污染物水平,可以推广应用到航空发动机和大型燃气轮机的排放评估和预测。     

国外民用航空发动机低污染燃烧室的发展

由于地球大气污染加剧,低污染燃烧室的研制成为了制约民用飞机发动机发展的关键技术之一。叙述了ICAOCAEP标准对民用航空发动机污染物排放的规定,以及污染物形成机理和排放控制方法,详细介绍了美国和英国、德国等欧洲航空发动机先进国家研制的多种高效低污染燃烧室,如TAPS、TALON、TVC和ANTLE等。这几种燃烧室的污染物排放水平均比CAEP2标准规定值低50％以上,其研制、发展和使用经验,对中国低污染燃烧室的研制和发展具有重要的参考价值。     

中国大涵道比涡扇发动机整机试验验证规划研究

为满足中国军用运输机和民用大飞机用大涵道比涡扇发动机的研制需求,加速提升中国试验技术能力,根据国外先进大涵道比涡扇发动机整机试验取得的成果,分析并明确了大涵道比涡扇发动机整机试验验证依据,制定了未来中国大涵道比涡扇发动机整机试验验证规划,系统地论证了不同类别整机试验的关注点,总结了中国开展大涵道比涡扇发动机整机试验需突破的关键技术,为开展其整机试验理清思路。     

民用飞机性能选型评估研究

随着航空公司机队规模的不断扩大,系统有规划地进行飞机性能选型和根据不同的航线市场需求进行机型匹配是相当重要的。 根据航空公司性能选型要求、民航规章和航空公司航线运营分析报告,建立了以飞机性能优劣度为顶层目标的性能选型指标体系,分为 4 个一级指标,19 个二级指标,使用层次分析法得到主观权重,利用熵权法得到客观权重,通过组合赋权法将主观权重和客观权重结合,得到组合权重,权重大小排序靠前的为推重比、直接运行成本、单发小时耗油量、座公里成本、单发推力。 然后基于灰色关联-TOPSIS 法建立飞机性能选型评估模型,选取四种典型机型进行综合评价,得到各个机型的贴近度和排名情况,从而得出了民用飞机性能选型评估方法,为航空公司选购新型飞机时提供理论依据。     

民用涡扇发动机结构与建模分析研究

数学模型是航空发动机性能仿真与控制系统设计的重要技术基础,针对民用涡扇发动机建模需求,以广泛使用的大涵道比涡扇发动机为研究对象,参考国外经验并结合理论分析,进行与整机建模相关的发动机主要部件结构特点和部件建模方法研究,给出发动机大风扇特性分解方法,分析空气引气系统、压气机稳定性控制系统、涡轮叶尖间隙控制系统、反推力装置等系统的结构和建模方法,以期为民用大涵道比涡扇发动机整机建模提供技术支持.     

民用飞机进气道的侧风畸变研究

结合民用飞机动力装置/机体集成研究的具体需要,采用数值模拟方法对大涵道比涡扇发动机进气道的侧风畸变特性进行研究,给出了进气道在侧风条件下工作的流场特征,分析了导致侧风畸变的流动机理.研究结果表明:进气道的侧风畸变主要受到典型的气流分离与再附以及地面吸入涡等复杂流动现象的影响;当进气道内部气流出现分离时,侧风畸变会随侧风速度的增加而突然加剧;进气道在近地面工作状态,产生的地面吸入涡现象可能会使短舱的侧风容限明显降低.此外,侧风状态的进气畸变特性随着发动机流量的变化,进气道内部气流的分离与再附存在差别,这导致了进气畸变指数呈现迟滞变化.      

癸酸甲酯与正丁醇在低速柴油机中均质压燃燃烧与排放

通过向生物柴油替代燃料癸酸甲酯(MD)中掺入一定比例的正丁醇(NBA),达到降低氮氧化物（NOx）排放的目的。针对二冲程低速船用柴油机,建立了癸酸甲酯和正丁醇的混合燃料燃烧反应机理,并将Zeldovich氮氧化物反应机理作为子机理添加到燃烧反应机理中。构建出一个包含癸酸甲酯,正丁醇和详细的氮氧化物反应的完整燃烧反应机理。在燃料总摩尔分数一定的条件下,固定发动机转速与空气过量系数,将癸酸甲酯与正丁醇按不同比例进行混合,研究癸酸甲酯与正丁醇混合燃料在二冲程低速船用柴油机充量均质压燃（HCCI）模式下的燃烧与氮氧化物排放特性。结果显示,癸酸甲酯与正丁醇混合燃料HCCI燃烧产生的氮氧化物随正丁醇掺混比例的增加而减少。研究表明,在燃料总摩尔分数保持不变时,随着正丁醇混合比例的增加,燃料总热值减少,排气温度和缸内最高燃烧温度降低,对氮氧化物的生成有抑制作用,氮氧化物反应速率降低,排放量下降。同时,由于正丁醇掺混比例的增加导致混合燃料的C/H比下降,可以有效地降低燃烧过程中CO2的排放。在保证发动机燃烧效率的条件下,癸酸甲酯和正丁醇的混合比例为1:1时,混合燃料在二冲程低速船用柴油机中HCCI燃烧的NO与NO2排放量最低。