国内外航空替代燃料的研究状况分析与思考

航空替代燃料的发展和应用越来越受到航空业界人士的关注,它不仅关系到全球气候变化和经济发展,还涉及能源和国防安全。航空发达国家的航空替代燃料研究和认证工作正在按照发展规划如火如荼地开展。在未来30～50年内,航空替代燃料将以不会对飞机和发动机硬件产生影响的"即用型"燃料为主,我国亟待启动这类航空替代燃料的论证和验证工作。     

液化天然气作为航空燃料的发展趋势及特点分析

为研究液化天然气(LNG)作为航空燃料的可行性,对LNG的特点、发展趋势及作为航空燃料存在的问题进行了分析.采用了横向比较的方法,将LNG与新的航空替代燃料和传统航空燃料进行了比较和计算分析.结果表明:与新的航空替代燃料相比,LNG具有来源广泛、经济性好、发动机适应性强等优点.与传统航空燃料相比,LNG的储量大,可使用100年以上;可燃极限宽、污染物排放低,NOx排放仅为航空煤油的1/4;单位质量能量密度高、成本低,其燃料成本仅为航空汽油的一半,航空煤油的1/3;同时还具有可用于发动机高温部件冷却用的冷能,是一种极富潜力的航空燃料.指出在LNG作为航空燃料方面急需开展动力系统与飞机结构的匹配、燃料相态的有效转化及不同燃料在燃烧室内的反应特性等方面的研究工作.      

航空发动机氨燃料分析及流量需求计算

为了减少航空发动机由于燃烧含碳燃料产生的碳排放，针对含氨燃料作为航空发动机替代燃料的可行性问题，基于 CFM Leap 1-A发动机的性能参数，运用能量守恒转换关系及氨的化学催化分解反应，对含氨航空燃料的成分配比及航空发动机 氨燃料供应系统和流量需求进行计算。结果表明：氨氢混合物比纯氨具有更好的燃烧性能，可使燃料层流火焰速度达到一些传统碳氢 燃料的水平；氨气可以被分解出氢气并完成氨氢混合，成为一种航空发动机新型替代燃料；确定了新燃料中最优的氨氢比为3∶2； 提出了此种新燃料在航空发动机中的应用方式，并依照航空发动机的性能需求确定了使用新燃料情况下的燃料流量；氨分解所需 热量可由少部分氢气的燃烧来提供。在正确配比燃料中氨氢组分、正确分配燃料流量、并设计氨催化分解系统的前提下，能使得 发动机保持与使用传统碳氢燃料类似的燃烧性能和功率水平，并减少碳排放。     

替代燃料对航空发动机燃烧室性能影响的计算研究

为探索用其他燃料替代航空煤油的可行性,从航空发动机燃烧性能的角度出发,研究了燃用其他燃料对燃烧室性能的影响.在不同燃烧工况下,利用流体计算软件FLUENT模拟计算得到航空煤油、轻柴油、工业酒精的燃烧性能.结果表明:从燃烧的角度来看,轻柴油的燃烧性能与航空煤油的差别不大,可直接替代航空煤油或与航空煤油混合使用;工业酒精与航空煤油的燃烧性能差距很大,用作航空发动机燃料还需深入研究.     

航空发动机防火安全性设计与验证分析

防火能力是影响航空发动机安全性水平的重要特性之一。旨在为防火安全性设计和评估验证工作提供参考与借鉴,针对航空发动机的高安全性需求,借鉴国外航空发动机研制技术经验以及相关标准和适航规范,分析了航空发动机防火安全性的能力要求。从选材控制可燃物、细节消除火源、防火墙阻止火势蔓延3方面提出了防火设计策略。对防火试验中的分类、火焰条件、试验状态、程序以及判据进行了研究,明确了考核试验内容及方法。研究可为航空发动机承研单位提供指导,为使用部门鉴定或适航审查提供依据,为相关标准的制定和修订提供参考。     

设计方案与液体性质对燃料喷嘴性能的影响

由于经济和后勤的压力,必须采用由低质原油提炼的航空燃料.这些燃料在物理性质上变化很大,而这些物理性质,包括粘性、表面张力和密度等,又与喷雾有关.因此,未来的燃气涡轮发动机必须有较好的适应性和能利用具有高的芳香度、碳氢比、粘性和干点等的燃料来可靠运转.     

航空发动机适航安全分析条款要求及 验证方法浅析

介绍航空发动机适航规章安全分析条款的演变历程,结合条款咨询通告对条款要求进行解析,明确了规章要求的航空发动机不期望事件及概率要求。结合ARP 4761的系统安全性评估流程,明确航空发动机安全性评估3个阶段及适用的安全分析方法,并构建了航空发动机安全分析条款符合性工作流程,可为安全分析条款的符合性提供指导。     

国产五种不同性质喷气燃料的高空点火性能研究

在高空模拟实验器上,进行了具有不同性质的几种国产喷气燃料的高空点火性能研究.喷气燃料的试验是在一个航空发动机的预燃室点火器内进行.试验的燃料主要有:大庆油,大港油,南京油,孤岛油(即所谓的大比重油)和一种混合油.试验结果表明,燃油的密度愈低(其粘性也愈低,饱和蒸汽压愈高),其高空点火性能愈好.大比重油的高空点火性能相当不良,但用少量优质大庆油掺混(约百分之十)后可得到显著改善.使用小流量数喷嘴可显著改善大比重油的贫油点火性能,但点火的压力-速度边界和富油点火边界缩小了.试验结果还表明,液雾火花点火的流行的理论模型是可行的.     

国内首款低铅航油获民航局适航批准

<正>近日,由东营华亚国联航空燃料有限公司研制的100l(l低铅)航空汽油获得了中国民航局的适航批准,这也是国内首款100ll航空汽油产品。航空汽油是世界上绝大多数通用航空飞机的主要燃料,100ll是国际上使用数量最多的航空汽油牌号。使用低铅航空汽油,可以大大减少飞机发动机积铅和积炭现象,有效降低发动机故障率,提高安全水平。     

民用航空发动机转子包容性适航要求及符合性方法研究

航空发动机转子包容性能够降低飞机损坏的概率，从而提高飞行的安全性，它是航空发动机结构设计的重要环节，也是适航审定重点关注的内容之一。本文从适航规章对于航空发动机包容性的要求出发，研究了与包容性相关的适航条款的发展历程，以及复合材料风扇叶片包容性的专用条件，从而确定包容性相关条款和专用条件的实质要求及符合性方法。最后，通过某型发动机的审查实例，说明满足包容性相关的条款和专用条件需要开展的符合性工作，为发动机制造商的包容性设计以及适航部门的包容性适航审定提供参考。     

生物航煤的管理、验证标准及验证流程

为了创建自主认定航空替代燃料的审定办法,介绍了国外适航局对替代燃料的管理流程及标准ASTM D4054和ASTM D7566,以及中国适航局依据符合性验证方法制定的《含合成烃民用航空喷气燃料》（CTSO-2C701）标准。详细介绍了标准中规定的生物航煤生产工艺、最低性能标准以及获得批准书需要通过的理化性能和特定性能试验,包括发动机台架和试飞验证。标准中提出了采用技术标准规定批准书（CTSOA）的形式对生物航煤进行申请和批准。在比较国内外生物航煤管理、标准及验证流程技术基础上,总结了中国生物航煤性能验证技术、发动机台架和试飞要求,以及依据此验证技术进行了中国石化1号航煤的认证,为形成一套有别于其他国家的特定的审定办法提供了技术支持。      

空气辅助雾化对活塞式航空煤油发动机燃烧特性的影响研究

为了满足无人机燃料的安全性、单一化战略,并实现发动机高功重比指标,此文将航空煤油应用在点燃式活塞发动机上,使用自主开发的空气辅助喷雾系统,在节气门全开条件下进行了不同过量空气系数、喷气压力、喷气脉宽、喷射时刻对于活塞式航空煤油发动机燃烧特性的影响研究,并将空气辅助雾化系统和120MPa高压共轨系统进行对比试验。结果表明,0.95为活塞式航空煤油发动机的最佳过量空气系数;提高喷气压力和喷气脉宽均会提高发动机的动力性和经济性,提高燃烧稳定性,并且提高喷气压力可以明显缩短燃烧持续期;360 ?CA BTDC喷气时刻时航空煤油的雾化效果最好;喷射参数优化后的空气辅助雾化系统对于航空煤油的雾化效果接近高压共轨系统水平。     

提高二冲程煤油发动机抗爆性措施研究

为解决某二冲程航空活塞发动机采用航空煤油后爆震极限功率严重下降的问题，进行了一维发动机性能仿真分析，提出了提高发动机爆震极限功率的技术措施。在发动机额定工况下，油耗率和排气温度不发生恶化的前提下，添加抗爆添加剂、降低压缩比和推迟点火提前角以抑制采用煤油后的发动机爆震倾向,扩大缸径和降低空燃比以助于恢复发动机的爆震极限功率。结果表明:经过优化，发动机输出功率可达到原型机的96%，油耗率增加了19%，排气温度升高了57K。研究结果可为二冲程煤油发动机的性能优化和提高工作的可靠性提供依据。      

正癸烷作为航空煤油雾化过程代理燃料的研究

对航空煤油和单组份碳氢燃料正癸烷的雾化性能进行实验测试,研究在部件燃烧特性验证阶段,正癸烷作为航空煤油雾化过程代理燃料的可行性.结果表明:在室温条件下,经过旋流器的气流压力降分别为0,500,2000Pa,供油压力从0.1~1.0MPa间隔0.1MPa均匀变化,使用马尔文激光粒度仪测量旋流器下游点火器位置处两种燃料的雾化索太尔平均直径.对于两种燃料,供油压力大于0.5MPa后,SMD变化缓慢,此时两种燃料的雾化过程基本完成,雾化索太尔平均直径均介于30~45μm之间.相同气流压力降下,正癸烷的雾化SMD比航空煤油稍大,这与其更高的黏度和表面张力有关;供油压力大于0.5MPa后,两种燃料的雾化SMD非常接近.在对实验数据进行拟合分析的基础上,获得了航空煤油和正癸烷在旋流中的雾化SMD经验关系式,发现拟合系数的相对差异约为7%,可将正癸烷经过适当的修正之后做为航空煤油雾化的代理燃料.      

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

RP-3航空煤油燃烧特性及其反应机理构建综述

目前耦合航空煤油多步燃烧反应机理的数值模拟计算已引起学者们的重视,燃烧反应机理的构建已成为研究热点。详细介绍了国内外关于航空煤油模拟替代燃料的选取、化学反应动力学模型构建和简化、着火延迟时间和层流燃烧速度等的实验规律。依据国外研究进展,指出了中国在国产RP-3航空煤油燃烧反应机理研究方面应从基础研究做起,全方位、多维、立体地合作开展相关研究,主要包括:国产RP-3航空煤油化学动力学模型的建立、低温高压工况条件下航空煤油与模拟替代燃料的基础实验研究与模型燃烧室研究,以期丰富相关研究成果,推进航空发动机的高质量发展。     

二冲程重油直喷发动机混合气形成研究

针对航空煤油蒸发困难、二冲程发动机油耗高的问题,建立了二冲程重油直喷发动机的三维仿真模型,并通过试验验证了模型的准确性。在此基础上研究了发动机的换气及混合气形成过程。研究结果表明:推迟喷油在减少燃油短路时间的同时,避开了排气流量较大的自由排气阶段,可以提升燃油捕获率;提前喷油,利用废气的高温可以加快煤油的蒸发进程,并且喷油过晚会导致煤油蒸发不完全、油气混合不均。所研究发动机在下止点前80°曲轴转角开始喷油可以保证燃油蒸发和均匀混合的同时提升燃油的捕获率。此时发动机具有较高的指示功率和较低的燃油消耗率,分别为84.0 kW和360.3 g/kWh。该研究结果可以为二冲程重油直喷发动机的喷油参数优化提供理论支撑。      

基于单类支持向量机的航空发动机故障检测

通过监控航空发动机性能参数,准确判断发动机的工作状态,预知发动机的异常变化．为预防和排除故障提供充足的时间和决策依据。开发出利用QAR（quick access Feeorder．快速存取记录器）数据的发动机故障检测系统,该系统基于民航发动机的QAR数据,由于发动机正常运行数据容易获取．而故障样本难以获得．因而采用单类支持向量机（OCSVM）,仅依靠发动机的健康数据建立其分类器。利用OCSVM分类器．监控后续航班参数是否出现异常,通过分析检测结果,实现发动机故障检测。采用该系统监控航空发动机性能参数．及时发现发动机运行状态异常,证明了系统的可行性和有效性。     

应用时间裕度法评估人-机系统飞行安全

采用临界参数确定飞行风险,提出了安全飞行时间裕度概念,根据安全飞行时间裕度和飞行员操纵干预滞后时间评估飞行安全。研究了不利因素影响下的飞行员操纵干预滞后特性。给出了临界参数分别为过载和高度时,飞行安全时间裕度的计算方法。实现了对人-机系统飞行安全的定量评估,并给出了风险概率。