点燃式航空活塞发动机汽油-航空煤油燃烧特性

为研究航空煤油在点燃式航空活塞发动机上的燃烧特性,改造并搭建了一台可以同时燃烧汽油和航空煤油的航空活塞发动机试验台架,并建立了发动机燃烧室的三维仿真模型,采用试验与三维仿真相结合的手段,研究了汽油与航空煤油燃烧特性的差异,结果表明:在低转速、小负荷工况下,平均指示有效压力(IMEP)小于05 MPa范围内,通过调整点火正时等运行参数即可使航空煤油达到与汽油相近的燃烧特征;随着发动机转速和负荷增加,航空煤油燃烧特性表现为滞燃期延长、燃烧持续期增加、最大缸内压力降低、燃烧重心后移,并且伴随明显爆震发生。在高转速工况下,航空煤油燃烧受爆震影响,负荷最高只能提升至21%。     

某航空活塞发动机进、排气正时优化

利用基于仿真的遗传算法优化方法,对某型点燃式航空活塞发动机气门正时优化进行了研究。通过耦合发动机性能模型与modeFrontier专业优化软件,以提高发动机巡航工况下有效功率和降低燃油消耗率为目标对发动机的进、排气正时和进、排气持续期进行了优化。分析结果表明:相比于原机,通过优化进、排气门正时和进、排气持续期,发动机在巡航工况下燃油消耗率降低2.5%,功率提升7.3%;优化后的进、排气参数也可以提升发动机节气门全开时发动机的性能,减少飞行器的起飞滑跑距离。      

不同海拔下压燃式航空活塞发动机的燃烧与排放特性

研究压燃式航空活塞发动机在不同海拔高度下的燃烧与排放特性,将有利于进一步优化通航飞行器的动力推进系统。通过发动机大气压力模拟试验台架,在3个不同海拔高度（10,1000,1920m）进行压燃式航空活塞发动机的燃烧与排放试验,获得了发动机的燃烧和排放污染物与海拔高度的变化规律。试验结果表明：随着海拔高度的上升,大气压力减小,航空发动机的进气质量流量降幅明显,过量空气系数和有效热效率也略有下降,但有效燃油消耗率是上升的;此外,在相同工况点出现最大燃烧压力下降,滞燃期延长,燃烧始点推迟,燃烧持续期呈延长趋势,最高平均燃烧温度增大,且发动机的NO_x,HC和碳烟排放增加。当海拔升高,发动机的负荷增大时,碳烟排放呈现出先降低后升高。在小负荷和大负荷时的CO排放增加较为明显,而中负荷附近基本保持不变。     

不同增压模式对压燃式航空活塞发动机性能的影响研究

压燃式航空活塞发动机在高空环境下易出现动力衰减、推力不足等关键问题，因此，增压系统的匹配研究和优化至关重要。基于GT-Power软件构建一维整机热力学模型，探究了不同海拔下增压模式以及高压级压气机叶片开度对压燃式航空活塞发动机性能的影响。研究表明：海拔4000m下，在3400r/min工况点，相较于固定截面增压(FGT)，采用可变涡轮截面增压(VGT)技术后，燃烧始点提前了31.7%，转矩和功率分别提高36%,43.5%，泵气损失增加10.5%；而采用可调两级增压(RTST)后性能提升效果更显著，使发动机工作升限从5480m提升到了6000m，但在高转速下，RTST增压效率以及对发动机动力性能的增幅会出现下降趋势；低海拔下，随RTST高压级VGT叶片开度的减小，燃烧始点推迟，功率降低，油耗增加；高海拔下，燃烧始点、功率和油耗随叶片开度的减小而呈现与低海拔时相反的趋势。     

活塞发动机高空最小点火能量计算及试验

根据原型机结构,应用AVL BOOST建立了航空活塞式发动机的一维仿真模型,通过地面特性仿真计算与试验研究,验证了发动机仿真模型的可行性和正确性;在深入分析可燃混合气燃烧机理基础上,建立了发动机最小点火能量计算数学模型;在此基础上,采用AVL BOOST与MATLAB联合仿真的方法,计算了发动机在不同高空、不同空燃比稳定运行工况下的最小点火能量,得出不同高空最小点火能量MAP图,并进行了试验验证,结果表明,所建立的最小点火能量的仿真计算模型是正确可行的,能够满足后续性能预测与研究的要求.      

某航空活塞发动机机械增压器旁通阀门开启特性分析

机械增压器现已在汽车发动机上得到了广泛应用,但其在航空活塞发动机上的应用和研究较少.分析机械增压器的工作过程,在簧片阀模型的基础上,考虑旁通阀门启闭压力与涡轮增压器压比之间的线性关系并对其建模;搭建某型航空活塞发动机GT-POWER数值仿真模型并进行实验验证,在整机模型的基础上,研究不同转速下通过旁通阀门的质量流率以及不同高度下旁通阀门的通流面积.结果表明:巡航工况下,海拔2680 m时阀门关闭;起飞工况下,海拔3000 m阀门关闭,该结果可为发动机实际高空飞行提供理论支持.     

某航空活塞发动机机械增压器旁通阀门启闭特性分析

机械增压器现已在汽车发动机上得到了广泛应用,但其在航空活塞发动机上的应用和研究较少。分析机械增压器的工作过程,在簧片阀模型的基础上,考虑旁通阀门启闭压力与涡轮增压器压比之间的线性关系并对其建模;搭建某型航空活塞发动机GT-POWER数值仿真模型并进行实验验证,在整机模型的基础上,研究不同转速下通过旁通阀门的质量流率以及不同高度下旁通阀门的通流面积。结果表明:巡航工况下,海拔2 680m时阀门关闭;起飞工况下,海拔3 000m阀门关闭,该结果可为发动机实际高空飞行提供理论支持。     

高强化活塞烧蚀失效研究

运用软件AVL FIRE对某型柴油机进行了有近壁燃烧工况时的燃烧特性的数值模拟,同时确定了该型柴油机在有近壁燃烧工况时活塞有限元计算的热边界条件,运用软件ANSYS进行了活塞的烧蚀过程有限元分析,得到了近壁燃烧对活塞烧蚀的影响规律,进行了活塞烧蚀的实机试验,模拟计算结果与试验结果基本吻合.结果表明:所建立的烧蚀计算方法可以很好地模拟活塞的烧蚀过程;柴油机喷油器喷孔磨损变大将导致活塞喉口附近燃气温度和壁面传热系数在较大的曲轴转角内都保持较大的数值,从而使活塞发生烧蚀失效;烧蚀量随着喷油器孔径的增大先增大后减小,在孔径增大15%时达到峰值;烧蚀量随着烧蚀时间的增大而增大,但烧蚀的速度在缓慢减小.      

基于燃烧室多反应器模型的民用涡扇发动机排放预测

选用燃油JetA为航空燃料,建立了简化火焰锋面模型、燃烧化学平衡模型、燃烧动力学模型、燃油雾化模型、燃油蒸发模型及污染排放生成模型.采用基于燃烧室多反应器模型对发动机在不同工作状态下的排放产物NOx、未燃碳氢化合物(unburned hydrocarbons,UHC)和CO进行了计算.结果表明:燃烧室内火焰温度越高,NOx排放量越大.在发动机工作在低转速工况下时,燃油液滴的雾化直径大,造成CO与UHC排放量增加.基于燃烧室多反应器模型计算通用性强、速度快,适合与发动机性能程序相结合,在发动机设计阶段对发动机不同工作状态下的排放产物含量进行预测计算.     

组合循环发动机飞机/发动机性能一体化分析

采用飞机/发动机一体化分析方法,开展了两种典型组合循环发动机方案（方案一为涡轮/亚燃冲压/双模态超燃冲压组合发动机，方案二为涡轮/引射冲压/双模态超燃冲压组合发动机）总体性能对比研究。基于给定的马赫数为65巡航的高超声速飞行器的飞行任务需求,进行了约束分析与任务分析,优选出满足约束条件下的飞行器起飞推质比和机翼载荷,得到了相应的飞行器起飞总质量和海平面起飞推力,并进行了两种方案的对比研究。结果表明:在完成相同的飞行任务下,方案一的起飞总质量与方案二相当,前者比后者减小了26%；方案一的起飞推力比方案二高出103%；基于涡轮发动机水平,方案一和方案二分别需要采用两台海平面起飞推力为129kN和119kN量级的涡轮发动机。此外,飞行器起飞总质量随巡航距离增加而显著增加,巡航距离为4000km时,两种方案的起飞总质量将达到85t左右。      

星用490 N发动机偏工况工作特性试验

准确掌握液体火箭发动机不同参数下的工作特性及裕度对其使用可靠性至关重要。对第二代490 N发动机开展偏工况高空模拟和地面热试车,研究了推力和混合比变化对发动机工作特性的影响。结果表明:高空模拟环境下发动机能在混合比1.54～1.80及真空推力372～584 N的较宽包络范围内正常工作。随着推力的增加,真空比冲和喉部温度均提高,燃烧室效率依次呈增大、平稳、下降的趋势,喷管效率小幅增大。随着混合比的增大,真空比冲和喉部温度也提高,燃烧室效率未发生明显变化,喷管效率微降低。额定混合比下,室压在0.61～1.56 MPa区间内波动平稳,具备真空推力345～900 N工作能力,但在0.51 MPa时产生与输送系统耦合的中低频（207 Hz）燃烧振荡。高工况引起喉部热流冲刷加剧以及温度升高会加速涂层的损失,使得发动机长程工作寿命下降,但在一定的偏离范围及单次点火时长内仍能满足卫星25000 s鉴定级寿命要求。      

动力效应对民机起飞构型气动特性影响的数值研究

采用在点对点多块结构化网格系统上求解三维可压缩雷诺平均N-S（Navier-Stokes）方程的方法,研究了发动机动力效应对民机起飞构型气动特性的影响.首先,通过涡轮动力模拟器风洞试验模型及民机高升力构型标准模型,对研究方法进行了验证,计算和试验结果的良好吻合说明研究方法用于模拟发动机动力效应及预测民机高升力构型气动特性是可行的.其次,针对分别安装通气短舱和动力短舱的某翼吊涡扇发动机民机起飞构型,研究了发动机动力效应对其气动特性的影响规律.结果表明:在通气短舱基础上预测的起飞最大升力系数、失速迎角以及阻力和力矩,在考虑动力效应后会产生明显的不同.动力效应可使外形最大升力系数增大并延迟机翼失速,但同时也带来了低头力矩增大和升阻比降低的不利影响.建议在对机翼及其高升力装置设计结果的数值校核中使用考虑进排气的动力短舱代替目前常用的通气短舱,这能为设计改进提供更可靠的依据.      

燃料喷口位置对燃烧室污染物生成性能影响

对一种使用中低热值生物质气的干式低排放（DLE）微型燃气轮机燃烧室开展了研究,对燃料喷嘴口在不同位置时的污染物生成特性进行了实验测试和数值模拟,获得了喷口位置对燃料与空气的混合均匀性、NOx生成特性的影响规律。结果表明:调节燃烧室的燃料分配比例、燃料喷口位置对燃烧室的排放特性会产生影响,存在一个使NOx排放最低的燃料分配比例;燃料与空气混合的均匀性是影响NOx生成的主要因素之一;NOx主要在值班燃烧区中产生,调整值班级喷口喷射方式可以使NOx质量浓度降至7.6 mg/m3。      

基于发动机与飞机的藻基航空燃料全生命周期分析

讨论了基于发动机类别及其飞机的藻基航空替代燃料与常规航空燃料对全生命周期的影响。基于GREET（the greenhouse gases,regulated emissions,and energy use in transportation）模型,依据平均载荷、最大航程,将民航客机分为单通道窄体、双通道中型、双通道大型、巨型、支线和公务机等6类。起飞、爬升、进近、滑行、巡航过程的燃料消耗及排放采用国际民用航空组织、美国NASA-AAFEX实验、欧洲EASA适航条例提供的数据。计算了6类发动机-飞机的气体排放、能量消耗情况。在双通道大型客机中藻基航空替代燃料制备过程的温室气体排放仅为0.2351g/(kg·km),原因为该类客机与小型飞机相比有更好的发动机效率和运输效率。然而由于起飞降落过程排放比例较大,单通道窄体客机在航程上对温室气体排放变化更为敏感。      

燃料分配方式对微燃机燃烧室燃烧性能影响

提出了一种喷口位置可变采用燃料多点喷射的干式低排放(DLE)微型燃气轮机燃烧室,为了获得值班级与主燃级之间燃料分配方式对燃烧性能的影响,对该燃烧室在不同分配方式下的燃烧性能进行了实验测试与数值模拟。结果表明:燃料喷口位置改变对污染物排放影响不显著;燃料分配方式的改变对温度场和污染物的生成特性有影响,随着两级燃料分配比例的增大,NOx排放量呈现先减少后增加的趋势,存在一个最佳的燃料分配比例使NOx排放最低;燃烧室内存在明显的中心回流区(PRZ),便于点火及火焰传播;热力型NOx的生成量与温度高于1 950 K的区域大小和最高燃气温度有直接关系。所设计的燃烧室在以天然气为燃料的所有工况下NOx排放都可降低到50 mg/m3以下,达到了低污染燃烧室排放标准(小于50 mg/m3)。     

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.      

一种喷口控制的多目标约束设计方法

为克服试凑法在控制回路参数优化中的局限性,针对涡扇发动机在加力状态易出现喷口摆动的不协调现象,考虑喷口双环控制结构工作特点,采用按需正向设计策略,按照控制系统时域、频域性能指标设计要求,制定兼顾频域、时域性能要求的内、外环协调控制的设计目标准则,提出一种喷口控制的多目标约束的差分进化内外环控制参数自整定优化设计方法,在双转子涡扇发动机非线性模型上进行闭环控制系统仿真验证。结果表明：在飞行高度从0增加到10 km、飞行马赫数从0加速到0.9的起飞和爬升状态进入加力过程以及平飞中保持飞行马赫数不变的关断加力过程中,发动机未出现喷口摆动等现象,涡轮落压比最大相对误差不大于1.5%,喷口闭环控制系统具有期望的伺服跟踪和抗飞行条件变化干扰能力。     

某型飞机/发动机一体化性能计算

研究了飞机/发动机一体化性能计算模型,并开发了一套相应的可视化计算软件.计算模型包括发动机非安装性能计算模型,进气道、尾喷管/后体特性转换模型,安装性能计算模型以及飞机性能计算模型.根据进气道、尾喷管安装特性法(INSTAL),利用进气道、尾喷管/后体特性转换程序求出实际的进气道、尾喷管安装特性,结合非安装性能计算程序,计算了发动机安装性能,并在此基础上计算了飞机性能.该软件已用于某型飞机的一体化性能计算,使用结果表明:①与经验公式法相比,采用INSTAL所得发动机安装性能估算结果与资料值接近程度普遍提高,最高可提高13%;②该软件计算结果合理,计算所需时间短,计算精度较高.      

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。