燃气分析法测试燃气轮机主燃烧室燃烧效率、气态污染物误差分析

介绍了测量燃气涡轮发动机主燃烧室燃烧效率、气态污染物排放的燃气分析系统，从取样、摆动测量方式、过程温度控制、仪器测量4方面分析了燃烧效率、气态污染物的误差.结果表明:采用混合式取样器以摆动测量方式得到的燃烧效率误差在0.21%以内，余气系数的误差在1.11％以内，气态污染物误差在2.24%以内.此外还对燃烧室不同工况下的燃烧效率和污染物组分体积分数分布进行了统计分析，确认了除较高油气比状态的燃烧效率分布较为均匀，可适当减少取样点数量外，足够的取样点数量是保证燃气分析测试结果准确性的必要条件.      

取样密度对燃烧室试验测量结果的影响

在航空发动机和燃气轮机燃烧室部件试验中,取样密度会对燃烧室出口温度测量结果产生影响,如果取样密度过小,会造成燃烧室出口温度测量值与"实际值"之间偏离度过大。基于此,对3种燃烧室的试验数据进行了分析。同时将试验采集到的"高取样密度"的原始数据沿圆周方向进行均匀"拆分","拆分后"得到不同密度的"低取样密度"数据,将该数据与原始"高取样密度"试验数据的分析结果进行了对比,得出了取样密度与测量偏离度之间的关系,并给出了满足工程研制需要的取样密度。     

高焓超声速气体取样分析

对取样探针内的流场进行了一维分析,证明气流中的化学反应能够被成功冻结。建立了取样分析系统,并对其进行了密封性校核。利用该系统对燃烧室尾气进行了取样以及色谱成分分析,进而推算了燃烧效率,得到的结果与实验观察以及燃烧室壁面静压测量结果相吻合。     

暂冲式燃气取样系统设计与验证

针对超燃冲压发动机燃烧室综合性能的测试需求,从取样探针、系统管路及附件选型、测控方案等角度设计了一套六点暂冲式燃气取样系统,成功实现了燃气发生器出口2.0 s和发动机燃烧室出口1.4 s取样。分别测量了燃气发生器出口测量截面Ⅰ和发动机燃烧室出口测量截面Ⅱ的O_2、CO、CO_2含量,并采用理论温升法推算燃烧室出口温度约为2 121 K。基于暂冲式燃气取样分析,为评估超燃冲压发动机燃烧室性能提供了新的研究思路。     

气体取样分析在脉冲燃烧风洞试验中的应用

针对脉冲燃烧风洞试验条件及超燃冲压发动机燃烧室出口流场环境,设计了用于脉冲燃烧风洞流场氧气组分浓度校核及发动机燃烧室出口气流组分分析的探针取样-气相色谱分析测量系统,并在此基础上完成了对取样探针内部流场特性及燃气化学反应冻结情况分析.分析结果表明,进入探针的气流被有效冷却,能够实现化学反应冻结.利用风洞试验气流进行了系统校核,系统控制方面能够满足脉冲风洞试验测量要求,所得到的气流中氧气含量测量值与理论值吻合较好,偏差小于5%,甚至低至0.4%.利用该系统对马赫数2.6来流条件、直连式燃烧室模型燃烧工况下,出口不同位置处燃气中O2、N2和CO2等主要气体组分进行了直接测量,并进而估算了各测点处的表观燃烧效率,获得了其变化情况,所得到的结果在一定程度上反映了燃烧室中燃料的分布情况.     

油气比对燃气分析法燃烧效率、气态污染物测试精度的影响

在燃气分析单点测试偏差的基础上,针对燃气轮机、主燃烧室及加力燃烧室目前采用的取样方式的现状,建立了燃气分析法和流量法的油气比偏差对燃烧效率和气态污染物测试精度的影响规律。结果表明:对于采用移位机构进行测量的主燃烧室,流量法和燃气分析法油气比相差在5.1%以内时,说明有足够的测点密度,数据有效,此时的燃烧效率精度优于0.5%;对于加力燃烧室和整机测试,由于取样点不足,油气比偏差较大,燃烧效率的精度还取决于油气比和CO的体积分数。保证足够的取样点密度是燃气分析测试结果具有较高精度的前提。      

双旋流器燃烧室NOx生成研究

通过试验和数值模拟方法研究不同进口油气比与温度以及主燃孔布局变化对双旋流模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度丁以及污染物NO_x排放的影响.采用二维粒子图像测速仪(PIV)测量燃烧室内热态流场,用多点温度耙和取样管测量燃烧室出口温度T与NOx在非结构网格体系下,采用Fluent商业软件对燃烧室三维两相燃烧流场和NO_x分布进行计算.计算结果与试验数据符合较好,表明不同油气比、进气温度和主燃孔布局变化对模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度T与NO_x排放都有一定的影响,并随着油气比与进气温度增加,燃烧室出口温度T与NO_x排放也相应地提高.      

先期产品质量策划（APQP）方法在民机航电系统开发中的应用探索

基于通用民机产品研制流程和ARP 4754A标准建立航电系统开发APQP过程模型；参考ARP4754A标准对安全性分析的要求通过综合分析，将先期产品质量策划（APQP）及相关质量工具应用于民机航电系统开发项目。明确质量工具与各开发阶段的对应关系，为航电系统开发建立质量控制方法提供可借鉴意义。     

飞机发动机排气污染物的测量

参考国际民航组织（ICAO）颁布的“飞机发动机排放”条例的规定,设计并建立了民用航空发动机排气污染物测量系统,采用自行推算的样气成分“干基”向“湿基”转换的修正公式,编写排放物EI的计算程序。在民航维修基地（AMECO公司）的试车台对二台JT3D-7型发动机进行排气污染物的实测,测出的各类污染物的排放指数EI_CO,EI_HC,EI_NOx及冒烟数SN,并与JT3D-7型发动机公布的数据进行对比,测量系统的精度按标准规定用燃气分析测出的气油比与发动机实测的气油比进行比较小于10％～15％的均属于合格,本研究的系统的测量值与发动机所测的总气油量之比的误差在3％左右,证明此测量系统和测量技术切实可行。      

燃烧室头部部件几何特性对温度场的影响

对常温常压下燃烧室头部各部件（一级涡流器、二级涡流器、套筒、喷嘴型式等）的几何特性对燃烧室内各主要截面温度场的影响进行了试验研究，并将其中两种典型头部组合进行了轴向温度场变化试验，得出由A型一级涡流器、A型二级涡流器与A型头部套筒组合时，有较理想的燃烧室内及出口的温度分布。     

双级旋流杯结构变化对点火特性的影响研究

为了研究旋流杯文氏管和套筒结构的变化对燃烧室点火特性的影响,对两种结构不同的方案(方案A和B)进行了燃烧室点火性能试验,并对这两种方案燃烧室头部进行了气流速度场的粒子图像测速仪(PIV)测量及喷雾分布和粒径的测量。试验结果表明:旋流杯文氏管和套筒结构的变化对燃烧室的头部流场、喷雾分布和粒径有很大影响,导致了两种方案燃烧室点火性能差异很大,方案A的燃烧室头部中心回流区、旋转射流扩张角和旋流杯出口喷雾锥角比方案B小,而喷雾粒径大于方案B,方案B的点火性能比方案A有明显改善。     

航空发动机排气污染测试系统

本文叙述了自行设计建立的航空发动机排气污染物取样测试系统的组成、工作原理，并介绍了排气污染物的地面试验测量方法。通过对某型发动机排气污染物进行地面试验实测，结果表明：该测试系统工作性能稳定、可靠，操作方便，是 动机排气污染地面试验实时测量分析的必备装置。     

超燃冲压发动机燃烧室出口温度场分布CARS测量

针对超燃冲压发动机研究中对燃烧室出口温度场的测量需求以及暂冲式超燃冲压发动机燃烧台架试验中的应用难点,开发了适用于瞬态燃烧场温度测量的单脉冲相干反斯托克斯拉曼反射（CARS）系统及CARS光谱计算和温度反演软件CARSCF。采用USED相位匹配方式来降低湍流影响,结合多尺度小波分析方法来实现CARS光谱降噪处理,提高信噪比。在暂冲式脉冲燃烧风洞上开展了来流马赫数2.6条件下超燃冲压发动机燃烧室出口温度测量试验,获取了超声速来流（冷态）建立、H₂点火加热空气、建立超声速燃烧流场直至试验结束过程中的燃烧室出口温度,以及煤油/空气燃烧时燃烧室出口温度场分布。结果显示,超声速冷流时温度处于低温（约205K）状态,随着H₂点火加热来流空气,来流温度上升至853K;随着煤油/Air点火,温度急剧上升,稳定燃烧状态下燃烧流场温度为1970K±144K。燃烧室出口截面温度场分布测量结果显示,高温区位于燃烧室出口截面上侧区域,而燃烧室出口截面上中间区域的温度低于上下两侧。燃烧室出口温度分布CARS测量结果与火焰自发光成像结果一致,表明单脉冲CARS技术用于瞬态燃烧流场温度测量的可行性。     

地面燃气轮机单管燃烧室流量分配试验

对设计的100kW地面燃气轮机单管燃烧室空气流量分配进行了试验研究。在常压环境下采用堵孔法分别得到了旋流器、主燃孔和掺混孔的流量特性曲线,分析得到燃烧室不同结构的流量系数;试验研究了不同进口流量条件下燃烧室的流量分配,测量得到了燃烧室总压损失。研究发现:随着进口空气流量的增加,燃烧室的流量分配比例基本保持稳定,并且与燃烧室的设计空气比例基本吻合;随着燃烧室进口流量（雷诺数）的增加,旋流器、主燃孔和掺混孔的流量系数呈线性降低;随着进口流量（雷诺数）的增加,燃烧室总压损失逐渐增大;对主燃孔和掺混孔的流量特性测量中,两种测量方法得到的试验结果稍有差别,总体上看两种测量方法的试验结果较为接近。通过对比分析证明两种试验测量方法真实可靠,该研究结果可为100kW地面燃气轮机燃烧室的设计与优化提供依据。      

LPP低污染燃烧室单头部燃烧性能试验

对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室单头部三级旋流器进行燃烧性能试验,研究不同的油气比、进口空气流量和进口空气温度以及值班级喷嘴安装位置对燃烧室出口截面燃烧性能的影响,获得了燃烧室出口截面温度分布、燃烧效率以及污染物排放的规律.试验结果表明:①油气比增加,NOx排放相应增加;头部A燃烧性能稍优于头部B;②同一油气比下进口空气温度越高,其燃烧污染物排放越多;进口空气流量越大,污染物排放越少;③值班级喷嘴安装位置对LPP低污染燃烧室燃烧性能有一定影响.      

基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量

为验证可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,在航空发动机燃烧室燃烧流场测量领域的适用性,以自主设计的高温升模型燃烧室为研究对象,结合多光路正交布网的测量方法,对燃烧室出口的燃气温度进行测量,并利用层析算法实现测量截面的二维分布重建,同时采用固定的温度探针进行测量与对比验证。结果表明,采用TDLAS结合层析重建的方法,基本能获得具有时间分辨的燃烧室出口温度分布的主要特征,可以区分高温区和低温区,但单线测量和场分布重建精度还有待于进一步提高。进一步优化该系统,可用于航空发动机燃烧室出口温度和组分浓度分布测量。     

航空燃气涡轮发动机燃气分析测试及计算方法

针对航空燃气涡轮发动机整机及燃烧室部件试验的燃气分析测试,介绍了测试的原理和系统组成,完善了液体碳氢燃料的计算方法,发展了气体燃料的计算方法;分析了燃气组分测量值误差对燃烧参数计算结果的影响,讨论了取样方式及混合式取样器结构的影响,给出了混合式取样器结构是否合理的判定条件;对比了高压全环燃烧室试验的燃气分析和常规测试的结果,结果表明:使用设计合理的混合式取样器、保证足够的测点密度和使用合理配置的燃气分析测试系统,余气系数的测量精度优于5%,并对热电偶法和燃气分析法燃烧效率偏差进行了分析.      

主燃孔对旋流杯下游流场的影响

采用PDA（Phase Doppler Analyzer）测量系统对带双轴向旋流杯、主燃孔和冷却气流的模型燃烧室的主燃区流场（以下简称真实结构）进行了实验研究,测量了燃烧室内流场的特性,并与不带主燃孔和冷却气流的头部旋流杯（以下简称纯头部结构）的气流场进行了对比.发现真实结构燃烧室内的回流区不再是轴对称,主燃孔和二次气流的存在使回流区明显被压扁（最扁处的长轴约为短轴的1.6倍）;真实结构的回流区长度明显缩短,其长度L与旋流杯出口直径D的比值（L/D）约为1.3,而纯头部结构的L/D约为2.5.     

民用航空发动机低排放燃烧室技术发展现状及水平

为了从科学和技术的角度展望民用航空发动机低排放燃烧室技术的发展方向,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,回顾了富油-焠熄-贫油燃烧（RQL）、贫油预混预蒸发燃烧（LPP）和贫油直接喷射燃烧（LDI）3种低污染燃烧技术的发展现状,并分析了新一代民用航空低排放燃烧室技术目前所达到的低污染排放水平。采用贫油燃烧技术的双环预混旋流器燃烧室（TAPS）已经应用于型号并取证,其NO_x排放比CAEP/6（Committee on Aviation Environmental Protection/6）标准低50.0%~65.8%,达到了超低排放水平,证明了贫油燃烧的发展潜力。要实现NO_x排放比CAEP/6低75.0%以上的超超低排放目标,需要利用燃烧数值模拟和光学诊断等先进工具,对燃烧室内喷雾、混合、流动、燃烧及它们之间的非定常相互作用开展更深入的研究。     

超燃冲压发动机燃气取样探针设计与试验验证

燃气取样探针作为超燃冲压发动机燃气分析系统的关键部件,决定了超声速环境中燃气取样的代表性。根据超燃冲压发动机试验条件,基于燃气取样探针理论分析,利用结构设计和流场分析相结合的方式,完成了一支6点取样探针的设计,并在燃气发生器出口超声速环境下开展了校核试验。流场分析表明探针内部结构能够实现化学反应冻结。空气校核试验测量的氧气含量与理论值吻合,偏差小于1%;燃料校核试验测量了燃气发生器出口超声速气流中的氧气、一氧化碳和二氧化碳,其结果在一定程度上反映了燃烧室流场的空间分布。预估燃气发生器的燃烧效率约为83%。