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.     

低排放燃烧室单头部和全环试验及排放预测研究

为了研究中心分级贫油低排放燃烧室的排放特性,在单头部和全环燃烧室试验件上测量了一种低排放头部方案的排放性能,研究了排放预测方法。试验结果表明：单头部和全环的UHC和NOx接近,而CO差异较大,原因是CO受边界影响较大;CO和UHC主要与最高燃烧温度相关;当仅预燃级供油时,NOx主要受最高燃烧温度控制,而当预燃级和主燃级同时供油时,NOx主要受燃烧区平均温度和分级比控制。采用经验方法研究了排放预测方法,结果表明：单头部和全环预测结果与试验结果均符合较好;采用单头部预测公式预测全环排放时,CO和NOx预测偏差较大,而UHC预测效果较好,CO偏差大是边界的影响导致,NOx偏差大是全环试验油气比和分级比范围超出单头部试验范围导致。     

旋流器气量分配对全环燃烧室排放的影响

为研究一、二级旋流器气量分配对燃烧室排放性能的影响，在总气量恒定条件下，针对配装气量比分别为0.85和1.1两种方案双级轴向旋流器的全环燃烧室开展了地面慢车、空中慢车和起飞状态下的排放试验。结果表明：气量比从0.85增加到1.1，空中慢车和起飞状态氮氧化物（NOx）排放分别降低33%～52%和14%～38%，地面慢车状态CO和未燃碳氢（UHC）排放分别降低23%～49%和32%～36%。地面慢车状态两方案旋流器对应的NOx排放差异不大，且排放值均较低。CO和UHC排放主要集中在地面慢车状态，随着状态增大，CO和UHC排放量逐渐降低，且空中慢车和起飞状态对应的CO和UHC排放量差异不大。在本文试验范围内，全环燃烧室CO排放指数随着NOx排放指数的增加呈现幂函数下降，随着UHC排放指数的增加呈现对数上升。     

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。     

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。     

RQL工作模式下驻涡燃烧室排放性能的试验研究

针对使用液态燃料（航空煤油）的RQL（Rich-burn Quick-quench Lean-burn）工作模式驻涡燃烧室排放性能开展了系统的试验研究,分析总结了驻涡区余气系数、进口空气流量和进口空气温度等参数影响RQL工作模式驻涡燃烧室排放性能的变化规律。结果表明：驻涡区余气系数增大（α=0.6～1.5）,CO、UHC体积分数升高,NOx体积分数降低;随着进口空气流量增大（Wa=0.4～0.6kg/s）,CO、UHC、NOx体积分数均升高;随着进口空气温度升高（283K～473K）,CO和UHC体积分数降低,NOx体积分数升高.     

FTIR发射光谱遥测飞机发动机排放指数

根据飞机发动机排放测量的要求,针对传统测试系统复杂、技术难度大、成本高和实时性差的缺点,引入傅里叶变换红外（FTIR）被动遥测技术,使用FTIR发射光谱对飞机发动机排放气体组分进行定量分析,计算出排放指数。介绍了遥感测量原理和大气辐射的一个3层计算模型。采用Tensor27在无人机测试台获得某型发动机的一系列单通道光谱,计算出在14%,26%,50%,69%最大推力下,对应CO的排放指数分别为40.00,30.70,6.67,2.56 g/kg,对应NO的排放指数分别为0.79,2.09,8.24,38.70 g/kg。结果表明,FTIR发射光谱技术在飞行中的飞机发动机排放测试中具有巨大的应用前景。     

飞机发动机排气污染控制

飞机发动机排出的气体中公认对大气造成污染的物质有悬浮微粒、一氧化碳(CO)、未燃尽碳氢化合物(UHC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO_2)等。 目前,飞机发动机所排放的各种污染物对整个大气污染的影响很小,一般估计在1％～2％。但当其他地面主要大气污染源,如燃煤电厂、汽车、……等,日益受到严格控制,而航空运输业还在不断发展的今天不对飞机发动机的排气污染加以控制,上述1％～2％的比例就会增长。     

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。     

中心分级燃烧室预燃级燃烧性能实验

研究了一种中心分级燃烧室.在某大推力航空发动机慢车工况下,采用单头部矩形燃烧室,进行了燃烧性能实验,考察了预燃级旋流杯套筒扩张角、台阶高度、预燃级气量分配对污染排放、燃烧效率和贫油熄火油气比的影响作用.实验结果表明:慢车工况下,预燃级旋流杯套筒扩张角从60°增大到100°后,NOx排放降低42%,CO和未燃碳氢燃料(UHC)排放均增加2.5倍左右,燃烧效率降低1.75%,贫油熄火油气比从0.0038增大到0.0067;台阶高度减小24%后,NOx排放降低37%,CO和UHC排放分别增加1.5倍和1.2倍,燃烧效率降低1.32%,贫油熄火油气比从0.0042增大到0.0061;预燃级气量分配减小20%后,NOx排放增加13.5%,CO和UHC排放分别降低55.6%和38.9%,燃烧效率增大1.46%,贫油熄火油气比从0.0061减小到0.0051.      

涵道比对大型客机经济性和环保性的影响

为了综合评估配装发动机的涵道比对客机的经济性和环保性的影响，建立了一套包括动力、几何、气动、质量、性能、经济性、噪声、排放分析模型的多学科分析流程.以典型宽体客机为应用算例，分析了不同涵道比（8~14）发动机对宽体客机经济性和环保指标的影响.综合分析结果表明:增大发动机涵道比有利于降低客机噪声和起降循环氮氧化合物污染物的排放；而发动机涵道比为11左右时，客机的现金使用成本最低，航线氮氧化合物污染物排放量最少.      

Multi-objective optimization of aircraft design for emission and cost reductions

Pollutant gases emitted from the civil jet are doing more and more harm to the environ- ment with the rapid development of the global commercial aviation transport. Low environmental impact has become a new requirement for aircraft design. In this paper, estimation method for emis- sion in aircraft conceptual design stage is improved based on the International Civil Aviation Orga- nization （ICAO） aircraft engine emissions databank and the polynomial curve fitting methods. The greenhouse gas emission （CO2 equivalent） per seat per kilometer is proposed to measure the emis- sions. An approximate sensitive analysis and a multi-objective optimization of aircraft design for tradeoff between greenhouse effect and direct operating cost （DOC） are performed with five geom- etry variables of wing configuration and two flight operational parameters. The results indicate that reducing the cruise altitude and Mach number may result in a decrease of the greenhouse effect but an increase of DOC. And the two flight operational parameters have more effects on the emissions than the wing configuration. The Pareto-optimal front shows that a decrease of 29.8% in DOC is attained at the expense of an increase of 10.8% in greenhouse gases.     

Experimental Study on Emission Performance of an LPP/TVC

A key issue in the commercial aircraft engine design is environmental acceptability, and designers are continually challenged to reduce emissions. In this paper, an experimental investigation is performed to evaluate the emission performance of a liquid-fueled trapped vortex combustor (TVC) under lean premixed prevaporized (LPP) mode. When operating as an LPP system, a TVC is fueled both in the cavities and in the main stream. The correlations between the emission performance and the total excess air ratio, the positions (4 positions) of the fuel injectors in the main stream, and the inlet temperature are obtained. Experi- mental results show that both the volume concentrations of unburnt hydrocarbon (UHC) and NOx (NO, NO2 usually grouped together as NOx) increase with the increase of total excess air ratio from 1.5 to 3.0; the emission performance relies heavily on the position of the main stream injector, and the best performance is achieved at Position 4 in the experiments; the increase of the inlet temperature impacts on the emission performance positively; the smallest volume concentrations of UHC and NOx obtained in the experiment are 94×10 6 and 2.3×10 6 respectively. This paper validates the feasibility of low emissions for an LPP/TVC and provides a reference for further optimization of TVCs.     

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。     

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。      

民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势

针对民用发动机污染排放的现状,介绍了低污染燃烧技术发展概况及趋势,国际民航组织(ICAO)颁布的《航空发动机的排放》标准,以及中国民用航空局(CAAC)对排气污染物的规定,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.对6种先进低污染燃烧室(分级、变几何、催化、贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)、富油燃烧/淬熄/贫油燃烧技术(RQL)以及双环预混旋流(TAPS)等燃烧室)的工作原理与特点、以及应用状况作了简要分析.其中分级燃烧技术构成了先进低污染燃烧室设计的技术基础,而LPP,RQL与TAPS燃烧室为三种很有发展前途的低污染燃烧室.此外,还介绍了贫油直接喷射、燃料电池以及主动燃烧控制等三种新型的低污染燃烧技术,虽然实现这些技术难度较大,但有广阔的应用前景.