RP-3和RP-5燃油对全环回流燃烧室点火性能影响研究

为了了解RP-3与RP-5燃油对某小型全环回流燃烧室高空点火性能的影响,在低温低压点火试验器上,保持燃油温度与进口空气温度相同,在-40℃、-30℃、-20℃和0℃,空气压力为44kPa、54kPa、62kPa和101kPa条件下,分别对使用RP-3、RP-5燃油的全环回流燃烧室试验件开展点火试验。结果表明：RP-3燃油在试验的低温、低压条件下可以点火成功,RP-5燃油在温度为-40℃的条件下不能点火成功;燃烧室进口空气参数相同、两种燃油均能成功点火时,RP-5燃油的燃烧室点火边界比RP-3燃油窄20%左右,且其平均着火时间比RP-3长6.8s,但从着火成功到全环周向联焰成功的间隔时间比RP-3短2s;随着燃烧室进口温度降低,两种燃油在相同状态下的点火边界差别逐渐扩大,燃烧室进口空气压力对点火边界的影响比空气和燃油温度的影响大。     

某型涡轴发动机高低温起动性能试验与分析

开展了采用RP-3燃油和RP-5燃油的涡轴发动机高低温起动性能对比试验。分析了不同环境温度下转子的阻力矩和电动机扭矩的变化规律,指出了当前计算方法的局限性;对比了环境温度、燃油种类、燃油流量对发动机起动性能的影响,摸索出了该型发动机低温起动极限温度。试验结果表明:随着温度降低,滑油黏度增大,转子阻力矩增大,发动机带转转速和转子自转时间显著降低;在极限低温条件下,两种燃油对涡轴发动机起动性能影响非常大,而在高温条件下,采用上述两种燃油,发动机起动性能基本一致;该型发动机采用RP-3燃油能在-40 ℃环境下成功起动,而采用RP-5燃油,经过调油等措施最终只能在-20 ℃环境下成功起动;在一定范围内,增加燃油流量,能改善发动机采用RP-5燃油的起动能力。研究结论为同类发动机高低温试验提供了参考。      

RP-5和RP-3燃油对离心喷嘴雾化特性影响分析

为探究RP-5和RP-3燃油对双油路离心喷嘴雾化性能的影响，开展不同供油压力下两种燃油对双油路离心喷嘴的质量流量特性、雾化锥角、索太尔平均直径（SMD）及油滴速度等性能影响的研究，结果表明：在各供油压力下，RP-5燃油的喷嘴质量流量大于RP-3燃油，主油路质量流量相差约为5%，副油路质量流量相差约为2%;RP-5和RP-3燃油的喷嘴雾化锥角大小基本一致；当副油路供油质量流量小于8 kg/h时，RP-5燃油的SMD大于RP-3燃油，当副油路供油质量流量大于8 kg/h时，RP-5和RP-3燃油的SMD基本一致；主、副油路同时供油时，随着质量流量不断增加，RP-5燃油的SMD大于RP-3燃油且差值不断增大；随着供油压力升高，RP-5燃油的油滴速度要显著高于RP-3燃油，且都呈现出“M”形分布。     

二氧化碳在RP-3航空燃油中溶解度实验测定

以国产实际使用并含有添加剂的RP-3号燃油为研究对象，测量了燃油在不同温度下的密度，搭建了压力降落法实验装置，测定了5~40℃温度及3组不同压力范围下，CO2在RP-3号燃油中的溶解度，采用ASTM D2780-92标准中提供的相对密度法对溶解度进行了计算并与实验值进行了比较.结果显示:计算值与实验值有很大偏差，且随着温度上升及压力下降，该偏差增加，最大相对偏差可达到106%.根据实验值，对ASTM D2780-92中的阿斯特瓦尔德系数计算公式进行了线性修正，修正后计算的溶解度和实验值误差在10%之内.该研究结果可为绿色惰化的设计提供参考依据.      

舰载涡扇发动机高低温起动试验与分析

为验证某舰载涡扇发动机在高低温环境条件下起动特性,基于高低温起动验证试车台,通过模拟高低温进气和保温条件,开展了采用RP-3燃油和RP-5燃油的涡扇发动机高低温起动性能对比试验。分析了不同环境温度下发动机起动点火性能的变化规律;对比了不同环境温度、燃油种类、转速上升率对发动机起动性能的影响。试验结果表明,大气温度由60℃下降到-20℃,主燃烧室供油到点着火时间延长约1～2 s;在-20～60℃内,采用RP-3和RP-5两种燃油,发动机起动性能基本一致;给定转速上升率降低0.1%/s,低温起动时间延长0.01～0.06 (相对值),在高压换算转速n_Hcor=0.3～0.5 (相对值)转速范围内,反馈转速上升率与给定上升率最大差异为28.2%;整个起动转速范围内,主燃油供油流量最高下降10.8%,燃油总管压力p_f与高压压气机出口压力p₃₁之差最高下降10.1%。     

基于Flowmaster的航空发动机燃油系统温度仿真及分析

采用大庆RP-3型燃油,利用Flowmaster软件对某型航空发动机燃油系统进行建模,计算定、变转速工况下燃油温升情况,开展了发动机变转速下的温度仿真,将仿真温度与实验温度值进行对比验证模型准确性。结果表明:模型精度主要受元件的性能曲线影响;某些工况下主燃烧室前的燃油温度可达145 ℃以上,影响发动机安全,必须加以控制;仿真发现向飞机回油可以降低燃油温度,但对于阶跃回油质量流量信号,温度响应具有延迟性;设计回油质量流量为0 kg/s,不同工况的离心泵效率相同,各工况的燃油温度与主燃烧室燃油质量流量的关系,质量流量增大,温度降低,质量流量稳定时,温度也会达到稳定值。该仿真主要是建立了燃油温度的求解模型,提出了燃油泵加热的计算方法,对于航空发动机系统一维仿真研究有一定的指导作用。     

燃油射流横流穿透深度试验和数值模拟

采用激光粒子成像测速仪(PIV),试验研究了不同动量比下燃油射流在横向空气流中的穿透深度特性。同时,采用数值计算方法,对射流穿透特性进行了模拟,并将试验和计算结果,分别与已有的经验关系式,及考虑气动韦伯数影响修改后的关系式进行对比。结果表明:燃油射流上边界深度与幂指数关系式较吻合;采用VOF两相流模型能较准确地模拟出燃油射流的喷雾核心深度;修改后的关系式与不同燃油-空气动量比范围下的喷雾核心深度较吻合;燃油-空气动量比和气动韦伯数,是影响燃油射流横流穿透深度的主要参数。     

某型弹用涡喷发动机高密度燃油应用的数值分析

文章基于数值模拟方法,对JP-10高密度燃油在某型弹用涡喷发动机燃烧室中的燃烧过程进行了研究,并与原燃油RP-3燃烧的数值模拟结果进行了对比。结果表明,在与RP-3燃烧相同的空气进口质量流量情况下,JP-10在该涡喷发动机内能正常燃烧,且供油时间比之RP-3要增加20%左右。使用JP-10,火焰筒内部高温区范围有所减少,降低了燃烧室结构的热负荷。保证燃油流量相同条件下使用JP-10,火焰筒出口处温度分布系数比采用RP-3的要小。     

超临界压力下航空煤油RP-3焓值的测量及换热研究

基于能量守恒原理提出了一种超临界压力下中国3号喷气燃料RP-3焓值的测量方法,同时对不同超临界压力下RP-3在323～843 K内的焓值进行了测量.结果表明当燃油温度低于其临界温度时,不同超临界压力下燃油的焓值几乎是一样的,当温度高于临界温度后,不同压力下RP-3焓值之间的差异随着压力的升高而缩小.另外,根据焓值曲线计算出的燃油温度及吸热量与先前已做的其他流动与换热实验中的测量数据进行了对比,结果表明该焓值是准确可靠的,满足未来航空发动机内空油换热器的设计要求.最后,研究了热流密度对超临界煤油换热的影响,结果显示当燃油对比温度小于1.179（760 K）时,Nu数随着热流密度的增加而增加.      

RP-3航空煤油与藻基燃油在层流扩散火焰中碳烟生成对比研究

为了促进藻基生物质航空替代燃料在实际发动机中的应用,得到更多它与传统航空煤油在基础燃烧性能方面差异的实验数据,对比研究了藻基燃油与RP-3航空煤油,两种燃油在相同的工况下形成层流扩散火焰,采用直接采样法采集碳烟颗粒和中间气体成分进行分析。研究结果表明,在本研究工况下,RP-3航空煤油与藻基燃油的火焰高度分别为33.5mm和34.5mm;RP-3航空煤油的表观亮度高;藻基燃油在各个火焰测点的温度都高于RP-3航空煤油,两者的最高温度分别为1453.6K和1405.3K,其数值都与对应的绝热火焰温度相差较多,其原因主要为大量碳烟的辐射和氮气载气吸热;同一火焰位置测点,藻基燃油形成的层流扩散火焰中碳烟颗粒的粒径、碳烟数密度都比RP-3航空煤油少。中间气体的GC/MS分析结果表明,RP-3航空煤油火焰中易形成环芳香烃的短链烃类,如C_4H_2,C_3H_4小分子烃类含量比藻基燃料多,进而更加容易生成碳烟。     

基于替代燃料的航空燃油泵内部空化特性

为了研究以国产大庆RP-3航空煤油为流动介质的航空燃油泵内部空化特性,采用数值模拟的方法研究了高温低压环境下航空燃油泵内部的空化流动.针对航空煤油这种成分复杂的介质,引入替代燃料的概念,选择摩尔分数为74.5%的正十二烷、10%的甲基环已烷、10%的甲苯和5.5%的辛烷构成的四组分替代燃料模拟大庆RP-3航空煤油.计算中采用基于旋转修正的k-ε湍流模型以及Zwart-Gerber-Belamri空化模型,基于实验结果对数值方法进行了验证分析.研究结果表明:基于替代燃料和旋转修正的k-ε湍流模型的数值计算方法能够较准确地预测航空燃油泵的空化特性;忽略大庆RP-3航空煤油空化热力学效应,温度对航空燃油泵空化性能有一定影响,在80℃工况下,航空燃油泵空化性能较差;转速对航空燃油泵空化性能影响较大,航空燃油泵在转速为10000r/min工况下空化比转速最大,空化性能最好.      

RP-3航空煤油模拟替代燃料的着火延迟特性

为了获得一种新的国产RP-3航空煤油模拟替代燃料的着火延迟特性,在化学激波管中完成了初始压力分别为0.1MPa与0.3MPa,当量比分别为0.5,1.0与1.5,着火温度为1000~1700K条件下该模拟替代燃料着火延迟时间的试验测试,分析了初始压力与当量比对该模拟替代燃料着火延迟时间的影响规律,并与相应工况条件下RP-3航空煤油的着火延迟特性进行了对比分析。结果表明,不同工况条件下,该模拟替代燃料的着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系;其着火延迟时间随当量比的降低或着火温度、初始压力的升高逐渐缩短;相同工况条件下,该模拟替代燃料的着火延迟时间与RP-3航空煤油的着火延迟时间吻合较好。     

超临界航空煤油喷射的射流结构及相变过程

研究了超临界RP-3航空煤油喷射到静止常温常压大气环境中的近场射流结构及喷口附近的射流相变过程.研究结果表明,超临界煤油喷射到静止大气环境中后会经历类似于理想气体不完全膨胀的过程,会在喷嘴下游产生马赫盘等激波结构,马赫盘的位置随喷射压力的提高而增大,而喷射温度对马赫盘位置几乎没有影响.当喷射温度较高时,超临界煤油在喷嘴出口处直接进入气相区,没有凝结现象发生.而煤油的喷射温度接近临界温度时,超临界煤油会在喷嘴内部及出口处发生局部凝结,进入气液两相区.      

三种燃料在亚燃冲压燃烧室中的高空点火特性

为评估三种液体燃料(航空煤油(RP-3)、高热氧化安定性燃油(RP-3+100)以及煤基合成油(LUAN))的点火特性,在一种小型亚燃冲压燃烧室中开展了高空点火试验。研究表明:三种燃料在所选的试验条件下,均可以实现可靠点火。随着入口气流温度、压力的增加,三种燃料的点火当量比范围增加;随着入口气流速度的增加,三种燃料的点火当量比范围减小。RP-3+100在不同条件下均具有最高的点火当量比范围,RP-3与LUAN的点火当量比范围较为接近。当入口气流温度、压力和速度发生改变时,RP-3+100点火当量比范围随外界参数改变的变化程度最低,RP-3点火当量比范围随外界参数改变的变化程度最高。     

RP-3航空煤油模拟替代燃料燃烧特性的实验

在定容弹中实验测试了初始压力分别为0.1、0.3 MPa、初始温度分别为390、400、420 K、当量比范围为0.8～1.5时RP-3航空煤油模拟替代燃料的层流燃烧特性,并对比分析了模拟替代燃料与RP-3航空煤油的层流燃烧速率。结果表明,模拟替代燃料层流燃烧火焰的马克斯坦长度随初始压力或当量比的降低逐渐增大,表明火焰稳定性逐步增强；初始温度对火焰稳定性的影响不明显；随初始温度的升高或初始压力的降低,模拟替代燃料的层流燃烧速率逐渐升高；随着当量比的逐渐增大,模拟替代燃料的层流燃烧速率先增大后降低,在当量比为1.2时达到最大；在相同工况下,模拟替代燃料与RP-3航空煤油的层流燃烧速率吻合较好。      

烃类燃料的能量特性

本文对烃类燃料的能量特性进行了分析比较.三种烃(CH_4、C_3H_8、RP-1)分别同液态氧组合,其中含氢较高的CH_4具有最高的比冲和较低的燃烧室温度,其燃烧产物中固炭量低于C_3H_8与RP-1.三种烃分别同液态氧组合的比冲均高于O_2/C_2H_5OH与N_2O_4/(CH_3)_2NNH_2.本文还指出了烃同液氧组合比冲随α与p_c变化的关系.最后,对烃类燃料性能改进问题进行了论述.结果表明,将一定量的液氢加入烃中混合燃烧可提高比冲,减少低α条件下燃烧产物中固态炭量.另一方面,通过加液氢还可使燃气发生器工质的R_cT_c值提高.     

RP-3航空煤油与其模型燃料雾化特性的对比试验

为了获得RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化特性,在燃油喷嘴雾化激光测试平台上对相对喷射压力分别为200、400、600、800 kPa时,RP-3航空煤油及由14%正癸烷/10%正十二烷/30%异十六烷/36%甲基环己烷/10%甲苯（摩尔分数）组成的模型燃料的雾化特性（雾化锥角、雾化粒度、油滴速度）进行了试验测试,并完成了两者的对比分析。结果表明:随着相对喷射压力的升高,RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化锥角与油滴速度逐渐增大,索太尔平均直径（SMD）逐渐减小;随着离喷嘴出口轴向距离的增加,RP-3航空煤油与其模型燃料的SMD值与油滴速度逐渐减小;在各相对喷射压力下,模型燃料的雾化锥角与油滴速度要略高于RP-3航空煤油,SMD值则要略低;但是,两者之间差异较小,说明该模型燃料的雾化特性与RP-3航空煤油有较高的相似性。      

超临界RP-3航空煤油喷嘴内部流动与相变特性研究

未来航空燃气轮机采用燃油作为冷却剂,对发动机冷却空气及热端部件进行冷却,使得燃油在进入燃烧室之前超过其热力学临界点,燃油的热力学性质发生巨大变化,将对燃油在喷嘴内的流动和喷嘴下游的喷射掺混过程产生重要的影响,因此有必要对超临界RP-3在喷嘴内的流动与相变特性展开研究。本文采用自主设计的喷嘴内部收缩通道模拟试验件,对超临界RP-3在喷嘴内的沿程压力分布进行测量,并采用基于一维等熵假设的计算方法进行数值模拟。试验首次获得了超临界航空煤油RP-3在喷嘴收缩通道内的沿程静压分布随喷射压力、温度变化的规律。通过与模型对比,发现未发生相变时,计算结果与试验值拟合精度较高,可以较好地预测RP-3在喷嘴内的流动参数,喷嘴内的静压分布也趋于一致;发生冷凝相变时,计算结果与试验值产生误差较大,喷射参数对于静压分布存在着较大的影响。本文试验获得的超临界RP-3航空煤油在喷嘴内的流动与相变特性,为航空发动机超临界RP-3喷射的喷嘴设计提供了重要的设计依据。