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.     

航空发动机安全边界与“即用性”燃料认证方法

在航空替代燃料缺乏足够飞行数据,几乎不可能通过有限发动机和飞行实验来评价其安全特性状况下,研究开发了一种简便却可保证适航安全性的方法来研究航空替代燃料的安全性能.“即用性”航空替代燃料被认为是发动机更换最频繁的部件,从而采用相似类比、使用经验方法来验证“即用性”燃料的适航符合性.以航空煤油实际使用经验为基准,提炼燃料性能、燃料系统、燃烧性能、发动机性能、飞机性能5个层次上参数化描述的安全边界,与通过航空替代燃料在5个层次上得到的工作边界进行相似类比,从而预测发动机使用替代燃料的安全性.该方法提炼了替代燃料在发动机安全性上的判定准则,还降低了认证流程的燃料成本和时间成本.      

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。     

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。      

民用航空生物燃料应用研究

本文系统总结了目前业界对生物燃料所做的各方面研究，并通过将生物燃料与传统燃料各种参数的对比，向人们揭示了未来生物燃料替代石油制取航空汽油和航空煤油的可行性。     

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航空煤油综合替代燃料模型构建

基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,选取正十二烷、2,5-二甲基己烷、1,3,5-三甲基苯和十氢化萘作为基础燃料,为RP-3航空煤油构建了替代燃料模型。物理替代验证表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。利用所构建的替代燃料简化机理验证了其化学替代性能,结果表明:该模型不仅在高温区和低温区都能与着火延迟时间的实验值良好吻合,而且也能够良好反映燃料的在低压条件下(0.1～0.01 MPa)的着火延迟现象。模拟的物性参数和着火延迟时间与实验值的良好吻合证明了该替代燃料能同时实现物理替代和化学替代,为深刻认识超燃冲压发动机中燃料再生冷却与燃烧过程耦合机理,实现航空发动机再生冷却系统和推进动力系统等多部件联合仿真奠定基础。     

含氧生物燃料的雾化性能测试及分析

采用离心喷嘴对含氧生物燃料及其与传统航空煤油RP-3不同比例混合燃料的雾化性能进行测试,并分析了该燃料的组分和理化性质对雾化性能的影响.同时,对含氧生物燃料体积分数在50%以下的混合燃料,发展了具有较高精度的雾化颗粒索太尔平均直径(SMD)预估模型.试验结果表明:随着含氧生物燃料比例的减少,混合燃料的雾化性能得到改善,并且随着供油压差的增大,不同比例混合燃料间的雾化性能差距缩小;供油压差高于1.0MPa后混合燃料的SMD均可达到小于40μm的水平.经分析,目前该含氧生物燃料还不能直接应用于航空发动机,需要通过燃料氢化处理或者飞行器硬件改造,才可用于长远期的未来航空.      

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。     

一种新的RP-3航空煤油模拟替代燃料

为了遴选出符合RP-3航空煤油物理与化学特性的模拟替代燃料,综合分析了RP-3航空煤油的物理与化学特性。针对其物理与化学特性,确定了RP-3航空煤油模拟替代燃料的遴选指标（包括摩尔质量、氢碳比、十六烷值与低热值）。针对遴选指标,提出了由正癸烷、正十二烷、异十六烷、甲基环己烷及甲苯等五种组分组成的RP 3航空煤油模拟替代燃料,并对该模拟替代燃料中各组分的摩尔分数进行了优化。同时,对比分析了不同温度下该模拟替代燃料与RP 3航空煤油的密度与运动黏度。结果表明,当该模拟替代燃料中正癸烷、正十二烷、异十六烷、甲基环己烷及甲苯的摩尔分数分别为14%、10%、30%、36%与10%时,该模拟替代燃料的摩尔质量、氢碳比、十六烷值与低热值与RP 3航空煤油的相应数据非常吻合。同时,不同温度下该模拟替代燃料的密度与运动黏度变化趋势与RP-3航空煤油吻合较好。      

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.      

液化天然气(LNG)作为飞机燃料的可行性及经济性分析

航空活动产生的二氧化碳等温室气体每年都在增长,欧洲甚至要求对飞往欧洲的民用航班征收碳排放税,而且欧美的航空排放适航标准对航空的气体排放要求也越来越高。为适应全球化的竞争,从二氧化碳排放要求角度,综合国外对新型航空燃料的探讨,介绍并探讨液化天然气(Liquefied Natural Gas,简称LNG)作为航空燃料的经济可行性和可能存在的问题,为国内航空燃料的发展引入一个新的思路。     

高密度喷气燃料和常规燃料的油雾场对比试验研究

本文利用脉冲激光全息技术测量了直流喷嘴侧喷下游的高密度喷气燃料和常规喷气燃料的油雾场。获得了各种油滴直径,索太尔平均直径及燃油浓度的空间分布规律,讨论了气流速度、燃油出口压降对油雾场的影响,并对两种燃料的油雾场进行了比较。      

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航空煤油物理替代燃料模型及应用研究

针对现有物理替代燃料构建方法需要大量实验数据来完成多目标优化计算,导致替代燃料构建成本过高的问题,提出了基于分子结构相似来构建物理替代燃料的方法。基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,构建了一个能描述RP-3航空煤油主要物理性质的三元替代燃料模型。以正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯为基础燃料,用以匹配目标燃料的四种官能基团:CH_3,CH_2,CH和苯基。在不同压力、温度条件下测试了替代燃料模型计算密度、黏度、比热容和导热系数等物性参数的精确性,结果表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。最后将得到的替代燃料模型应用于管道对流换热数值模拟中,用以模拟航空煤油再生冷却过程。模拟值与实验值吻合良好,证明了本文替代燃料构建方法的有效性和实用性。     

RP-3航空煤油替代燃料简化机理及其验证

选定正癸烷作为RP-3航空煤油单组分替代燃料,建立了一种包含36组分62步基元反应的简化机理.并设计了本生灯预混预蒸发试验系统对RP-3航空煤油的火焰进行了试验研究.同时,采用两种已被验证的煤油简化机理（分别为23步和38步）及62步简化机理对本生灯预混预蒸发燃烧火焰进行数值模拟,并将计算结果和试验数据相对比.结果表明：在轴向,温度和CO₂体积分数呈先上升后下降的趋势,并且温度在距喷口轴向距离为0.020m时达到最大值;而O₂体积分数呈现下降后上升的趋势,并且距喷口轴向距离为0.025m时达到最小值.与38步简化机理和23步简化机理所获得的数据相比,在各工况下,62步简化机理计算所获得的火焰温度分布和O₂体积分数分布与试验数据能很好地吻合;同时,62步简化机理计算的CO₂体积分数分布与试验数据变化规律基本一致,而23步和38步机理的计算结果只能保持和试验数据变化趋势的一致性.因此,选定的正癸烷可作为RP-3航空煤油的单组分替代燃料,并且所获得的62步简化机理能在较大范围内反映RP-3航空煤油的燃烧性能.     

活塞式航空煤油直喷发动机的燃烧特性

在一台低压空气辅助直喷活塞式航空发动机上进行试验,分析了不同喷射开始时刻、点火提前角、过量空气系数对活塞式航空煤油直喷发动机燃烧特性的影响,并对比了航空煤油与汽油在混合气形成、滞燃期、火焰传播速度、抗爆性等方面的差异.研究表明:存在一个最佳喷射开始时刻使得燃油雾化质量最好,循环变动率最小,航空煤油冷起动比汽油困难.航空煤油火焰传播速度比汽油慢,同工况下航空煤油最佳点火提前角大于汽油,偏离最佳点火提前角对航空煤油热效率的影响大于汽油.航空煤油比汽油更加适合在燃油摩尔分数较大的混合气下燃烧,在过量空气系数为0.80~0.85的范围内,航空煤油的滞燃期最短,燃烧循环变动率最小.在低速大负荷工况下,航空煤油爆震强度显著上升,抗爆性比汽油差.      

高密度喷气燃料与常规喷气燃料浓度场试验研究

本文利用ＣＯ２红外气体分析仪和取样管对高密度喷燃料和常规喷气燃料在直流喷嘴下游的浓度场分布进行了测量，就气流速度，油压降和下游距离对浓度场分布的影响进行了对比研究。试验结果表明，在相同工况下，常规喷气燃料的最大浓度值比高密度喷气燃料的大；气流速度和油压变化对高密度喷气燃料最大浓度点穿透深度的影响大于对常规喷气燃料的影响。