航空发动机等离子流点火技术探讨

等离子流点火是当今世界上行之有效的一种先进的点火方式,是航空航天以及劣质难燃烧燃料领域极有前途的点火技术之一。对该技术的机理及其发展现状做了简单的描述,并从情报信息角度对其在航空发动机领域的应用进行了探讨。     

航空燃气涡轮发动机氢燃料研究历史和低污染燃烧技术发展

氢燃料的应用对航空燃气涡轮发动机技术的发展具有重要的意义.根据国外对氢燃料在航空燃气涡轮发动机领域的应用研究,对相关研究历程进行了回顾,并对氢燃料低污染燃烧技术进行了分析.结果表明氢燃料在航空燃气涡轮发动机领域研究的重点已从早期的以军用为主转为以民用为主;氢燃料低污染燃烧技术的关键在于控制主燃区的贫油燃烧;而微混非预混扩散燃烧技术具有很大的应用潜力.      

马赫数10超燃冲压发动机激波风洞实验研究

基于室温氢气驱动激波风洞实现总压28MPa、总焓4.7MJ/kg、名义马赫数10超声速空气自由来流模拟,开展二维超燃冲压发动机自由射流点火实验,实现稳定燃烧,燃烧持续时间5ms。通过此次试验,探索尝试了马赫数10超燃冲压发动机地面点火燃烧试验技术,初步获得了高马赫超燃冲压发动机点火/燃烧过程参数和基本现象规律。试验中,采用高速相机完整记录了氢气喷注、着火、燃烧现象和燃烧持续过程,采用高频压力传感器和热电偶进行沿程壁面压力和热流测量。研究结果表明,马赫数10自由来流条件下,气态氢燃料垂直喷入超声速来流能够实现自点火,并发生剧烈燃烧,燃烧区域压力上升幅度40%,壁面热流上升幅度达100%。     

液体碳氢燃料超燃冲压发动机支板凹槽稳焰技术试验

液态碳氢燃料点火、稳焰技术是超燃冲压发动机的关键技术之一,是发动机获得推力性能的先决条件。采用直连试验手段,对支板凹槽组合稳焰技术进行了研究,比较了不同燃料喷注方式和不同支板凹槽组合方式对点火、稳定燃烧的影响。结果表明支板喷射与支板凹槽组合稳焰的燃烧组织方式,可以实现在低飞行马赫数范围（Ma0=4～5）液体碳氢燃料的可靠点火与稳定燃烧,并获得较好的燃烧性能。     

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。     

等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的应用

等离子体点火与助燃技术是能源与动力领域的研究前沿。介绍了等离子体点火与助燃技术的研究背景和意义,分析了其基本原理,给出了常见的等离子体点火与助燃的类型,阐述了等离子体通过热强化、动力学强化与输运强化3种强化燃烧机制,利于点火助燃。针对国内外等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的研究现状,提出了预燃式等离子体射流点火和旋转滑动弧助燃2种新型等离子体点火助燃方案,对等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的实际应用进行了展望。     

模型冲压发动机低压条件下燃烧效率试验

在亚燃冲压发动机直连式高空试验系统上,实现了模型冲压发动机在40～60 kPa条件下的点火和稳定燃烧,研究了燃烧室构型、燃烧室入口来流条件以及燃料当量比对燃烧效率的影响。试验结果表明:低压条件下的燃烧效率比常压和高压条件下的燃烧效率都要低;但低压条件下燃烧效率随燃烧室构型、模拟来流条件和燃料当量比的变化规律与常压和高压下的情况基本一致,增加燃烧室长度、提高来流总压和总温、增大燃料当量比,降低飞行高度,以及增强煤油的雾化和混合,都有利于提高燃烧效率;与常压和高压下的情况不同的是减小凹腔长深比能进一步提高燃烧效率。     

高空来流条件下航空发动机双旋流燃烧室点火特性数值模拟

为深入了解真实航空发动机燃烧室极端条件下点火性能，在自有CFD平台上对不同高空来流条件下典型航空发动机双旋流燃烧室点火过程进行了数值模拟。为保证模拟精度，对模型包括全部气膜冷却小孔在内的所有精细结构均进行了完全仿真，并完整再现了燃烧室内从燃油雾化到点火燃烧全过程。结果表明3种高空来流条件下单次点火均失败。点火过程显示高温燃气越过旋流杯中心向上回流区扩张是点火的关键时空区域，在此时补充点火可推动火焰顺利传播到整个主燃区。对8km和6km两种状态分别增加点火次数到3次和5次后最终点火成功，结果表明前者着火极限油气比约为0.057，后者为0.038~0.042。     

基于双火花塞点火策略的活塞式航空煤油发动机爆震控制

在一台650 mL单缸活塞式航空发动机上,针对双火花塞点火方式对活塞式航空煤油发动机的爆震控制进行了试验研究。结果表明:采用两个火花塞同步点火,且将点火提前角推迟可以有效的抑制爆震,同时燃烧放热率幅值逐渐降低,整体燃烧相位逐渐推迟;采用双火花塞异步点火随着点火提前角点火相位差的增加,爆震强度逐渐降低,通过匹配主火花塞点火提前角与副火花塞点火提前角可进一步提升发动机的动力性。      

碳氢燃料超燃冲压发动机点火技术试验

在超燃冲压发动机直联式试验中,对液体碳氢燃料超声速燃烧的点火技术进行了研究,比较了多种点火方式包括氢气引导火焰点火、火炬点火器、固体装药点火器以及电火花塞的点火效果,并成功实现了氢气引导火焰与火炬点火方式下煤油的可靠着火和持续稳定燃烧,煤油当量比范围约为0 87～1 72。在氢气引导火焰点火方式中,通过增加支板和改变氢气喷注位置,可将最小氢气当量比由0 34降为0 068。通过氢气引导火焰点火和火炬点火对比试验表明在相同的燃料喷注方式和当量比下,发动机工况基本与点火方式无关。     

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.      

高金属含量水冲压发动机点火过程多相耦合计算

为准确模拟高金属含量水冲压发动机点火过程的流场特征及燃面温度变化,基于N-S方程,将高金属含量燃料和点火药向气相流场的质量、动量和能量输运转化为对应守恒量控制方程在近燃面第一层网格和点火药包覆盖区域网格的源项,将脱离燃面的熔融镁近似为燃烧室入口释放的镁液滴,实现了含镁质量百分数为73%的水冲压发动机燃料燃烧/点火药燃烧/发动机内流场的多相湍流燃烧的耦合计算,并对比分析了黑火药和硼/硝酸钾点火药对燃料燃烧影响。结果表明:40g黑火药点火和0.5kg/s的进水量下,燃料平衡燃面温度约为943K,可实现可靠点火与稳态燃烧。相同质量的硼/硝酸钾点火药与黑火药相比,可实现较高的平衡燃烧温度,但需较长的平衡建立时间。     

先进激光测量技术在航空发动机燃烧室研发中的应用

在航空发动机燃烧室的研发过程中,传统的测量手段往往有时无法实施或不能满足精确捕捉流场信息的要求,发展新型、高精度测量以及先进诊断技术势在必行。重点介绍了适用于航空发动机燃烧室测量的先进激光测试技术,并与传统测量方法进行了比较。发动机燃烧室内的流场测量包括速度测量、温度和组分质量分数测量。氢氧根离子标记测速(HTV)方法适用于有化学反应流场的速度测量;而拉曼散射测量技术可以同时测量多种组分的质量分数和温度。利用这些激光测量技术的特点,可以使其在燃烧室的点火、贫油熄火及排放等性能的研究中发挥重要作用。     

双碳目标下的氨燃料航空动力研究进展及展望

为了获得氨燃料航空动力应用潜力评价,本文综述了氨燃料的绿色制取方法、氨燃料燃烧特性的研究成果以及氨航空发动机设计过程中可能存在的技术问题和相应的解决方案。综合已有研究成果,本文认为氨燃料航空发动机具有非常广阔的应用前景,采用氨氢混合燃烧在未来有望成为氨燃料航空动力系统的优选方案。     

采用固体燃料的超燃冲压发动机研究进展

对采用固体燃料的超燃冲压发动机构型方案进行了归纳总结,详细的介绍了不同构型方案的发展历程和研究现状.针对固体燃料构型、双燃烧室构型和固体火箭构型3种不同构型的工作特点,分析了各自的优势和存在的问题,并在此基础上对其后续的研究提出了建议.研究认为:固体燃料构型方案虽能实现固体燃料在超声速气流中的点火及稳定燃烧,但燃料燃烧效率较低,且难以长时间稳定工作;固体火箭构型方案有利于燃料的点火和稳定燃烧,可实现发动机的长时间稳定工作,具有更好的研究和应用前景.      

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中火焰稳定性数值研究

对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA的燃烧过程进行了基于动网格技术的非稳态数值仿真研究。基于超声速流中的耦合传热及质量注入建立了固体燃料燃烧的数值模型,研究了燃烧室构型和进气总温对固体燃料燃烧特性的影响。结果表明:和实验数据对比证实了本文数值模型的正确性。固体燃料超燃冲压发动机能够实现自点火建压和维持燃烧。在燃烧过程中,装药壁面燃速分布不均匀,凹腔逐渐变得扁平。随着主流流速增加和通道的扩大,凹腔的火焰稳定能力降低,直至熄火。初始凹腔较深、进气总温较高时有利于稳定火焰。当进气总温提升400K时,工作时间和燃料消耗量提高1.8倍。     

等离子体强化燃烧的目前研究进展

介绍了等离子体强化燃烧的基本原理,总结了等离子体强化燃烧的3种途径,分别是热强化、动力学强化与输运强化;对国际上,特别是国内在等离子体强化燃烧的应用验证、作用机制和数值仿真研究方面的最新代表性成果进行了综述.提出了等离子体强化燃烧的4个研究方向,分别是等离子体强化燃烧机理、多场耦合建模与仿真、测试诊断研究,以及等离子体强化燃烧在航空发动机中应用的其他科学与技术问题,同时提出了开展这4方面研究工作的一些建议,主要是定量研究等离子体点火与助燃的3种效应,分别建立各效应与点火特性、助燃特性之间的关系;建立等离子体强化燃烧的详细动力学模型;应用先进的测试诊断设备,发展等离子体强化燃烧的新型测试技术;考虑等离子体点火与助燃应用到不同类型发动机燃烧室时的匹配问题,特别是等离子体电源的小型化与轻型化问题等.      

等离子体辅助燃烧机制及其在高速气流中的燃烧应用研究评述

以等离子体点火助燃为特征的燃烧组织技术,为先进发动机发展过程中面临的极端环境下燃烧控制问题提供了极佳的解决途径。加速超声速燃烧反应速率是等离子体扩展气流速度边界的一种典型应用。在对当前等离子体燃烧控制机理相关研究成果简要回顾的基础上,针对超声速燃烧气流参数环境特点,分析了可压缩、强对流的高速气流条件下等离子体点火助燃机制研究所面临的挑战;通过各类等离子体在超声速气流中技术应用发展与研究现状的梳理,阐述了等离子体在结构相容性和能量效率上的限制性因素,对未来的基础研究和技术发展方向提出了建议。     

基于直扩流道构型的RBCC发动机亚燃模态高效燃烧组织研究

针对支板喷注煤油和一次火箭引导燃烧的RBCC发动机,在亚燃模态下的高效燃烧组织和性能开展了实验研究和数值分析.实验验证了在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭产生的高温射流作为引导火焰,可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和高效稳定燃烧.通过数值模拟获得了燃烧室的详细流场特征和燃烧组织细节,分析表明支板后方集中的燃料热释放可形成扩张燃烧室流道中的“热力壅塞”;通过热力喉道的控制,实现了在直扩流道内的高效燃烧.研究表明:发动机在亚燃模态下燃烧组织应尽可能地使热力喉道处于燃烧室较后位置,使燃料在燃烧室高压区内充分燃烧释热,从而提高其燃烧效率.论文还研究了燃料支板喷注位置的影响,进一步开展RBCC发动机亚燃模态性能的优化.     

航空活塞发动机燃烧煤油冷起动油量控制研究

为了解决航空活塞发动机燃烧煤油时冷起动油量控制的问题,根据油膜理论,建立冷起动油膜补偿模型,并推导出适于在微控制器上实现的离散控制算法.利用Matlab/Simulink对基于油膜补偿器的冷 起动油量控制模型进行仿真,结果表明该模型能够保证起动瞬间有足够数量燃油进入气缸.进行原型机改烧煤油试验,在不改动发动机供油和点火系统的情况下,通过冷起动油量控制,煤油发动机冷起动性能得到改善.