提高二冲程煤油发动机抗爆性措施研究

为解决某二冲程航空活塞发动机采用航空煤油后爆震极限功率严重下降的问题,进行了一维发动机性能仿真分析,提出了提高发动机爆震极限功率的技术措施。在发动机额定工况下,油耗率和排气温度不发生恶化的前提下,添加抗爆添加剂、降低压缩比和推迟点火提前角以抑制采用煤油后的发动机爆震倾向,扩大缸径和降低空燃比以助于恢复发动机的爆震极限功率。结果表明:经过优化,发动机输出功率可达到原型机的96%,油耗率增加了19%,排气温度升高了57K。研究结果可为二冲程煤油发动机的性能优化和提高工作的可靠性提供依据。      

带增压压气机的小型脉冲爆震涡轴发动机性能分析

为了解决小型涡轴发动机采用脉冲爆震燃烧室代替主燃烧室时,由于脉冲爆震燃烧室的增压作用,无法从压气机出口引气对燃气涡轮冷却、封严的问题,提出了一种带增压压气机的脉冲爆震涡轴发动机(PDTSE)构型,并建立了相应的性能分析方法。对常规涡轴发动机与带增压压气机的PDTSE性能进行对比研究,计算结果表明：与常规涡轴发动机相比,带增压压气机PDTSE性能具有较大优势;在整个设计域内,综合考虑性能指标和设计难度,在循环最优处,带增压压气机的PDTSE相比普通涡轴的热循环效率高14.5%,耗油率低9.7%,单位功率高27%。     

航空重油活塞发动机技术难点与发展启示

在分析国内外航空重油活塞发动机发展现状的基础上,对现有成熟机型进行对比分析,获得了不同功率级别航空重油活塞发动机的核心技术指标,提出我国发展航空活塞发动机重油化和国产化的重要意义。按照功率级别分析了航空重油活塞发动机发展的技术途径,总结了高功质比航空重油活塞发动机面临的技术难点,提出了点燃式航空重油活塞发动机的关键技术,即重油燃料的快速雾化技术、快速冷起动技术、爆震抑制技术以及高空增压功率恢复技术,突破以上关键技术将对航空重油活塞发动机技术的发展具有重要意义。     

关键参数对二冲程煤油发动机爆震的影响

针对二冲程汽油发动机改用航空煤油后的爆震抑制和性能恢复进行了研究,利用GT-Power软件建立发动机的一维仿真模型并对煤油发动机的爆震进行了预测和优化。仿真结果表明:推迟点火时刻、远低于和远大于理论空燃比的混合气对爆震都有一定的抑制作用,试验结果验证了仿真结果的正确性。提出并采用协同推迟点火和增加喷油的控制策略进行试验研究。试验结果表明:在低转速大负荷工况下,爆震可被有效抑制,节气门全开时功率恢复在90%以上。发动机转速为5 500 r/min时,功率恢复能达到原机的95.7%。      

星型航空活塞发动机增压匹配及控制参数研究

针对某星型航空活塞发动机在高海拔地区的功率衰减问题，开展增压匹配及控制策略研究。利用GT-Power建立星型发动机的性能匹配仿真模型，并通过试验对仿真模型进行了校核；在此基础上匹配了涡轮增压器，建立增压发动机模型。进行了0～8km不同飞行高度条件下的增压匹配与发动机功率随海拔高度的匹配计算；根据计算结果设计了废气旁通阀开度控制策略并得到了喷油点火控制参数的影响规律。研究结果表明：为星型活塞发动机所匹配的废气涡轮增压系统，可使发动机在8km海拔高度时功率恢复到地面功率的83%，较原机8km海拔高度功率提升了90%，可很好满足飞机对发动机高空功率恢复需求。     

爆震频率对脉冲爆震发动机引射性能影响的实验

采用汽油为燃料,空气为氧化剂,对多循环脉冲爆震发动机(PDE)加圆直形引射器的增推性能进行了实验研究.实验采用力传感器法对爆震发动机加引射器前后不同爆震频率以及不同引射器长度下的平均推力进行了测量.结果表明:脉冲爆震发动机非稳态引射器可以提高系统的平均推力,当爆震频率为2Hz时平均推力增益最大,可达64.4%.在一定频率下,对直径一定的圆直管引射器存在着一个最佳长径比4.8,此时对应推力增益性能最好.      

脉冲爆震火箭发动机同轴喷注器实验研究

为了使液态燃料在脉冲爆震火箭发动机爆震室内形成雾化均匀的小液滴,并且与气态氧化剂掺混后形成空间分布均匀的混合气,设计了适用于脉冲爆震火箭发动机的气液同轴剪切式喷注器。实验研究了三种喷注器结构对脉冲爆震发动机工作过程的影响,结果表明,采用同轴剪切式喷注器的脉冲爆震发动机在20Hz能够产生稳定、连续和充分发展的爆震波。实验中发现,在同时满足雾化良好以及爆震室填充均匀的条件下,喷注器的出气口存在一个最佳面积,实验研究中喷注器出气口的最佳直径在12mm左右。     

旋转爆震发动机研究进展综述

旋转爆震发动机以超声速爆震形式增压燃烧，具有结构简单、比冲和效率高、工作域宽等一系列优点，除自身单独作为动力装置外，也可与涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机进行组合，更加有效提升原动力装置性能，在航空航天领域未来应用前景广阔。本文论述了旋转爆震发动机的结构及基本工作原理，阐述了国内外在机理研究和技术验证上的最新进展，并对一些重点在研项目进行介绍。面向现有研究进展，提出解决燃料喷注与掺混、爆震波传播控制、进排气系统设计等关键技术问题是未来旋转爆震发动机的主要研究方向。基于旋转爆震发动机的优势和作战武器装备发展态势，进一步对旋转爆震发动机的军民用领域进行展望。     

中心锥体结构脉冲爆震火箭发动机初步实验

为了改善采用液态燃料的脉冲爆震火箭发动机内部燃料的雾化以及燃料混合物的掺混状况,采用了一种中心锥体结构.该结构发动机不采用Shchelkin螺旋增爆装置,而采用中心锥体结构、二级供应方式.采用航空煤油为燃料、压缩氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,在该结构脉冲爆震火箭发动机上获得了充分发展的爆震波并且能够在多循环条件下稳定工作.实验结果表明,该结构可以大大缩短DDT(deflagration to detonation transition)距离,在实验条件下爆燃向爆震转变距离约为管径的5倍.较之同一管径采用Shchelkin螺旋增爆装置的脉冲爆震火箭发动机,该结构发动机的爆燃向爆震转变距离缩短了57.5%.      

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

涡轴发动机高空台模拟偏差影响的性能修正方法

针对涡轴发动机高空台试验因模拟偏差带来的性能差异问题,通过某涡轴发动机数值仿真计算和试验研究,提出了用相似换算和小偏差分析相结合的试验性能修正方法.研究结果表明:发动机输出功率和耗油率的差异从只采用相似换算时的3.0%左右下降到1.0%左右,模拟偏差对性能的影响采用此修正方法是合理可行的.      

航空活塞二冲程汽油机排气口高度优化研究

针对作为无人机动力的某可变排气二冲程发动机在去掉可变排气系统后对发动机性能的影响,利用Fire仿真软件建立了发动机的缸内工作过程仿真模型,通过仿真和试验的方法研究了去掉可变排气系统后的发动机特性,结果表明:去掉可变排气系统后在2000r/min、10%节气门开度和5500r/min、50%节气门开度条件下,发动机的扫气效率降低,输出功率下降。在此基础上,利用仿真研究的方法对排气口高度参数进行了优化研究。去掉可变系统后排气口高度最优值为36.3mm时可以在保证常用无人机飞行转速范围内,各工况下扫气效率较高,发动机指示功损失最小,输出功率可以满足无人机动力需求。      

无人机活塞式发动机进排气系统优化

针对一款无人机(UAV)用活塞发动机在飞行转速为6500r/min时扭矩较低以及燃油消耗率较高的问题,提出了一种基于自适应遗传算法（GA）的发动机进排气系统优化方法,进行进排气系统改进设计。使用GT-Power软件搭建了该发动机一维仿真模型,并通过台架试验数据验证模型;基于该模型进行了进排气系统结构参数对扭矩和燃油消耗率的敏感性分析,将进气管长度、直径、空滤器后腔容积和排气管长度作为优化变量,使用Matlab进行自适应遗传算法优化,使用Simulink/GT-Power接口实现数据采集和优化结果反馈。通过台架试验验证了优化结果的准确性。结果表明:在飞行转速为6500r/min时,经过优化后的发动机扭矩和燃油消耗率都得到明显改善,扭矩最大可以提高5.51%,燃油消耗率最大降低6.31%。      

组喷孔喷嘴对双对置柴油机喷雾及燃烧的影响

针对双对置柴油机混合气形成困难的特点,采用CONVERGE CFD软件,建立双对置柴油机数值仿真模型。设计3种汇聚型组喷孔喷嘴的喷孔布置方案,研究在保持喷油压力不变的前提下,对3种方案下喷雾、混合气形成和燃烧过程进行分析。结果表明:与传统喷嘴相比,改进后的组喷孔喷嘴对喷雾贯穿距影响较小,有利于缸内湍流动能的提高,加快缸内混合气的形成速率。同时,组喷孔喷嘴使燃油分布更加均匀,分布区域也更广,有利于改善油气混合质量,提高双对置发动机气缸压力和燃烧效率,达到提升双对置发动机性能的效果。其中,第3种组喷孔布置方案下发动机指示功率可提高7.6%。      

某航空活塞发动机进、排气正时优化

利用基于仿真的遗传算法优化方法,对某型点燃式航空活塞发动机气门正时优化进行了研究。通过耦合发动机性能模型与modeFrontier专业优化软件,以提高发动机巡航工况下有效功率和降低燃油消耗率为目标对发动机的进、排气正时和进、排气持续期进行了优化。分析结果表明:相比于原机,通过优化进、排气门正时和进、排气持续期,发动机在巡航工况下燃油消耗率降低2.5%,功率提升7.3%;优化后的进、排气参数也可以提升发动机节气门全开时发动机的性能,减少飞行器的起飞滑跑距离。      

点火参数对煤油活塞发动机燃烧影响的数值模拟

为了了解点火参数对某2冲程航空活塞煤油发动机燃烧及温度场的影响,利用GT-Power和Fire软件对该发动机整机及燃烧室分别建立了仿真模型,选取扭矩、功率以及缸压数据验证了该模型的正确性,并对发动机在6000 r/min、全负荷工况下的燃烧和温度场分布等特性进行分析.结果表明:当点火时刻由335°CA变化至331°CA时,缸内混合气燃烧放热量增多,放热率峰值增大,放热率峰值对应曲轴转角的提前量变大,燃烧放热速率加快,混合气温度和压力上升变快,高温区范围增大;当点火能量由28.02 mJ增加至46.73 mJ时,双火花塞附近的温度升高,火花塞点火产生的火核尺寸增大,缸内燃烧温度与压力升高,燃烧放热速率加快,缸内高温区分布范围增大.     

航空涡轴发动机发展趋势

基于国际上典型航空涡轴发动机的发展历程,概括了航空涡轴发动机产业发展趋势,其所呈现的系列化、军民两用化和国际合作化特点十分鲜明,国家层面实施的发展计划对航空涡轴发动机的发展起到了重要引领作用。基于统计分析,展望了航空涡轴发动机结构布局和性能发展趋势。研究表明:在结构布局方面,航空涡轴发动机朝着结构紧凑化方向发展,压气机和涡轮级数呈现不断减少的趋势。1 500 kW级以下的航空涡轴发动机将更普遍地采用单级/双级离心压气机和单级涡轮,1 500 kW以上的航空涡轴发动机将更普遍地采用轴流+离心组合压气机和双级涡轮,同心轴前输出功率型式成为主流功率输出型式。在性能方面,未来先进航空涡轴发动机的压比将达到30,涡轮前温度将达到1 900 K,油耗将低至0.20 kg/(kW·h),单位功率将达到400 kW/(kg/s),功质比将达到14 kW/kg。      

燃料掺氢对船用天然气发动机燃烧和排放的影响

为研究船用天然气发动机气体燃料中掺入不同比例氢气对燃烧和排放的影响。运用改装的氢气-天然气-柴油三燃料混烧发动机进行台架实验,测试对比负荷特性下掺氢比为0%、5%、10%、15%四个工况发动机排放物中CO、CO2、NO、NOx、烟温等数据,然后针对掺氢比分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%的六个工况,运用CHEMKIN-PRO模拟计算点火延迟时间和层流火焰速度。结果显示,随着氢气比例增加,缸内燃烧点火延迟时间缩短,缸内最高温度升高,层流火焰速度增快,掺氢比对NOx排放影响不明显,相同输出功率下掺氢比高的工况CO排放更低,燃料掺氢工况CO2排放低于纯天然气工况。研究认为,燃料掺氢有助于改善船用LNG动力发动机的燃烧和排放,具有较大的研究和应用前景。