民用飞机全航线排放预测

针对民用飞机全航线的排放预测问题,运用飞机升阻特性模型、发动机性能模型和飞机航线性能模型计算了民用飞机在全航线上的飞机升阻特性与发动机性能,并将以上模型与基于T₃-p₃法与波音流量法所建立的排放计算模型相耦合,详细计算了飞机在实际飞行过程中未燃碳氢化合物(UHC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)的排放指数,并得到了全航线的各种污染排放物排放总量,完善了民用航空发动机排放预测分析体系,为低污染民用航空发动机的设计与评估提供理论依据.计算结果表明,飞机处在起飞以及爬升阶段时,NOx的排放指数较高,而UHC与CO的排放指数较低;当飞机处在下降以及进场时,NOx的排放指数较低,而UHC与CO的排放指数较高.NOx的总排放量在3种污染排放产物中最高.      

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。     

某型航空发动机燃烧室排气污染物数值模拟

以"热力"型NOx和"瞬发"型NOx及CO生成机理为基础,采用FLUENT6.3.26软件计算出在最大状态和地面慢车状态下,某型航空发动机环形燃烧室的温度场、速度场和浓度场.通过对计算结果的分析得出:火焰温度和燃料停留时间是影响燃烧室排气污染物排放量的主要因素.通过折衷考虑,可以得出降低燃烧室NOx和CO排放的有效措施,可为设计低污染燃烧室提供一定的数值依据.     

基于分层和分级燃烧机理的低污染燃烧室设计和排放性能预估

保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸不变,将燃烧室分别设计为单环腔燃烧室(SAC)、双环腔燃烧室(DAC)、双环预混旋流(TAPS)燃烧室、中心分级燃烧室(CSC)和三旋流燃烧室(TSC)5种燃烧室结构,保持湍流、喷雾、燃烧、辐射及排放数理模型不变,对5种燃烧室进行三维数值模拟.对比研究了5种燃烧室的污染排放性能.结果表明:采用分级燃烧的DAC慢车状态下CO排放量最低,采用DAC在慢车状态下的CO排放量比SAC降低了近62%.采用分层燃烧的TAPS燃烧室的NOx排放量最低,采用TAPS的NOx排放量比SAC降低了近43.5%.      

水蒸气对非预混燃烧室NO_x排放数值模拟研究

为研究水蒸气的混入对实际工作条件下的涡轮发动机燃烧室流场及NOx排放分布影响,采用Laminar flamelet燃烧模型对不同水蒸气含量下的煤油燃烧进行三维数值模拟。湍流及燃烧模型采用DLR-A湍流非预混射流火焰模型实验进行校验。燃烧室的计算结果表明,水蒸气的混入会减少燃烧室高温火焰燃烧区的尺寸和温度,流场的构型变化不大。通过OH基的组分分布及含量变化分析可知,在本文计算参数范围内,水蒸气会促使燃烧反应向下游移动。在起飞工作条件下,水蒸气进入燃烧室时其组分稀释及热沉为主要作用,化学反应的促进燃烧放热相对较小。当水蒸气的质量分数达到15%时,可减少约95%的NOx排放量。     

LTO循环中RQL-TVC排放性能数值模拟

为了掌握采用富油-淬熄-贫油低排放燃烧技术的驻涡燃烧室(RQL-TVC)在起飞-着陆(LTO)循环各状态中的排放特性,采用数值模拟的方法开展了研究。数值模拟结果表明:在LTO循环中,RQL驻涡燃烧室的氮氧化物(NOx)与未燃碳氢化合物(UHC)的排放指数EI均低于传统燃烧室的;但一氧化碳(CO)的EI偏大。RQL-TVC的NOx的LTO排放数少,是国际民航组织颁布的航空发动机排放标准CAEP6的29.1%;UHC的LTO排放数接近于0;CO的LTO排放数在慢车状态下的数值明显高于其它状态下的。RQL-TVC具有良好的低排放潜力。     

某航空发动机环形燃烧室CO和UHC的数值计算

采用FLUENT软件对某型航空发动机燃烧室在最大和地面慢车状态进行三维、两相、湍流燃烧模拟,计算了CO和UHC的生成,获得了温度场、速度场和浓度场的数值。CO和UHC主要在低工况下生成,但油气比对污染物排放影响较大。     

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.      

贫油预混预蒸发燃烧室排放试验研究

提出一种采用直接喷射和部分预混预蒸发(DIPME)混合燃烧技术的中心分级燃烧室,这种DIPME燃烧室具有低工况稳定燃烧,高工况低NOx排放的特征。对采用该燃烧技术的单头部DIPME燃烧室进行LTO循环4个工况(慢车、返场、爬升和起飞)试验研究。研究结果表明:除慢车工况的燃烧效率接近0.99外,其余工况的燃烧效率均大于0.995;在LTO循环内DIPME燃烧室的CO,UHC和NOx排放均满足CAEP/6排放标准,其中NOx比CAEP/6低60.8%;同采用富油燃烧技术的燃烧室相比,采用该技术的DIPME燃烧室在降低CO和UHC排放上并没有什么优势,但在降低NOx排放上潜力巨大。     

不同钝体宽度下的驻涡燃烧室排放试验

为了研究空气流量分配对驻涡燃烧室对排放特性的影响,了解对驻涡燃烧室内污染物生成的过程及其影响因素,设计了一个能够改变中心钝体宽度、仅凹腔供油的驻涡燃烧室.在常压下对该驻涡燃烧室进行了排放特性试验,进口温度保持200℃.试验中,燃烧室进口马赫数为0.15~0.3.影响排放的因素主要包括雾化质量、凹腔当量比以及与进口马赫数相关的驻留时间等.总体来说雾化质量、凹腔当量比的提高对降低CO和HC的排放是有利的,但是这会使NOx排放增加.在低凹腔当量比时,CO排放曲线变化下降比较平缓,甚至出现上升趋势,而HC排放曲线比较陡峭.这是由于HC的消耗速度比CO消耗速度快,随着凹腔当量比的增加,供油压力提高,燃油雾化粒径变小,燃油蒸发时间缩短,使HC排放快速减少,中间产物CO大量产生而来不及消耗.凹腔当量比进一步上升时,由于燃烧温度的提高,使得CO排放快速减少.在燃烧室内燃烧过程中,NOx的形成和消耗是非常复杂的过程,目前只能作一些定性的分析,而CO和HC的反应过程相对简单.通过对不同钝体槽宽下,具有相似凹腔前壁流量的工况的比较,发现CO和HC的形成主要受凹腔内工作状况影响,而NOx的形成过程更复杂,主流也对其产生着重要的影响.      

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。     

Influence of coupled characteristics on the internally-staged combustor under low-power operation

An ultra low emissions combustor, namely low emission stirred swirl (LESS) combustor was studied, based on a scheme of internally staged/lean premixed and prevaporized (LPP) combustion. The LESS combustor consists of central pilot stage and outer surrounded coaxially main stage, between which there exists a physical isolation, namely the step height. The existence of step height delayed the pilot and main jets mixing. Experimental and numerical studies were carried out to investigate the influence of the step height on the combustion performance. A single dome rectangular combustor was utilized to conduct the lean lightoff and blowout experiments, and pollutant emission experiments. The experimental results showed that with the increase of step height by 38%, the lean lightoff and blowout fuel air ratio decreased by 574% and 375%, the NOx emission increased by 35.1%, and the combustion efficiency increased by 1.78%; while the CO,unburned hydrocarbons (UHC) emissions decreased. Furthermore, the total pressure loss was kept nearly constant. Non reacting and reacting flow fields were numerically investigated to analyze the coupled characteristics of pilot and main jets with different step heights. A comparison of flow characteristics, spray structure, and combustion component as well as temperature field with different step heights was conducted. The numerical results showed that the increase of the step height shifted the peak velocity outwards. The enlargement of the primary recirculation zone (PRZ) resulted in the increase of the combustion efficiency and NOx emission, while the CO, UHC emissions decreeased.      

燃料分配方式对微燃机燃烧室燃烧性能影响

提出了一种喷口位置可变采用燃料多点喷射的干式低排放(DLE)微型燃气轮机燃烧室,为了获得值班级与主燃级之间燃料分配方式对燃烧性能的影响,对该燃烧室在不同分配方式下的燃烧性能进行了实验测试与数值模拟。结果表明:燃料喷口位置改变对污染物排放影响不显著;燃料分配方式的改变对温度场和污染物的生成特性有影响,随着两级燃料分配比例的增大,NOx排放量呈现先减少后增加的趋势,存在一个最佳的燃料分配比例使NOx排放最低;燃烧室内存在明显的中心回流区(PRZ),便于点火及火焰传播;热力型NOx的生成量与温度高于1 950 K的区域大小和最高燃气温度有直接关系。所设计的燃烧室在以天然气为燃料的所有工况下NOx排放都可降低到50 mg/m3以下,达到了低污染燃烧室排放标准(小于50 mg/m3)。     

航改型双环燃烧室燃烧反应特性试验

针对地面运输用燃气轮机低排放的要求,试验研究了一种双环预混旋流(TAPS)燃烧室在以0号柴油为燃料时的反应特性。结果表明:采用TAPS燃烧室由于空气分配方式的改变,总压恢复系数在0.97以上,高于经典单环燃烧室。由于柴油黏度和燃点的影响,使用柴油为燃料时最低常压点火油气比高于0.05,要比相同结构采用航空煤油为燃料时的点火油气比高,但慢车贫油熄火极限没有明显的变化,维持在0.006~0.008之间。采用压力雾化的预燃级存在燃料混合不均匀的问题,导致燃烧效率只能达到0.99,为要求值的下限,但燃烧室出口温度分布系数小于0.25,达到了所要求的性能指标。由于采用了预混预蒸发燃烧,污染物排放中NOx的干基体积分数为1.76×10-5,明显低于所要求的性能指标,但CO的干基体积分数较高达到了5.02×10-4。综合比较各项性能指标,该燃烧室在点火、贫油熄火、燃烧室出口温度分布和NOx排放上表现出了一定的优势,但燃烧效率低和CO排放高还是需要解决的问题。      

弱旋流喷嘴的污染排放和燃烧稳定性分析

基于弱旋流喷嘴(LSI)的弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力.分析了弱旋流燃烧的稳定燃烧和降低污染排放的原理,发现其特殊的流动形式及其与湍流火焰传播的匹配是决定其燃烧稳定性和污染排放的主要因素.而弱旋流喷嘴的旋流叶片角度、直径比和流量比等关键参数会影响LSI的下游流动特征,进而影响其燃烧性能.燃料对LSI燃烧稳定性和污染排放的影响主要是通过火焰传播速度和绝热火焰温度发挥作用.为了将液体燃料应用于LSI,目前主要采用了预混预蒸发的方式,试验结果表明:其NOx排放可比采用常规强旋流喷嘴的燃烧室降低10%~60%,但存在自燃和回火的风险.而LSI喷雾燃烧的方式,则需要针对弱旋流液雾燃烧开展更深入的基础研究.只有解决了液体燃料的LSI应用问题,才能发展出不同于传统强旋流燃烧的新一代航空发动机超低排放燃烧室.      

癸酸甲酯与正丁醇在低速柴油机中均质压燃燃烧与排放

通过向生物柴油替代燃料癸酸甲酯(MD)中掺入一定比例的正丁醇(NBA),达到降低氮氧化物（NOx）排放的目的。针对二冲程低速船用柴油机,建立了癸酸甲酯和正丁醇的混合燃料燃烧反应机理,并将Zeldovich氮氧化物反应机理作为子机理添加到燃烧反应机理中。构建出一个包含癸酸甲酯,正丁醇和详细的氮氧化物反应的完整燃烧反应机理。在燃料总摩尔分数一定的条件下,固定发动机转速与空气过量系数,将癸酸甲酯与正丁醇按不同比例进行混合,研究癸酸甲酯与正丁醇混合燃料在二冲程低速船用柴油机充量均质压燃（HCCI）模式下的燃烧与氮氧化物排放特性。结果显示,癸酸甲酯与正丁醇混合燃料HCCI燃烧产生的氮氧化物随正丁醇掺混比例的增加而减少。研究表明,在燃料总摩尔分数保持不变时,随着正丁醇混合比例的增加,燃料总热值减少,排气温度和缸内最高燃烧温度降低,对氮氧化物的生成有抑制作用,氮氧化物反应速率降低,排放量下降。同时,由于正丁醇掺混比例的增加导致混合燃料的C/H比下降,可以有效地降低燃烧过程中CO2的排放。在保证发动机燃烧效率的条件下,癸酸甲酯和正丁醇的混合比例为1:1时,混合燃料在二冲程低速船用柴油机中HCCI燃烧的NO与NO2排放量最低。