民用航空发动机燃烧室试验技术分析与研究

近年来,我国的大型客机发动机研制正处于攻坚阶段,零部件试验和整机试验均在大量开展。为了更好地支撑我国民用航空发动机低污染燃烧室的研发工作,阐述了大涵道比涡扇航空发动机燃烧室的典型研发路径,并对单头部、多头部和全环燃烧室3个研发阶段的试验技术进行了重点分析,介绍了每一阶段的主要试验内容、试验过程、试验设备、测试技术、关键环节以及各阶段试验面临的共性问题;同时,在燃烧室试验压力与温度、测试技术、试验研究的丰富性与前瞻性等方面进行了国内外对比分析,总结了我国民机燃烧室试验技术的发展现状,可为国内相关单位在研发民机低污染燃烧室、建设试验器、提升测试能力和填补技术空白等方面提供借鉴。     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室（英文）

在自主开发的软件平台上,采用基于URANS的方法计算航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流动,考虑了液态燃油从液膜-液滴-燃气-燃烧的完整物理化学过程。其中,颗粒相采用LISA一次破碎模型,KH-RT二次破碎模型和标准的蒸发模型,湍流燃烧模型采用可以考虑非稳态燃烧特性的非稳态火焰面/反应进度变量方法,得到了航空发动机燃烧室中温度、组分浓度和燃油液滴的颗粒直径分布规律。同时,采用CARS光学手段测量燃烧室主燃区的温度分布,并将数值计算结果与光学试验测量值进行比较,数值计算结果和试验值吻合较好,数值计算误差小于7.3%。说明了本文的数值计算方法和UFPV方法在计算航空发动机燃烧室的两相燃烧流动时具有较高的精度。     

双旋流燃烧室两相喷雾试验和数值研究

采用粒子场脉冲激光全息技术对航空发动机燃烧室中的雾化场进行了测量,得到了燃烧室中燃油液滴直径的空间分布,从而对燃烧室中的雾化过程进行了研究。自主开发完成了适用于航空发动机燃烧室的三维两相数值计算平台,建立了首次雾化模型和二次雾化模型。基于LISA模型和KH-RT模型,对燃烧室中的首次雾化过程和二次雾化过程进行了数值模拟,得到了燃烧室中液雾的空间分布。通过将计算结果与试验结果进行对比,显示开发完成的雾化模型能很好的模拟高温高压,强旋流条件下航空发动机燃烧室的整个喷雾雾化过程。     

航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能,基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中,每种技术都有其局限性和适用范围,需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点,选择合适的激光诊断技术。在温度测量中,相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术主要用于单点温度测量,单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%;高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光（PLIF）测温方法,但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中,粒子成像测速（PIV）技术适用于低速流场速度的精细测量,羟基分子标记测速（HTV）技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量,HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中,主要采用自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering,SRS）和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。     

发动机燃烧室声阻尼试验技术研究

依据振动和声学基本理论,进行了燃烧室内声阻尼模拟试验原理和试验技术研究,建立相应的试验系统,通过试验分析了两种试验方法的适用范围及其在发动机研制中声学模拟的有效性。     

航空发动机燃烧室光学可视模型试验件及其流场测量研究进展

航空发动机燃烧室内的燃烧组织是高温高压受限空间内多级旋流复杂流场结构的气动、燃油雾化、蒸发、油气混合和燃烧化学反应多场耦合过程,而其流场特性影响雾化和燃烧过程,从而对燃烧室的燃烧性能具有决定性影响。对燃烧室内复杂强旋流流场组织机理的认识和高精度测试一直是发动机燃烧室研制过程中的难点之一。本文针对光学可视模型燃烧室试验件设计方法及典型发动机燃烧室的流场组织机理和特性进行总结,希望给发动机燃烧室研制过程中光学模型燃烧室试验件的设计提供一定的借鉴,深刻认识目前两类典型的传统旋流杯模型燃烧室和基于分区分级耦合燃烧技术的新型燃烧室的流场特性,促进航空发动机燃烧室的研制。     

超声速燃烧室性能一维数值模拟

由气体动力学基本定律,推导出燃烧室性能分析的一种一元流计算方法。该方法考虑了面积变化、质量添加、两相流、多组分效应、化学反应、壁面摩擦、壁面散热等因素的影响。与试验数据的对比分析表明,该方法能够准确描述超声速燃烧室两相参数分布,从而为燃烧室方案设计阶段的快速性能评估和设计优化提供了一种有效的手段。     

涡轴发动机燃烧室头部流场试验研究

对涡轴发动机短环直流燃烧室进行了突扩区和火焰筒头部间流场试验研究。采用ＬＤＶ多谱勒激光测速仪测量了燃烧室头部的时均速度场和各测量点的紊流强度，并绘制了流谱。通过对七种不同结构方案扩压器进行试验，研究了几何参数和前置扩压器出口气动参数变化对突扩区和火焰筒头部间速度场以及各点紊流强度、旋涡位置与大小的影响。通过流场分析找出各参数对燃烧室性能影响的规律。本试验结果可为涡轴燃烧室的优化设计提供可靠的有应用价值的试验依据。     

航空发动机极端条件下液雾自燃特性研究进展

贫油预混预蒸发（LPP）燃烧是目前最先进的民用航空发动机低排放燃烧技术,但在预混过程中面临的自燃与回火等风险,已成为制约其发展的瓶颈问题。在航空发动机燃烧室的高温（最高1000K）、高压（最高6MPa）来流极端条件下,预混预蒸发段内自燃属于受限空间内的液雾自燃,本文对与液雾自燃相关的实验研究进行回顾和分析。首先,描述民用航空发动机LPP燃烧室内的液雾自燃过程,分析液雾自燃的影响因素和特点,指出液雾自燃的重点研究方向;其次,对与液雾自燃密切相关的化学自燃研究进行简要综述,总结各物理参数对化学自燃的影响规律;最后,重点分析液雾自燃的实验研究现状,展示航空发动机极端条件下的液雾自燃随机性研究进展,探讨液雾自燃研究面临的问题和后续发展趋势。     

虚拟仪器技术及在航空发动机测试中的应用

本文介绍了虚拟仪器的涵义、基本构成、特点、创建和软件开发平台及其在航空发动机测试技术中的应用.     

双燃烧室中煤油超燃试验研究

对双燃烧室中煤油超燃进行了试验研究。试验采用亚燃燃烧室产生的高温富油燃气在超燃燃烧室的超声速主气流中补燃的方案实现了煤油超燃过程 ,研究了在不同超声速主气流总温状态下高温富油燃气的当量比对超声速燃烧效率的影响 ;分析了超燃燃烧室中的总压恢复特性     

氢燃料超燃燃烧室流场结构和火焰传播规律试验研究

采用试验方法研究了不同当量比条件下的氢气燃烧流场结构和火焰传播规律。采用壁面测压、纹影、差分干涉、火焰自发光照相以及OH-PLIF等测量手段获取流场信息,并发展了纹影、差分干涉和PLIF同步测量的试验方法,获取了流动结构和火焰的耦合测量结果。结果表明:在所研究的5个状态中,当氢气当量比大于0.17时,燃烧流场结构不稳定,火焰分布呈现破碎状,火焰在燃烧室上下壁面之间来回传播;当氢气当量比小于或等于0.17时,燃烧流场结构稳定,火焰呈现连续分布,火焰稳定分布于凹槽下部剪切层内。     

超声速燃烧室凹槽动态特性试验研究

为研究超声速燃烧室中凹槽火焰稳定器的流动特性,对来流马赫数2.0条件下各种构型的凹槽流场进行了试验研究.得到了不同几何构型凹槽流场的纹影结果,采用动态压力传感器研究了凹槽流场的频谱特性,计算了凹槽流场自激振荡压力的均方根,并将试验结果和Rossiter经验公式预测结果进行了对比.     

燃烧室结构高温变形非接触测量试验研究

为获得地面试验中主动冷却燃烧室在高温状态下的结构总变形和局部应变,基于数字图像相关法开展了非接触测量试验研究。分别采用加速鲁棒特征算法和改进的圆柱曲面数字图像相关法完成了燃烧室结构总变形和局部应变测量及分析。测量结果表明,燃烧室稳定工作条件下,结构轴向总变形约4.8 mm、局部平均应变约0.0049。测量结果与工程粗略估算结果比较吻合,说明所使用的非接触测量方法有效,能够支撑燃烧室热结构设计,测量数据能够用于三维结构强度数值计算的验证。     

加热方式对煤油燃料超声速燃烧室性能影响

采用电阻加热燃烧室直连式试验台和甲烷燃烧加热燃烧室直连式试验台,开展了来流加热方式对煤油燃料超声速燃烧室燃烧性能的影响研究。在对比试验中,燃烧室入口纯净空气来流和污染空气来流均保持总温840K、总压820kPa和马赫数2.0的条件。利用高速摄像技术拍摄了煤油燃烧可见光图像,经分析处理得到了煤油燃烧火焰向主流的传播角度。对比试验结果显示:与电阻加热试验来流相比,甲烷燃烧加热来流的燃烧室壁面压力峰值下降了3.1%~6.9%,煤油燃烧可见光火焰向主流的传播角度缩小了7.1%~12.4%。     

基于滤波瑞利散射技术的带压燃烧场温度测量实验研究

为实现高压、受限空间条件下燃烧火焰二维温度场的测量,研究了基于碘分子超精细吸收凹陷的滤波瑞利散射技术。设计了一套滤波瑞利散射温度测量装置,主要由种子激光注入Nd:YAG激光器、碘分子滤波池、ICCD相机等组成。利用该测量装置,在高压火焰炉上开展了0.1~0.5MPa条件下的甲烷/空气预混火焰温度测量实验,结果表明:滤波瑞利散射测温技术能有效抑制米散射和背景杂散光的干扰,能在受限空间和带压条件下获得瞬态燃烧火焰温度场的分布,并且温度测量的相对不确定度优于15%;与热电偶温度测量实验的结果进行了对比,两者的偏差小于10%。因此,有望将滤波瑞利散射测温技术应用于发动机燃烧场温度诊断实验。     

新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究

对一新型双旋流燃烧室开展了实验测量,研究了燃烧状态参数2种变化过程对火焰热声振荡特性的影响(过程1:保持甲烷体积流量不变,当量比从0.900逐步减小至0.725再逐步增大至0.925;过程2:保持当量比为0.850不变,逐步增大预混气的体积流量).结果表明:在该燃烧室中存在M型和V型2种火焰结构;在过程1中,随着当量比...     

发动机润滑系统网络系统的设计及其模拟实验

利用Flowmaster软件对航空发动机内部的供油润滑冷却系统的流量分配和压力分布问题进行计算.在建模过程中,将该系统的结构和腔室分解成相应的元件,再将各元件的数学模型用软件中示意图来代表,通过节点将各元件示意图连接成网络系统,进行计算.把计算出的理论值与实验得到的实际值进行比较,得到合理的流量分配,为发动机正常工作滑油分配提供可靠依据.