民用航空发动机低排放燃烧室技术

导读:国际上对民用航空运输污染排放的限制标准越来越严格,燃烧室作为民用航空发动机污染排放的唯一来源,降低污染排放物的生成量是燃烧室研制面临的重要任务,低排放燃烧技术作为民用航空发动机的关键技术之一,是支撑民用航空发动机研制和进入市场的核心技术.本文简述了民用航空发动机污染排放标准的发展趋势、污染物的生成机理和控制、先进低排放燃烧室技术和未来超低排放燃烧技术发展方向.     

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.      

基于燃烧室多反应器模型的民用涡扇发动机排放预测

选用燃油JetA为航空燃料,建立了简化火焰锋面模型、燃烧化学平衡模型、燃烧动力学模型、燃油雾化模型、燃油蒸发模型及污染排放生成模型.采用基于燃烧室多反应器模型对发动机在不同工作状态下的排放产物NOx、未燃碳氢化合物(unburned hydrocarbons,UHC)和CO进行了计算.结果表明:燃烧室内火焰温度越高,NOx排放量越大.在发动机工作在低转速工况下时,燃油液滴的雾化直径大,造成CO与UHC排放量增加.基于燃烧室多反应器模型计算通用性强、速度快,适合与发动机性能程序相结合,在发动机设计阶段对发动机不同工作状态下的排放产物含量进行预测计算.     

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.     

TAPS低排放燃烧室的发展与设计特点分析

<正>低污染燃烧室的研发必须满足两条基本原则,一是要遵循低污染燃烧的基本原理;二是要满足燃烧室的基本性能要求。采用贫油直接混合加径向分级燃烧技术的TAPS燃烧室在这两者之间做出了很好的平衡与折衷,而且燃烧效率更高、燃烧室出口温度场更均匀、污染排放更低,能够满足ICAO对2016年后宽体客机发动机NOX排放的目标。随着人们环保意识的增强和全球航空运输业的快速发展,控制民用航空发动机污染物的排放,已成为现代民用航空发动机设计中必须遵循的重要原则。按照国际民航组织     

民用航空发动机低排放燃烧室技术发展现状及水平

为了从科学和技术的角度展望民用航空发动机低排放燃烧室技术的发展方向,基于污染物生成机理及控制原理阐述了富油和贫油燃烧的污染排放控制方法,回顾了富油-焠熄-贫油燃烧（RQL）、贫油预混预蒸发燃烧（LPP）和贫油直接喷射燃烧（LDI）3种低污染燃烧技术的发展现状,并分析了新一代民用航空低排放燃烧室技术目前所达到的低污染排放水平。采用贫油燃烧技术的双环预混旋流器燃烧室（TAPS）已经应用于型号并取证,其NO_x排放比CAEP/6（Committee on Aviation Environmental Protection/6）标准低50.0%~65.8%,达到了超低排放水平,证明了贫油燃烧的发展潜力。要实现NO_x排放比CAEP/6低75.0%以上的超超低排放目标,需要利用燃烧数值模拟和光学诊断等先进工具,对燃烧室内喷雾、混合、流动、燃烧及它们之间的非定常相互作用开展更深入的研究。     

飞机发动机排气污染物的测量

参考国际民航组织（ICAO）颁布的“飞机发动机排放”条例的规定,设计并建立了民用航空发动机排气污染物测量系统,采用自行推算的样气成分“干基”向“湿基”转换的修正公式,编写排放物EI的计算程序。在民航维修基地（AMECO公司）的试车台对二台JT3D-7型发动机进行排气污染物的实测,测出的各类污染物的排放指数EI_CO,EI_HC,EI_NOx及冒烟数SN,并与JT3D-7型发动机公布的数据进行对比,测量系统的精度按标准规定用燃气分析测出的气油比与发动机实测的气油比进行比较小于10％～15％的均属于合格,本研究的系统的测量值与发动机所测的总气油量之比的误差在3％左右,证明此测量系统和测量技术切实可行。      

民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势

针对民用发动机污染排放的现状,介绍了低污染燃烧技术发展概况及趋势,国际民航组织(ICAO)颁布的《航空发动机的排放》标准,以及中国民用航空局(CAAC)对排气污染物的规定,分析了排气污染物的生成机理和主要影响因素以及改善措施.对6种先进低污染燃烧室(分级、变几何、催化、贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)、富油燃烧/淬熄/贫油燃烧技术(RQL)以及双环预混旋流(TAPS)等燃烧室)的工作原理与特点、以及应用状况作了简要分析.其中分级燃烧技术构成了先进低污染燃烧室设计的技术基础,而LPP,RQL与TAPS燃烧室为三种很有发展前途的低污染燃烧室.此外,还介绍了贫油直接喷射、燃料电池以及主动燃烧控制等三种新型的低污染燃烧技术,虽然实现这些技术难度较大,但有广阔的应用前景.      

国外民用航空发动机低污染燃烧室的发展

由于地球大气污染加剧,低污染燃烧室的研制成为了制约民用飞机发动机发展的关键技术之一。叙述了ICAOCAEP标准对民用航空发动机污染物排放的规定,以及污染物形成机理和排放控制方法,详细介绍了美国和英国、德国等欧洲航空发动机先进国家研制的多种高效低污染燃烧室,如TAPS、TALON、TVC和ANTLE等。这几种燃烧室的污染物排放水平均比CAEP2标准规定值低50％以上,其研制、发展和使用经验,对中国低污染燃烧室的研制和发展具有重要的参考价值。     

民用航空发动机高空模拟试验排气扩压器特性分析

基于射流理论分析了民用航空发动机高空模拟试验时的排气流场,应用喷射器模型建立了针对民用航空发动机排气扩压器气动性能的计算方法,并完成了民用航空发动机试验的排气扩压器性能计算。分析了排气扩压器出口的增压比、马赫数、总温、体积流量,与排气扩压器内径和二股流流量之间的关系。基于计算分析结果,建议民用航空发动机高空模拟试车台排气采用直接喷水冷却方式,高空模拟试验时尽可能控制二股流流量。     

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。     

湍流燃烧模型在航空发动机喷雾燃烧中的应用

使用自主开发的计算软件,数值模拟航空发动机旋流杯环形燃烧室三维湍流煤油两相燃烧过程,采用多维经验分析法与多步反应火焰面模型预测旋流杯环形燃烧室污染物排放,对4种湍流燃烧模型预测喷雾燃烧流场与污染物排放能力进行评估.各模型所得的计算值与试验数据较为相符,表明这些模型都可用来预测旋流杯环形燃烧室两相燃烧流场和污染物排放能力,但是不同模型的计算精度不相同.其中多步反应火焰面模型所得的出口温度分布与污染物排放与试验结果最接近,其预测精度高于其他模型.因此合理选择湍流燃烧模型可以提高计算准确性和可靠性.      

弱旋流燃烧器流场特征和污染排放研究

弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力,是未来燃气涡轮发动机低排放贫油预混燃烧组织方案之一。为了深入理解弱旋流流场特征和燃烧稳定性,建立了采用弱旋流燃烧器的试验装置,设计了不同几何尺寸的叶片式旋流器,采用PIV以丁烷为燃料获得了稳定的弱旋流火焰,采用激光诱导荧光技术测量了火焰结构,火焰中具有明显的局部熄火和再点火区域。在不同来流条件下开展了火焰稳定范围研究,确定了燃烧器的火焰抬升和贫油熄火油气比,燃烧器共呈现了三种不同的燃烧模式:附着火焰、"W"型火焰和"U"型火焰。采用燃气分析仪测量了燃烧器的污染物排放,所有状态下NOx排放低于10ppm。     

航空发动机排气污染测试系统

本文叙述了自行设计建立的航空发动机排气污染物取样测试系统的组成、工作原理，并介绍了排气污染物的地面试验测量方法。通过对某型发动机排气污染物进行地面试验实测，结果表明：该测试系统工作性能稳定、可靠，操作方便，是 动机排气污染地面试验实时测量分析的必备装置。     

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.      

飞机发动机排气污染控制

飞机发动机排出的气体中公认对大气造成污染的物质有悬浮微粒、一氧化碳(CO)、未燃尽碳氢化合物(UHC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO_2)等。 目前,飞机发动机所排放的各种污染物对整个大气污染的影响很小,一般估计在1％～2％。但当其他地面主要大气污染源,如燃煤电厂、汽车、……等,日益受到严格控制,而航空运输业还在不断发展的今天不对飞机发动机的排气污染加以控制,上述1％～2％的比例就会增长。     

航空发动机气态污染物及冒烟的测量

介绍了新型燃气气态污染物和排气冒烟测量系统的工作过程,对某型航空发动机的气态污染物和排气冒烟进行了测量,分析了样气温度对测量结果精度的影响。     

基于ICAO起降模型的中国机场飞机排污计算研究

结合ICAO机场排放计算方法,在考虑3种主要气体污染物HC、CO和NOx的情况下,提出了适合中国机场飞机排放污染物的计算方法。该方法基于国际民航组织（ICAO）规定的标准起飞着陆（LTO）循环的模型,采用ICAO发动机排放数据库（ICAO aircraft engine emissions databank）,通过搜集中国民航机队的飞机／发动机配置信息及所列机场航班计划表,计算出机场污染物年排放量。     

现代航空发动机分区燃烧策略分析

分区燃烧是现代航空发动机的基本燃烧策略,不管是采用横向的或纵向的分级燃烧技术,都是把降低NOx的排放作为燃烧室组织燃烧的重点,采用分区燃烧可减少起动、慢车、起飞和巡航等工况下的排放指标.     

单管火焰筒内燃烧过程的反应动力学数值模拟

为了建立航空煤油替代燃料的反应机理,并对航空发动机燃烧过程进行详细反应动力学研究,选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了该替代燃料的化学反应详细机理与简化机理。分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火过程、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析。同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某单管火焰筒内燃烧过程、排放物及活性中间组分的生成规律进行了详细分析,并与采用C12H23为燃料的单步总包反应机理的计算结果进行了对比分析。结果表明,采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C12H23为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理能更好地对单管火焰筒的燃烧与排放特性进行详细的动力学分析。