燃烧室尺寸优化下的航空发动机排放性能研究

航空活塞发动机的排放问题始终备受关注,其燃烧室的尺寸对发动机排放性能具有一定的影响,以某航空活塞发动机为研究对象,从燃烧喷雾模型出发,利用Fire建立其燃烧室模型,在现有燃烧室几何参数的基础上提出改进,利用新的方案进行仿真分析,在某一瞬态下对比新旧方案的氮氧化合物和碳烟排放。结果表明:新的燃烧室结构下发动机氮氧化合物排放降低23%,碳烟排放降低2.8%,总体排放下降;将修正后的燃烧室装配到发动机上,经实验台架测试后,发动机功率和扭矩不变,排放物明显降低,该设计方案可行。     

Simulation of thermal radiation emitted by heterogeneous combustion products in the combustion chamber of a model engine

The paper presents technology and results of the computational experiment on investigation of thermal radiation in the combustion chamber of a model rocket engine. Dependence of optical properties, radiation characteristics and emission characteristics on the main determining factors and parameters is analyzed.     

高空环境下喷嘴参数对航空活塞发动机燃烧与性能的影响

以一台四缸四冲程压燃式航空煤油活塞发动机为研究机型,运用工程系统高级建模和仿真平台软件(AMESim)仿真软件建立了发动机的整机模型,并使用台架实验的采集数据对该仿真模型进行了验证。在高空环境中,仿真分析了飞行器起飞工况、最大巡航工况下发动机喷油器的不同喷孔数、孔径对发动机燃烧过程、性能和NOx排放特性的影响。计算结果表明:稳态工况下,随着喷孔数的增加,最高燃烧压力和温度增加,瞬时放热率增长速度快且峰值上升;同时,缸内预混燃烧得到强化,燃烧始点提前,滞燃期和燃烧持续期缩短,燃烧重心前移,循环热效率增高,但同时会提高NOx的生成量;在飞行器瞬态变海拔的起飞工况下,多喷孔数、小孔径的喷油嘴有利于航空活塞发动机在高空环境下恢复发动机功率,提升飞行器的动力性和续航性能。      

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.      

富氧补燃循环发动机启动过程

启动过程是液体火箭发动机研制中的重点和难点,解决大推力补燃循环发动机启动问题的主要措施应为:通过控制预燃室的燃料流量以有效地将预燃室的组元比控制在合理的范围内,并可以控制发动机的启动速率;燃烧室点火时预燃室应有较高的压力,同时应通过推力室燃料路的节流来减小燃烧室压力的上升速率;对于自身启动发动机,较高的入口压力有利于发动机启动。这些措施解决了富氧补燃循环发动机的启动问题,可供同类发动机的研制借鉴。     

油气比对燃气分析法燃烧效率、气态污染物测试精度的影响

在燃气分析单点测试偏差的基础上,针对燃气轮机、主燃烧室及加力燃烧室目前采用的取样方式的现状,建立了燃气分析法和流量法的油气比偏差对燃烧效率和气态污染物测试精度的影响规律。结果表明:对于采用移位机构进行测量的主燃烧室,流量法和燃气分析法油气比相差在5.1%以内时,说明有足够的测点密度,数据有效,此时的燃烧效率精度优于0.5%;对于加力燃烧室和整机测试,由于取样点不足,油气比偏差较大,燃烧效率的精度还取决于油气比和CO的体积分数。保证足够的取样点密度是燃气分析测试结果具有较高精度的前提。      

基于射流搅拌燃烧反应器加压条件下的航空煤油燃烧NOx排放

为了研究碳氢燃料燃烧产物NOx的排放,构建了射流搅拌燃烧反应器(JSCR)试验系统,并经过了初步验证.随后利用该试验系统对航空煤油RP-3的燃烧NOx排放进行了测试,射流搅拌燃烧反应器内压力为2×105 Pa和3×105 Pa,进口温度为650K,当量比范围为0.5~1.2.研究结果表明:在当量比为0.5~1.2范围内,航空煤油燃烧NOx排放先随当量比的增大而增多,在当量比为0.95附近达到最大值,随后减少;NOx排放随压力的增大而增多.同时,验证了该射流搅拌燃烧反应器可作为研究碳氢燃料燃烧产物的基础试验平台.     

自燃推进剂火箭发动机燃烧不稳定性研究

发展了自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）火箭发动机燃烧不稳定性的综合分析模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,研究了燃烧不稳定性的机理,提出了轴向声腔模型并对其抑制不稳定燃烧的特性进行了数值模拟研究,得到了声槽特性频率驿燃烧不稳定性的影响规律,描绘出声腔影响燃烧不稳定性的具体场景,数值模拟结果与理论分析及试车结果是相符的,对轴向声槽的分析设计将具有广泛的指导意义。     

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.      

Investigation of the loop combustion chamber

As a result of the experimental-theoretical study of the loop (countercurrent) combustion chamber of the gas turbine engine, the data and theoretical dependences are obtained on the change in the combustion completeness and combustion temperature in various operating modes.     

旋流杯设计参数对燃烧性能的影响

通过三维数值模拟和试验相结合的方法,针对航空发动机主燃烧室开展了火焰筒头部旋流杯设计参数对燃烧室性能影响的研究,其关键设计参数为副旋流器相对进气量和旋流数,关注的燃烧性能包括出口温度场分布、NOx排放量等.结果表明:数值计算获得的规律与试验的结论基本一致.随着副旋流器相对进气量的增加,主燃烧室出口温度场逐渐恶化,而NOx排放量略有降低;副旋流器旋流数偏离基准设计值时,出口温度场恶化,而NOx排放量随旋流数的增加而增加.     

涡扇发动机燃烧室三维冷态流场的计算

论述了某型号涡扇发动机带甩油盘燃烧室从建模到流场计算的整个过程，对半折流式环形燃烧室进行了冷态流场三维流动数值模拟，运用先进的数值计算软件，模拟甩油盘旋转甩油的过程，数值计算得到了燃烧室的速度场、总压恢复系数的分布以及燃油分布情况。为燃烧室的热态流场计算和燃烧室的设计、反设计及改型奠定了基础。     

MMH/NTO火箭发动机燃烧动态稳定性数值评定

应用脉冲枪不稳定燃烧模型对有／无声腔的MMH／NTO火箭发动机的燃烧稳定性进行了数值模拟,比较了3台MMH／NTO发动机的燃烧动态稳定性,计算与发动机的试车结果一致。     

内燃波转子技术对燃气涡轮发动机性能影响

为研究内燃波转子技术提高燃气涡轮发动机性能变化规律,建立内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环分析模型,开展内燃波转子通道出口气流马赫数、压气机压比等参数变化对燃气涡轮发动机性能的影响研究,探讨了内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环状态参数变化规律.研究结果表明:当压气机压比等于3.6时,发动机比推力和热循环总效率最大提高23.709%,耗油率最大减少19.165%;当通道出口气流马赫数等于0.6时,发动机比推力最大增幅达23.736%,此时压气机压比为4.4、发动机热循环总效率32.216%和耗油率减少24.366%,熵增减少7.864%,验证了内燃波转子技术能够提高燃气涡轮发动机总体性能.研究结果为深入开展内燃波转子燃气涡轮发动机基础理论和关键技术研究奠定基础.      

火焰稳定器相对参数对水冲压发动机燃烧及其内流场的影响

在水冲压发动机燃烧室中设置钝体火焰稳定器,可使部分已燃高温燃烧产物在火焰稳定器后部的回流区内不断点燃新鲜的可燃混合物,从而实现稳定高效燃烧。通过改变火焰稳定器相对金属燃料入口高度及相对一次进水位置,对比分析了相对入口高度和相对一次进水位置两种不同相对参数对于燃烧室内掺混、燃烧以及火焰稳定效果的影响。结果表明:当相对高度$H>\mathrm{1}$时,燃烧火焰无法稳定在回流区。当火焰稳定器相对位置不变时,在一定范围内,随着相对高度$H$减小,火焰稳定效果增加,且存在较优的相对高度($H=\mathrm{1}$)使燃烧室内的掺混效率和火焰稳定效果较好。当保持相对高度$H=\mathrm{1}$不变的情况下,综合考虑火焰稳定效果、铝/水掺混效率以及发动机工作性能,$L=\mathrm{0.5}$是较为理想的火焰稳定器相对位置。      

航空活塞汽油机燃烧特性优化

为优化某二冲程航空活塞汽油机的燃烧特性,研究了火花塞位置、火花塞数量以及火花塞布置方式等对其燃烧的影响。利用Pro-E和AVL Fire软件对该汽油机燃烧室建立了仿真模型,选取缸内压力数据验证了该模型的正确性,对火花塞不同的布置位置以及不同数量的火花塞等方案进行了仿真,对结果进行分析。结果表明:双火花塞布置方案比单火花塞布置方案更有利于组织快速燃烧,促进燃烧放热,缩短燃烧持续期;火花塞非对称布置方案比对称布置方案对火焰的形成及传播扩散更有利。      

基于时频分析探究点火对煤油发动机爆震的影响

在一台自主研发的活塞式航空煤油发动机上,基于瞬时放热率对爆震燃烧进行时频分析,探究了双火花塞点火策略对航空煤油发动机爆震燃烧的作用效果。试验结果表明,此款发动机在8.2~14.8 kHz频带内的放热率过高导致爆震燃烧的发生,推迟同步相位点火提前角降低了此频带内的瞬时放热率,从而抑制爆震;增大异步点火相位差能够逐渐降低发动机的爆震指数(KF)和爆震特征频带内的瞬时放热率;提高点火能量会略微增大爆震倾向,但在一定程度上可以提高发动机的动力性。      

煤油/空气脉冲爆震发动机强化燃烧装置

为了研究不同结构强化燃烧装置对煤油/空气混合物爆震起爆过程的影响, 选择适应于煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机使用的强化燃烧装置, 设计加工了几种不同结构的强化燃烧装置, 在内径100mm的爆震管内进行大量爆震试验.分析了不同结构强化燃烧装置的工作机理, 比较了不同强化燃烧装置对煤油/空气混合物爆震起爆过程的影响.研究结果为优化设计强化燃烧装置, 优化设计煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机原理样机提供了初步理论基础.      

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.     

补燃循环发动机强迫起动过程

以补燃循环液氧煤油发动机系统为研究对象,对其强迫起动特性进行了研究.建立了描述补燃循环发动机瞬变过程的数学模型,提出了求解推进剂供应管路瞬变流控制方程的Chebyshev伪谱方法.采用新的面向对象仿真语言Modelica,建立了可扩展的发动机仿真模型库,在MWorks平台上,利用模型库搭建了补燃循环液氧煤油发动机仿真模型.对发动机强迫起动过程进行了仿真计算,计算结果与试车数据基本相符,其中稳态相对误差小于4%,动态相对误差小于10%,初步验证了模型的正确性.进一步分析了火药起动器工作时间、阀门打开时序等因素对发动机起动过程的影响.结果表明,为保证该发动机可靠起动,发生器点火应在氧化剂头腔充填完成后,火药起动器工作时间应持续到发生器点火.