航空发动机燃烧稳定性及排放控制技术研究

航空发动机燃烧稳定性及排放控制技术研究

蔡涵鑫

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摘要：燃烧稳定性和排放控制是航空发动机设计和运行中面临的两大关键技术挑战。本文综述了航空发动机燃烧稳定性和排放控制技术的研究现状和发展趋势。首先分析了影响燃烧稳定性的主要因素，包括燃烧室结构、燃油雾化和混合、流场组织等，并总结了提高燃烧稳定性的控制策略。其次，介绍了航空发动机排放的主要组成和生成机理，评述了降低污染物排放的燃烧技术、后处理技术以及新概念燃烧室技术。最后，展望了航空发动机燃烧稳定性和排放控制技术的研究方向，包括燃烧诊断与测试技术、数值模拟方法、主动/被动控制方法等。本文可为航空发动机燃烧稳定性和排放控制技术的研究提供参考。

关键词：航空发动机；燃烧稳定性；排放控制；低污染燃烧；后处理技术

引言：航空发动机是飞机动力系统的核心，其性能直接影响飞机的安全性、经济性和环保性。在航空发动机研制过程中，燃烧稳定性和排放控制一直是两大关键技术问题。燃烧不稳定会引起压力脉动、振动等问题，严重时可导致发动机熄火、结构损坏等，威胁飞机安全。同时，航空发动机排放的氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃烃(UHC)等污染物对环境和人体健康造成危害，排放法规日益严格。因此，提高燃烧稳定性并降低污染排放，对于航空发动机的设计和发展至关重要。

1. 航空发动机燃烧稳定性研究

航空发动机的燃烧稳定性直接影响着飞机的安全性和可靠性。燃烧不稳定会引起压力脉动、热点、振动等问题，严重时可导致发动机熄火、结构损坏等，威胁飞机安全。因此，深入研究影响航空发动机燃烧稳定性的因素及控制策略具有重要意义。

燃烧室结构设计是影响燃烧稳定性的关键因素之一。合理的燃烧室结构可以优化流场组织，促进燃油雾化和混合，抑制燃烧不稳定模态。先进的燃烧室设计技术如分级燃烧、富油燃烧-快速淬火-贫油燃烧(RQL)等，可以在保证燃烧稳定性的同时，降低污染物排放。此外，燃油供给系统的设计也影响燃烧稳定性。燃油雾化质量直接决定了燃油与空气的混合均匀性，进而影响火焰的稳定性。高效的燃油雾化装置如空气辅助雾化、机械离心雾化等，可以显著提高燃油雾化性能，改善燃烧稳定性。

除了硬件设计外，燃烧控制策略也是保证燃烧稳定性的重要手段。基于动态压力传感器、火焰监测系统等获取的实时燃烧信息，可以实现燃烧过程的主动控制。常用的控制策略包括调节燃油流量、优化燃油喷射时序、改变空气配比等。先进的自适应控制算法可以根据不同工况下的燃烧状态，自动调整控制参数，实现最优的燃烧稳定性。

为了深入认识航空发动机燃烧稳定性特性，还需要开展大量的试验研究和数值仿真分析。高温高压燃烧试验台可以模拟发动机实际工作环境，获取燃烧不稳定特性数据。大涡模拟(LES)、直接数值模拟(DNS)等高精度数值计算方法，可以揭示燃烧不稳定的内在机理，优化燃烧室设计。

航空发动机燃烧稳定性研究涉及燃烧室结构设计、燃油雾化与混合、燃烧控制策略、试验诊断以及数值仿真等多个方面。深入开展基础理论研究和关键技术攻关，对于提升航空发动机性能和可靠性具有重要意义。未来，智能化、集成化的主动燃烧控制技术将成为航空发动机燃烧稳定性研究的重点方向。

2. 航空发动机排放控制技术

随着航空运输业的快速发展,航空器污染物排放对环境和人体健康的影响日益严重。航空发动机排放的主要污染物包括氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃烃(UHC)、颗粒物(PM)等。为了满足日益严格的排放法规要求,减少航空污染排放,亟需发展高效的航空发动机排放控制技术。

降低污染物生成是控制航空发动机排放的重要途径。影响污染物生成的主要因素包括燃烧温度、压力、燃空比、停留时间等。较高的燃烧温度有利于NOx的生成,而CO、UHC则在低温燃烧条件下容易产生。先进的低污染燃烧技术如贫油预混燃烧(LPP)、富油燃烧-快速淬火-贫油燃烧(RQL)、分级燃烧等,通过优化燃烧过程,抑制NOx等污染物的生成。此外,新型燃料如航空生物燃料、液化天然气等,也有助于减少污染物排放。

除了优化燃烧过程外,后处理技术是航空发动机排放控制的另一重要手段。选择性催化还原(SCR)技术利用还原剂将NOx转化为无害的氮气和水。NOx吸附剂可在贫燃状态下捕集NOx,在富燃状态下将其还原。二氧化碳捕集与封存(CCS)技术虽然在航空领域应用受限,但对于减缓气候变化具有重要意义。值得一提的是,传统柴油机上广泛使用的颗粒捕集器(DPF)技术目前已在航空发动机领域进行试验应用,为PM排放控制带来新的希望。

为了进一步提高航空发动机排放控制水平,新概念燃烧室技术受到广泛关注。低NOx燃烧室通过优化设计实现更加均匀的掺混,抑制高温区域的产生。无焰燃烧利用高度预混合的贫油燃烧模式,显著降低NOx生成。此外,先进的主动/被动控制方法如燃油分级、可变几何等,可实现发动机在不同工况下的低排放运行。

航空发动机排放控制技术的进步离不开先进的测试诊断技术支撑。传统的排放测试主要依赖发动机排气末端的采样分析。而先进的光学诊断技术如激光诱导荧光(LIF)、吸收光谱等,可实现对燃烧过程的原位、瞬态测量,揭示污染物生成机理。数值模拟方法如计算流体动力学(CFD)、化学反应动力学等,也为排放控制技术研发提供了有力工具。

3. 航空发动机燃烧稳定性和排放控制技术的发展方向

航空发动机燃烧稳定性和排放控制技术是未来航空动力技术进步的两大关键方向。随着航空业的快速发展和环保要求的不断提高,亟需发展新一代航空发动机燃烧技术,实现高稳定性、低排放运行。

燃烧诊断与测试技术是深入认识燃烧稳定性和排放特性的重要手段。未来需要发展高温高压燃烧试验装置,模拟真实发动机工况。先进的光学诊断技术如PLIF、LIF等,可实现对燃烧过程的实时、原位测量,揭示不稳定性机理和污染物生成机制。

高精度数值模拟方法是燃烧稳定性和排放控制技术研发的有力工具。大涡模拟(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法可提供燃烧过程的细节信息,揭示不稳定性的内在机理。而化学反应动力学模型则可深入认识污染物生成化学过程,指导低排放燃烧室设计。

智能主动/被动控制方法将是未来航空发动机燃烧控制的重要发展方向。主动控制利用压力、温度、火焰等传感器实时监测燃烧状态,通过调节燃油、空气等参数抑制不稳定性。被动控制则通过优化燃烧室结构、燃油喷射等,在设计阶段就消除不稳定因素。

结语：航空发动机燃烧稳定性和排放控制在飞机安全、经济和环保运行中起着关键作用。随着航空业的快速发展，对航空发动机的稳定性和排放指标提出了更高要求。本文综述了燃烧稳定性影响因素及控制策略、排放特征及控制技术的研究现状。未来航空发动机燃烧稳定性和排放控制技术的发展重点包括先进的燃烧诊断测试技术、高精度数值模拟方法以及智能主动/被动控制方法等。深入理解燃烧稳定性机理、探索新型低排放燃烧方式，发展高效排放后处理技术，将是航空发动机技术进步的重要推动力。

参考文献：

[1]孟博威,马虎,夏镇娟,等.基于连续爆震燃烧技术的航空发动机进展与前景分析[J].航空动力,2024,(02):21-24.

[2]力学所实现航空发动机燃烧器复杂内流的高保真数值模拟[J].高科技与产业化,2023,29(12):82.