● 摘要
摘 要
主燃烧室是航空发动机的主要动力之源, 起着将化学能转化为热能的作用。航空发动机主燃烧室一般由扩压器、火焰筒、燃油喷嘴和燃烧室机匣等几大部件组成。随着发动机推重比的提高，其燃烧组织面临的问题越来越多，航空发动机排气对大气的污染也日趋严重，而且航空发动机的排放物具有污染严重和局部危害大的特点。因此,低污染燃烧技术是航空发动机尤其是民用航空发动机燃烧室设计的一项十分重要的关键技术，越来越受到人们的重视。无论是军机还是民机,其污染排放物主要包括CO、Nox、Sox、烟粒（soot）及未燃碳氢化合物（UHC）等。通过大量数值试验，了解和掌握所研制燃烧室的流动、燃烧过程及污染排放生成的机理，可为航空发动机低污染燃烧室的设计提供一条新的技术途径。
基于以上原因，本文采用理论分析、试验研究以及与CFD计算相结合的方法来研究航空发动机低污染燃烧技术，在对航空发动机及地面燃机进行系列化设计的基础上，对发动机燃烧室的排放特性进行了预估，系统研究了发动机燃烧室污染排放的生成机理和关键影响参数：首先开展了燃烧污染物排放的生成机理研究，然后进行了燃料对燃烧室污染排放的影响研究，在此基础上研究了分级燃烧和分层燃烧对污染排放的影响，实验研究径向旋流器面积、径向旋流器的旋流数对CO、Nox等污染物生成的影响。最后对高温升燃烧室排放特性进行了预估，初步研究了高温升条件下中心分级燃烧室、三旋流和四级旋流三种燃烧室对CO、Nox生成的影响。本文的研究工作主要包括如下几个部分：
第一部分是国内外低污染燃烧室研究状况的概述。本章通过收集整理国内外低污染燃烧的相关文献，了解和分析了低污染燃烧室的设计要求和技术指标、机理、国内外研究现状和发展趋势。特别是对美国GE公司Hukam Mongia团队研发的GEnx TAPS低污染燃烧室的设计思路和方法进行了详细分析。该燃烧室是基于双环预混旋流燃烧技术设计的，被公认为是最成功和最有可能满足CAEP7－WP11排放标准。本章分析了TAPS燃烧室的设计过程和所得出的结论，对低污染燃烧室设计思路和方法进行了挖掘分析。总结了影响燃烧室污染排放的主要因素。
第二部分是燃烧污染物排放的生成机理研究。本章对污染物中Nox、CO、烟粒的特点、生成机理和主要模型作了一些简要的介绍。
第三部分是燃料对燃烧室污染排放的影响研究。本章通过对航机不同燃料及不同工况下排放的数值模拟，获得了以航空煤油、轻柴油、工业酒精为燃料的航空发动机CO、Nox的生成规律及影响因素。
第四部分是地面燃机燃烧室污染排放特性研究。通过对地面燃机不同燃料及不同工况下排放的数值模拟，获得了以轻柴油、工业酒精、天然气为燃料的地面燃机，湍流流动、进气温度、燃烧室压力、燃烧室出口温度等因素对CO、Nox的生成的影响。
第五部分是分级燃烧对污染排放的影响研究。以径向分级的双环腔燃烧室为研究对象，保持发动机的压气机、涡轮、扩压器以及主燃烧室外机匣最大直径尺寸不变，将单环腔燃烧室重新设计成双环腔燃烧室, 采用与单环腔燃烧室相同物理模型，对双环腔燃烧室的流动和燃烧过程进行了三维数值模拟，研究了单环腔燃烧室改成双环腔燃烧室后对CO、Nox的生成的影响。研究结果表明，用双环腔燃烧室置换单环腔燃烧室后,其污染排放可明显降低。
第六部分是分层燃烧对污染排放的影响研究。结合低污染燃烧机理，逆向设计了基于分层燃烧的双环预混旋流燃烧室TAPS，对比研究了基于分层和分级燃烧机理的低污染燃烧室的排放性能，在保证与现有单环腔原型机燃烧室（SAC）扩压器尺寸、外机匣最大直径及燃烧室出口尺寸相同的情况下，分析了单环腔燃烧室SAC、双环腔燃烧室DAC、双环预混旋流燃烧室TAPS、中心分级燃烧室CSC以及三旋流燃烧室TSC五种燃烧室对CO、UHC、Nox排放的影响。研究结果表明， TAPS燃烧室的优势十分明显。
第七部分是污染排放特性的试验验证，对不同旋流器组合参数的燃烧室，实验研究燃烧效率、污染排放等性能参数，重点研究了径向旋流器面积、径向旋流器的旋流数对CO、Nox等污染物生成的影响。
第八部分是高温升燃烧室排放特性预估。对比研究了高温升条件下中心分级燃烧室、三旋流燃烧室和四级旋流燃烧室三种燃烧室对CO、Nox生成的影响。研究结果表明，采用分层燃烧的四级旋流燃烧室技术的优势十分明显，是一种很有发展前景的高温升低污染燃烧室。
第九部分是结论与展望，总结本文的相关研究成果，依据部件试验结果和CFD分析
结果对低污染燃烧室方案设计提出了倾向性意见。
这九大部分相互之间并不独立，试验结果可以为燃烧室的结构设计提供实际数据。数值计算可为燃烧室的结构设计提供理论基础等。随着国内外低污染燃烧室研究的发展，尤其是高温升条件下低污染燃烧研究的发展，将会有更多新的成果值得借鉴。