液氨_航煤涡轴发动机热力性能分析及化学回热器设计.pdfVIP

摘要

伴随日益加剧的温室效应以及严峻的环境问题，全球的能源供应体系亟需

更新换代，朝向清洁、可再生、低排放的方向发展，为此我国提出在2035年实

现碳排放量达到峰值、2050年实现碳排放中和的“双碳”目标，并出台了一系

列降低CO2排放的政策，以推动我国能源结构的调整与优化。而由于航空发动

机其尾气排放高度高，更易受卷积云以及大气环流的影响，其排放的温室气体

往往对环境产生更加严重的危害。因此，采用氢、氨等可再生燃料替代传统航

空煤油的航空发动机系统受到了广泛的关注和研究。但是，氢燃料的体积能量

密度低，储存与运输成本高，难以进一步在航空发动机中推广，尤其是具有高

推重比需求的发动机。而氨燃料燃烧性能不佳，易导致发动机推力性能与输出

功率的下降，在航空发动机中的应用也受到了一定的限制。

针对氢氨燃料在航空发动机中应用存在的问题，本文提出了一种液氨/航煤

双燃料回热涡轴发动机系统。该系统利用氨燃料裂解产生氢气以实现氢氨混合

燃烧，并以航空煤油作为辅助燃料，以改善发动机系统在起飞以及低空爬升状

态下的飞行性能。在该发动机系统的研究过程中，本文主要解决了三个关键性

问题：（1）高温高压工况下氨燃料对流传热规律及其在并联管流量分布特性的

实验研究；（2）液氨/航煤双燃料回热涡轴发动机热力循环设计及其性能计算；

（3）化学回热器设计及其在非设计工况下与发动机参数匹配性研究。

首先，在实验研究方面，本文搭建高温高压氨燃料流动裂解反应实验台，

对氨燃料的裂解率、热沉、传热系数与实验压力和流量之间的变化关系进行研

究，拟合得到了反应压力为3MPa、流量0.25~0.5g/s条件下氨燃料内部强制对

流传热的实验关联式。此外，本文还进一步研究该工况下氨燃料流经并联管的

流量分布特性，得到了涡轴发动机飞行工况下回热器再生冷却管道流量分布情

况与换热参数间的关系，为后续的回热器设计奠定理论基础。

其次，在液氨/航煤双燃料回热涡轴发动机热力循环研究方面，本文构建了

双燃料涡轴发动机的回热循环，并在问题（1）的研究基础上，建立了该热力循

环的部件级模型，完成了相应的模型准确性校核工作。校核结果表明，该模型

全工况下的最大误差约为2%，模型精度较高，可以用于后续的设计计算。之

后在现役T700涡轴发动机的基础上对双燃料回热涡轴发动机部件参数进行设

计，最终选取发动机的最佳压比为22，涡轮前温度为1700K，其最大输出功率

可提高约29.8%。

最后，本文根据回热器的结构特点，选定了回热器的构型，并建立了氨裂

解混合物的物性计算模型以及化学回热器的一维计算模型。结合发动机设计点

工况，设计了一种适用于涡轴发动机的液氨/航煤双燃料化学回热器。之后，进

一步研究其在非设计点工况下与发动机系统性能参数的匹配情况，通过调节液

氨、航煤的配比，使得涡轴发动机在低空低马赫数飞行的工况下，输出功率提

升约5%~15%。

关键词：涡轴发动机；氨燃料；回热循环；对流传热规律；化学回热器；参数

匹配性研究

Abstract

WiththeincreasinglyseriouseffectofGreenhousegasandsevereproblemsof

environmentalpollution,theglobalenergysupplysystemisinurgentneedto

evolvetowardstheclean,renewableandlow-emissionenergy.Accordingly,China

hasproposedthegoalofachievingcarbonemissionpeakby2035andcarbon

neutralby2050,andhasintroducedaseriesofpoliciestoreduceCO2emissionto

promotetheadjustmentandoptimizationoftheenergystructure.However,t