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关于现代航空发动机内涵道尾气处理装置的研究

发表时间：2020/1/9 来源：《电力设备》2019年第19期作者：王计伟王龙

[导读] 摘要：随着当今环境污染问题的加剧，我国各行各业都在为保护环境而尽量处理自己行业所产生的尾气，飞机发动机也不例外，随着我国合金、新材料、设计、3D模拟等技术的进步，我们可以对我国现行的现代航空发动机内涵道尾气处理装置进行一定的设计升级工作，这样可以进一步减少发动机尾气对我国环境的污染。

        (东方航空技术有限公司南苑分公司北京 102600)
        摘要：随着当今环境污染问题的加剧，我国各行各业都在为保护环境而尽量处理自己行业所产生的尾气，飞机发动机也不例外，随着我国合金、新材料、设计、3D模拟等技术的进步，我们可以对我国现行的现代航空发动机内涵道尾气处理装置进行一定的设计升级工作，这样可以进一步减少发动机尾气对我国环境的污染。本文对现代航空发动机内涵道尾气处理装置进行研究。
        关键词：现代航空；发动机；尾气处理
        一、基本设计理念
        本文所设计的航空发动机内涵道尾气处理装置是参考了当今汽车行业中最为广泛应用的三元催化装置来进行的相关设计，同时又结合我国当今航空发动机的特点，综合发动机尾气处理的前期经验以及教训，综合后研究设计出的一个适用于它们尾气处理的装置。因为该尾气处理装置是参考的汽车三元催化装置的设计原理来进行的设计，所以设计出来的发动机尾气处理装置简单实用，操作性强，同时设计使用的材料也和航空发动机所适用的材料契合度较高。因为汽车的三元催化装置也是在高温环境工作的，其工作环境与内涵道排气环境类似，所以二者的存在一定的相似性。综上所述，本文参考的三元催化装置是可以作为航空发动机尾气处理装置的基本设计理念。
        二、三元催化原理在航空发动机上的论证
        我们通过参考资料数据可知，GE90外涵道的气体可以为飞机提供80%的动力，加之该气体是直接排出所以它们几乎是无污染的，而内涵道则不同，因为其气体是由另一个单独的涵道排出，也就是这些气体会外接整流锥。所以，本文认为我们可以延长内涵道的排气口，并相应的加固整流锥，在符合空气流体力学的前提下来对尾气处理装置进行改进设计。当今汽车上运用的催化装置也就是三元催化器。其工作的基本原理就是，利用特定的金属作为催化剂，辅助陶瓷基载体，这样尾气中的污染气体就会与催化剂接触发应，无需外力，污染物就会被成功的转化成二氧化碳，氮气等气体，从而降低其尾气的污染物含量。而我们想要将这一技术应用到飞机的航空发动机内涵道的尾气处理装置中，那么我们首先就要解决该装置的材料选择、结构稳定性、震动等问题，本文就对这些问题进行了一定的探究。关于尾气处理装置的催化效率问题，参考的三元催化媒触反应的主要决定因素就是温度，而我们要设计使用的催化装置是要在5500到700摄氏度之间进行工作的。也就是该催化装置的三元催化剂会在500到7500摄氏度间工作，其工作效率是没有问题的。
        三、材料选择
        第一，尾气处理装置的外部材料可以使用与引擎整流罩相一致的铝合金材料，无需进行过多的更换。这样可以增加材料的一致性、亲和性，降低飞机引擎因材料问题而造成的不安全因素。第二，尾气处理装置所使用的催化剂也就是铂、铑、钯等贵重金属都是需要一定的载体来进行相应的安放以及位置规划的，载体材料可以选用汽车尾气处理的陶瓷材料，这样我们可以保证载体材料与催化剂拥有最好的契合度。第三，在发动机尾气处理装置的后部，因为要加装设备，所以引擎结构的稳定性也是需要进行验证的，如果有需要就要在其装置后部增加支撑结构来进行辅助支撑。支撑结构的材料也要是用航空航天经常使用的超高强度钢材可以，也只有这样我们才可以保证发动机在改进之后还可以有绝对的稳定性和安全性。延伸材料：出于安全以及材料契合度方面的考虑，本文所设计的尾气处理装置的外部材料是与GE90整流罩材料相同的铝合金材料。

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载体材料：因为本文所使用的铂、佬、把等贵重金属催化剂都是需要一定的载体来安放的，而陶瓷载体就十分适合来该装置的设计要求，同时经过查阅相关资料以及实验的验证，研究人员发现，陶瓷载体与铂、佬、把等贵重金属有着良好的契合度，这样尾气的处理效率也就会比较的高。同时本文还发现，因为航空发动机设计的特殊性要求，其载体也是要符合一定的要求才可以的，以应对可能出现的问题。像GE90的外涵道尾气温度就不会像汽车尾气温度那样的恒定，飞机在滑行、起飞、爬升、巡航、下降、落地等过程中温度也是随着功能的不同进行着一定的变化的，但是其总体的温度是保持在5000到750摄氏度之间的，而本文也查阅资料发现，本文所选用的陶瓷载体其对应的使用温度包含在这一范围内，也就是我们所使用的陶瓷载体面对金属载体的高温工作环境，耐受性以及抗过载性都十分良好，进而加之其与铂、铭、钯等催化剂良好的契合度。所以，本文决定选用拥有自主知识产权的陶瓷基A1合金来作为载体材料，该合金在具有陶瓷载体所有优势的前提下，其质量、韧度还要优于传统的陶瓷材料，可以保证装置与发动机的整体性所以十分的适用。催化剂材料：铂、铭、钯等贵重金属是本文经过总结以及筛选之后选择的尾气处理装置的内部催化剂，同时本文也查询相关的资料，发现在这三种金属时主催化物的前提下我们还可以选用Ce,La,Ba,Zr等助剂，这样这三种金属的热稳定性会更高，表面积损失也更小，金属聚集的可能性也更小。所以本设计就选用这些材料对飞机的尾气进行催化处理。
        钢架材料：因为民航客机巡航高度多在30000英尺，该高度的温度、压强相比于地面会低很多，而本文选用的钢架材料则是航空航天用超高强度钢，该种特种钢的抗拉强度在1400MPa、屈服强度在1200MPa，所以能够胜任尾气处理装置固定材料的重任。同时超高强度钢的高强度、高硬度、高断裂韧性可以保证我们尾气处理装置的强度，它的高延展性、高抗疲劳性能可以高抗腐蚀开裂性有可以保证该装置的安全性，所以总的来说选用该合金钢还是很必要的。而这其中Aermet100超高强度钢是最符合我们的设计要求的，其也是起落架、气体涡轮发动机主轴、机螺栓上使用最广的紧固件材料，所以本文就先用了该材料作为钢架材料。
        概念层面计算：本文根据GE90的基本参数以及它的流体力学基础参数，通过大数据处理以及分析后发现，其发动机的内涵道喷射气体流速大约是300m/s，而对应的空气温度是500摄氏度，其对应的空气密度是0.5到0.6kg/m3也就是比地面密度要低，而本文所设计的内涵道尾气处理装置的网格我们就假设其有100，那么我们设计的网格直径就要在0.098m左右，同时因为网格的形状是非规则的矩形，所以我们很难准确的计算出其对应的当量直径，也就是我们需要进一步的实验验证，而装置的装置管在0.4m左右，当高速气流通过时，其内所存在的气体压强会出现波动，也就是需要风洞模型验证。而我们进行电脑模拟时发现同时大数据得到的数据平均数中，我们所使用的钢密度是7.85kg/m3，而载体所使用的A1合金的密度在103kg/m3，这也就是说催化器的体积我们尾气处理装置总体积的5%,尚可以接受。由此可见，我们设计的尾气处理装置其会造成发动机出现一定的增重比，但是该水平都极低，对发动机、飞机的整体影响都很微小。所以，就理论设计层面上来说，本文所设计的尾气处理装置还是成功的。
        结束语
        因为本文的飞机发动机内涵道尾气处理装置的计算设计都是仅限于理论概念层面，所以本次设计的缺陷还是很多的，同时本文也缺乏专业的空气动力学分析，也没有风洞模型验证。所以，本文的尾气处理装置还是需要进行更专业的空气流体动力学以及CFD分析设计的，并不能直接应用于实际的飞机发动机改造设计之中，希望本文的设计可以为飞机发动机的尾气处理提供一定的理论基础。
        参考文献:
        [1]李泽厚,李春阳,欧阳健坤,等.关于现代航空发动机内涵道尾气处理装置的研究[J].内燃机与配件,2019(15):16-18.
        [2]谭伟伟,颜洪,聂智军,等.大型客机涡扇发动机动力特性模拟[J].航空学报,2019(01):91-102.