CN103823978A - 替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法及其系统，该方法包括：基于航空燃料的历史经验数据和航空发动机的结构特征，获取与发动机系统安全性相关的关键安全参数，并建立从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，利用此映射关系获取了使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域，并通过敏感性分析对发动机系统关键安全参数进行分类并获得其测试条件。从而，基于大量历史经验得到了基于航空燃料的发动机系统关键安全参数的安全边界，做为判定准则对替代燃料的发动机系统关键安全参数区域进行安全性判定。本发明在降低认证流程燃料成本和时间成本基础上，提供了航空替代燃料认证所需的测试条件及验收准则。

Description

替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法及其系统

技术领域

本发明涉及替代能源、航空安全、适航技术交叉领域，具体涉及一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法及其系统。

背景技术

发展航空替代燃料尤其是可再生生物基燃料是实现多元化航空能源供给并确保国家能源安全的重要保障。另外，全球气候变化也给航空运输业提出新目标，该目标的实现如果仅靠航空发动机和飞机的轻量化和性能的提高是无法达到的，还必须依赖生物质航空替代燃料。

对于航空燃料市场而言，“即用性”燃料是很有前途的，因为使用这些燃料不需要改变航空发动机、飞机以及基础设施的结构。美国材料与试验协会出版了针对合成碳氢燃料的标准ASTM7566（《包含合成碳氢燃料的航空涡轮燃料的标准规范》），并在理化特性测试、适用性测试、热端测试、部件测试以及整机测试方面更新了标准ASTM4054-09（《新型航空涡轮燃料认证与审批的标准规程》）。

但是，在当前的认证流程中主要存在3个问题。

问题1：高燃料精制成本，导致市场竞争力低。基于几十年航空煤油使用经验，建立并完善了石油馏分的航空燃料测试标准（ASTM1655），在此基础上，制定了《包含合成碳氢燃料的航空涡轮燃料的标准规范》（ASTM7566-13）。标准中虽然没有规定替代燃料的化学组成，但是规定了理化特性的应用范围，也就在一定程度上限制了其化学组成。因此，为了控制替代燃料的化学组成，精炼工艺变得非常冗繁。因此，从原料到喷气燃料整个工艺过程需要进一步优化，以有利于航空燃料生产过程的商业化，降低工艺成本。

问题2：燃料测试成本较高。根据标准ASTM D4054，认证过程（理化特性测试、适用性测试、热端测试、部件测试和整机测试）需要22500加仑的替代燃料，这给燃料生产者带来巨大负担。此外，替代燃料安全认证过程还需将安全分析预测和测试数据进行耦合共同认证。

问题3：未明确测试条件和验收准则。尽管有限测试并不能验证替代燃料的安全性，且在热端测试、部件测试和整机测试中所列出的测试项目并没有给出测试条件或者可接受的验收准则，因而很难对“即用性”燃料进行认证。标准规范中虽限定原始设备制造商承担主要安全责任，且他们控制测试条件或可接受的验收准则，但是他们只能承担自己设计制造发动机的安全，是否所有发动机都需要测试，也未给出明确说明。

因此，如何解决上述问题，提供一种有效的替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法，乃业界所致力的课题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法，该方法能够在降低认证流程燃料成本和时间成本的基础上，提供测试条件及验收准则。另外，还提供了一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法，包括：步骤一，基于航空燃料的历史经验数据和航空发动机的结构特征，获取与发动机系统安全性相关的关键安全参数，并基于关键安全参数得到发动机系统的关键安全参数空间，其中，所述关键安全参数包括发动机级关键安全参数和部件级关键安全参数；步骤二，利用航空燃料的历史经验数据，基于所述步骤一中获取的发动机系统关键安全参数空间，获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并在此过程中，确定所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，其中，所述映射关系包括航空燃料的组成空间和基础理化特性的映射关系、航空燃料的基础理化特性与燃烧室部件性能的映射关系、以及燃烧室部件性能与航空燃料的发动机系统关键安全参数的映射关系；步骤三，利用所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，获取使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域，基于所述步骤二中所得到的航空燃料的发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域对替代燃料进行安全性判定。

在一个实施例中，在所述步骤二中，进一步包括：

建立所述航空燃料的组成空间和基础理化特性的数据库和映射关系；

基于所述航空燃料的基础理化特性和组成空间的数据库对所述航空燃料的基础燃烧性能数据进行统计、测试，并建立基于所述航空燃料的组成空间的理化特性数值的数值模拟模型；

根据现役航空发动机的燃烧室结构，采用相似准则提炼标准缩比燃烧室，基于所述标准缩比燃烧室建立三维瞬态燃烧室模型，以所述航空燃料的基础燃烧性能数据和所述航空燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，然后通过标准燃烧室试验数据以校正所建立的三维瞬态燃烧模型；

根据现役航空发动机的结构，采用相似准则缩比得到标准缩比发动机，然后，根据使用航空燃料建立的发动机一体化模型为基础，用标准缩比发动机建立标准发动机一体化模型，通过标准发动机试验和航空发动机一体化模型仿真的数据以校正所建立的标准发动机一体化模型，其中，所述标准发动机一体化模型为：包括所述三维瞬态燃烧室模型的一次流空气系统、以及二次流空气系统瞬态耦合的发动机模型；

利用所述标准发动机一体化模型及所述航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并校正从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系。

在一个实施例中，在所述步骤三中，通过以下步骤获取使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域：

根据步骤二所建立的航空燃料的组成空间与基础理化特性的映射关系，获得替代燃料的基础理化特性；

根据步骤二所建立的三维瞬态燃烧模型，以所述替代燃料的基础燃烧性能数据和所述替代燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，获得满足标准发动机一体化模型输入条件的性能参数；

利用三维瞬态燃烧模型输出的燃烧室部件性能参数数据，基于所述步骤二建立的标准发动机一体化模型，获取所述替代燃料发动机系统关键安全参数空间的工作区域。

在一个实施例中，在利用所述标准发动机一体化模型及所述航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域的步骤中，进一步包括：

利用所述标准发动机一体化模型及所述航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作边界；

对所述发动机系统关键安全参数空间的安全工作边界进行全局敏感性分析，将所述安全工作边界划分为：依赖燃料且依赖发动机的安全边界、依赖燃料且不依赖发动机的安全边界、以及不依赖燃料且依赖发动机的安全边界。

在一个实施例中，在所述步骤三中，通过以下步骤对替代燃料进行安全性判定：

将所述发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域和使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域进行对比；

若所述发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域覆盖使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域，则判定该替代燃料满足发动机的安全性需要，否则，判定该替代燃料不满足发动机的安全性需要。

在一个实施例中，还包括：在替代燃料满足发动机的安全性需要时，还进行与发动机和/或航空器有关的其他必要附加测试。

在一个实施例中，还包括：在替代燃料不满足发动机的安全性需要时，通过以下步骤对所述替代燃料进行改进：分析发动机关键安全参数对该替代燃料的燃料理化特性的安全敏感程度；利用分析得到的结果，基于原料、工艺和燃料系统设计操纵安全敏感性高的理化特性以改进燃料安全性水平。

在一个实施例中，还包括：利用分析得到的结果，基于原料、工艺和燃料系统设计操纵安全敏感性低的理化特性以降低精制成本。

根据本发明的另一方面，还提供了一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证系统，包括：

安全参数空间确定模块，其基于航空燃料的历史经验数据和航空发动机的结构特征，获取与发动机系统安全性相关的关键安全参数，并基于关键安全参数得到发动机系统的关键安全参数空间，其中，所述关键安全参数包括发动机级关键安全参数和部件级关键安全参数；

发动机安全区域获取模块，其利用航空燃料的历史经验数据，基于所获取的发动机系统关键安全参数空间，获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并在此过程中，确定所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，其中，所述映射关系包括航空燃料的组成空间和基础理化特性的映射关系、航空燃料的基础理化特性与燃烧室部件性能的映射关系、以及燃烧室部件性能与航空燃料的发动机系统关键安全参数的映射关系；

替代燃料工作区域获取模块，其利用所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，获取使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域；

安全性判定模块，其基于所得到的航空燃料的发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域对替代燃料进行安全性判定。

在一个实施例中，所述发动机安全区域获取模块进一步包括：

数据建立单元，其建立所述航空燃料的基础理化特性和组成空间的数据库和映射关系；

数值模拟模型建立单元，其基于所述航空燃料的基础理化特性和组成空间的数据库对所述航空燃料的基础燃烧性能数据进行统计、测试，并建立基于所述航空燃料的组成空间的理化特性数值的数值模拟模型；

三维瞬态燃烧模型建立单元，其根据现役航空发动机的燃烧室结构，采用相似准则提炼标准缩比燃烧室，基于所述标准缩比燃烧室建立三维瞬态燃烧室模型，以所述航空燃料的基础燃烧性能数据和所述航空燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，然后通过标准燃烧室试验数据以校正所建立的三维瞬态燃烧模型；

标准发动机一体化模型建立单元，其根据现役航空发动机的结构，采用相似准则缩比得到标准缩比发动机，然后，根据使用航空燃料建立的发动机一体化模型为基础，用标准缩比发动机建立标准发动机一体化模型，通过标准发动机试验和航空发动机一体化模型仿真的数据以校正所建立的标准发动机一体化模型，其中，所述标准发动机一体化模型为：包括所述三维瞬态燃烧室模型的一次流空气系统、以及二次流空气系统瞬态耦合的发动机模型；

安全区域获取单元，其利用所述标准发动机一体化模型及所述航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并校对从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明所提出的一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法，该方法在航空替代燃料的安全性认证过程，在降低认证流程燃料成本和时间成本的基础上，提供测试条件及验收准则。此外，本发明还将为生物燃料制备技术及其与航空发动机安全性之间提供耦合技术方法，以指导航空替代燃料生产，降低燃料制造成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法的流程示意图；

图2是用于说明图1所示认证方法的各个步骤的说明框图；

图3是根据本发明另一实施例的替代燃料在航空发动机中安全性的认证系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

需要说明的是，本发明的目的在于提出一种用于评价航空替代燃料发动机安全性的评价方法。通过建立发动机系统安全性评估方法，从例如传统航空煤油中获取得到评价燃料安全性能的验收准则，并以此预测替代燃料在航空发动机中的安全性及适用性。本发明将提出一种基于三维瞬变燃烧模型的发动机整机数值模型，此数值模型一方面用于在大量航空煤油运行经验基础上提炼发动机安全工作边界，形成燃料安全性判定准则；另一方面可应用于对替代燃料航空发动机安全性进行分析，并与用于整机测试的标准发动机相匹配。进而，根据航空发动机一体化模型进行安全敏感性分析及替代燃料性能特点，建立替代燃料生产和分配优化方法。

第一实施例

图1是根据本发明第一实施例的替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法的流程示意图，图2是根据本发明第一实施例的替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法中各个步骤详细说明框图。

如图1所示，该认证方法包括以下几个步骤。

步骤S110，基于航空燃料的历史经验数据和航空发动机的结构特征，获取与发动机系统安全性相关的关键安全参数，并基于关键安全参数得到发动机系统的关键安全参数空间（如图2中的标号10所示）。

在本实施例中，航空燃料优选为航空煤油，然而，容易理解，不限于航空煤油，本领域技术人员可以根据实际需要，采用其他适用于航空飞行的燃料来提炼发动机的关键安全参数，在此不一一举例。

如图2的标号10所示，首先基于有关系统安全性评估和专家经验的数据文件得到发动机关键安全（以下简称SCPs）参数辨识。其中，该SCPs参数包括发动机级辨识和部件级辨识。发动机级SCPs参数包括但不仅限于：推力响应、压气机喘振裕度、二次流空气系统的总引气比、最大压力、排气温度（EGT）和转子轴向力等。部件级SCPs参数包括但不仅限于：高压涡轮盘（例如转子转速、涡轮进口温度分布、高压涡轮盘腔冷却空气进口雷诺数和进口温度等）；燃烧室部件验证测试（例如燃油系统的燃油控制、燃油泵、燃油喷嘴以及燃烧室冷启动性能，贫油熄火边界、高空再起动性能、涡轮前温度分布、燃烧效率、积碳路径、排放物含量测和高空启动辅助动力装置）。

另外，发动机使用安全性的空间集合包括在整个飞行包线内三个维度的发动机级（部件级）关键安全参数：发动机运行阶段、环境和应急。因此，可以通过基于统计数据和专家经验的后果评估，识别各发动机级（部件级）工作参数在不同发动机运行阶段、不同环境和应急构型下对发动机安全性的影响，并根据适航规章中（例如CCAR33.75）对发动机后果严重性的相应要求确定发动机关键安全参数集合，进而得到发动机系统的关键安全参数空间。

步骤S120，利用航空煤油的历史经验数据，基于步骤S110获取的发动机系统关键安全参数空间，获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并在此过程中，确定所建立的从航空煤油到发动机系统关键安全参数空间的映射关系。

其中，在本实施例中，映射关系包括航空燃料（例如航空煤油）组成空间与基础理化特性的映射关系、航空燃料的基础理化特性与燃烧室部件性能的映射关系、以及燃烧室部件性能与航空燃料的发动机系统关键安全参数的映射关系。

本步骤的目的是利用大量航空煤油的实际运行经验提炼发动机系统的关键安全参数空间的安全边界，使之成为替代燃料航空发动机安全性的判定准则。

具体地，需要对关键安全参数空间的安全边界进行全局敏感性分析，将航空发动机关键安全参数空间（发动机级及部件级）的操作安全边界分为：依赖燃料和依赖发动机的安全边界、依赖燃料而不依赖发动机的安全边界、不依赖燃料而依赖发动机的安全边界。对于依赖燃料和依赖发动机的安全边界，在进行理化性能测试后，还需要进行标准燃烧室测试和标准发动机测试，通过燃烧模型和发动机一体化模型分析其最敏感区域的运行条件，从而确定测试依赖发动机的关键安全参数的测试条件，在此条件下验证替代燃料性能对发动机安全性的影响。对于依赖燃料而不依赖发动机的安全边界，可只进行替代燃料的理化性能测试。由于是针对燃料对发动机安全性的影响，故对于不依赖燃料而依赖发动机的安全边界就可以不需要进行任何测试。

请参考图2所示的标号20，该步骤具体包括以下几个子步骤：

（1）建立航空煤油组成及燃料理化特性的数据库和映射关系：通过统计数据和理化特性测试的历史数据统计获得组成及燃料理化特性的数据库，对航空燃料的基础燃烧性能数据进行统计、测试，并建立基于航空燃料的组成空间且满足燃烧数值模拟输入精度要求的理化特性数值的数值模拟模型。

（2）对航空煤油的基础燃烧性能数据进行统计及测试：利用通过基础燃烧试验所得的历史数据统计获得燃料基础燃烧性能工作区间，并建立燃料理化特性空间与燃料基础燃烧性能工作区间的映射关系。其中，燃料基础燃烧性能包括但不限于：点火性能、着火熄火边界、火焰传播速度等。

（3）基于基础理化特性建立三维瞬态燃烧室模型：根据现役航空发动机的燃烧室结构，采用相似准则提炼标准缩比（小型）燃烧室。基于标准缩比燃烧室建立三维瞬态燃烧室模型，以航空煤油的基础理化数值和基础燃烧性能数据为输入，燃烧室部件性能参数为输出，然后通过标准燃烧室试验数据以校正所建立的三维瞬态燃烧模型。

需要说明的是，该模型的精度要求在整个发动机飞行剖面中对发动机关键安全参数模拟中应达到足够精度。

（4）基于三维瞬态燃烧模型建立包含三维瞬态燃烧室模型的标准发动机一体化模型：根据现役发动机结构，采用相似准则从真实发动机抽象缩比得到标准缩比发动机，其中，相似准则参数包括但不限于：换算转速、几何参数、努赛尔数等。然后，根据使用航空煤油建立的发动机一体化模型为基础，用标准缩比发动机建立标准发动机一体化模型。标准发动机一体化模型是一次流与二次流空气系统瞬态耦合的发动机模型，具有多尺度部件模型与多维度部件模型并存的特点。

该标准发动机一体化模型将一次流空气系统（包括三维瞬态燃烧室模型）与二次流空气系统瞬态控制方程组耦合，为获取发动机瞬态共同工作点。控制方程主要包括但不限于部件内及部件间流量平衡、部件内及部件间功率平衡、部件内流动工质动量守恒、转子角动量守恒等。

需要说明的是，除了燃烧室模型是三维瞬态模型外，其余燃烧室部件模型均为零维瞬态模型，与燃烧室相邻部件的零维瞬态模型（包括高压压气机及高压涡轮）与燃烧室三维瞬态模型交互时需将交互数据进行数据缩放（通过数据缩放模型完成维度放大与维度缩减）。

并且，该标准发动机一体化模型需要经过瞬态燃烧室试验和标准缩比发动机试验的数据标定（校对），进行燃料理化特性对发动机关键安全参数影响的分析，并且可以捕捉燃烧室和发动机其余部件的详细瞬态交互。

步骤（3）和步骤（4）提供了缩小化的标准燃烧室和标准发动机，从而缩减了替代燃料的测试成本。

（5）判定准则和测试条件的提取：通过标准发动机一体化模型及大量航空煤油运行实际统计数据得到发动机关键安全参数空间的安全操作区间，即发动机安全边界与安全裕度，从而成为航空发动机安全性判定准则，并校正从航空燃料到发动机关键安全参数空间的映射关系。该步骤为替代燃料的发动机安全性提供了判定准则。

把关键安全参数空间的安全边界和安全裕度作为目标，把燃料理化特性作为变量，进行全局敏感性分析，将航空发动机关键安全参数空间（发动机级及部件级）的操作安全边界分为依赖燃料和依赖发动机的安全边界、依赖燃料而不依赖发动机的安全边界以及不依赖燃料而依赖发动机的安全边界。对于依赖燃料和依赖发动机的安全边界，例如热值或粘度，分析其最敏感区域的发动机运行条件，从而确定测试依赖发动机关键安全参数的测试条件。依赖燃料而不依赖发动机的安全边界，可直接通过理化性能测试来确定，例如：冰点。

步骤S130，利用步骤S120所建立的所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，获取使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域，基于步骤S120所得到的发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域对替代燃料进行安全性判定。

具体地，首先需要获取使用替代燃料的发动机关键安全参数的工作区域，请参考图2的标号30，该步骤与步骤S120的步骤大体相同，只是将涉及航空煤油的数据替换为关于替代燃料的数据。该步骤通过在步骤S120的第5步中输入替代燃料的理化数据和组分数据，从而得到使用替代燃料的发动机关键安全参数的工作区域。

更具体地，首先，根据步骤S120所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，获得替代燃料的基础理化特性。然后，根据步骤S120所建立的三维瞬态燃烧模型，以替代燃料的基础燃烧性能数据和替代燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，获得满足标准发动机一体化模型输入条件的性能参数。最后，利用三维瞬态燃烧模型输出的燃烧室部件性能参数数据，基于步骤S120建立的标准发动机一体化模型，获取替代燃料发动机系统关键安全参数空间的工作区域。

需要说明的是，对于依赖发动机和依赖燃料的关键安全参数，需要附加缩小化的标准部件测试及缩小化的发动机测试，例如表征燃料性能的理化指标热值、粘度、表面张力、密度，其理化数值即使在理化标准规定的范围内，但其耦合之后对点火、熄火边界、燃烧室温度场分布都有影响，从而影响发动机安全性和动力性能。由于点火、熄火边界、燃烧室温度场还与燃烧室和发动机耦合相关，故需要附加缩小化标准部件测试及缩小化发动机测试。对于不依赖发动机仅依赖燃料的关键安全边界，可直接通过理化测试进行判定，例如理化指标冰点，其表征的是油的物理形态，其只要在高空低温条件下保持流动状态，及冰点低于-47℃，就不影响燃烧性能及相应发动机性能的变化。故就不需要进行发动机性能测试。然后，将使用航空煤油的航空发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域和使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域进行对比，根据这两个区域的覆盖关系从而判断替代燃料是否满足发动机的安全性要求。

如图2所示的标号40，在使用航空煤油的航空发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域覆盖使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域时，则该替代燃料通过安全性测试。另外，对于测试与发动机和飞机有关的其他测试，还需要进行其他的必要附加认证测试，然后进行TSO认证等，例如高空点火性能、推力响应等。若未覆盖，则对该替代燃料进行改进，也就是进行关键安全参数对替代燃料理化特性的敏感性分析，然后基于敏感性分析改进航空替代燃料的理化特性。

由于在本实施例中提供了替代燃料改进的方法，这样能够降低替代燃料的生产成本。替代燃料的改进有两层含义，分别是安全水平的提高和精制成本的缩减。为了改进替代燃料，如上所述，应先基于航空发动机一体化模型进行全局敏感性分析，分析发动机关键安全参数对替代燃料的燃料理化特性的敏感程度。一方面，利用全局敏感性分析结果，通过原料、工艺和燃料系统设计操纵安全敏感性高的理化特性以改进燃料安全性水平。另一方面，利用全局敏感性分析结果，通过原料、工艺和燃料系统设计操纵安全敏感性低的理化特性以降低精制成本。这种缩减成本的做法产生的安全性影响可忽略。

为了进一步理解本发明的认证过程和特点，下面具体说明几个示例。

示例1

以下是针对费托航空燃料在航空发动机中安全性的认证流程，下面边参考图2边说明安全性认证过程。

1、建立航空煤油的基础理化特性及组成空间数据库，通过收集、统计、离散分析大量航空煤油的基础理化特性及组成空间，建立航空煤油的基础理化特性及组成空间数据库。

2、将航空煤油的基础理化测试数据空间带入标准燃烧室模型，将输出的燃烧室性能参数带入一体化模型，得到发动机关键安全参数群的安全操作区间。把关键安全参数群的安全边界和裕度作为目标，把燃料基础理化特性作为变量，进行全局敏感性分析，将航空发动机关键安全参数空间（发动机级及部件级）的操作安全边界分为依赖燃料和依赖发动机的安全边界、依赖燃料而不依赖发动机的安全边界、不依赖燃料而依赖发动机的安全边界。对于依赖燃料和依赖发动机的安全边界，分析其最敏感区域的发动机运行条件，从而确定测试依赖发动机关键安全参数的测试条件。对于依赖发动机依赖燃料的关键安全参数，还需要附加缩小化的标准部件测试及缩小化的发动机测试；依赖燃料而不依赖发动机的安全边界，可直接通过理化性能测试来确定。

3、将费托航空油的基础理化测试数据空间带入标准燃烧室模型，将输出的燃烧室性能参数带入一体化模型，得到发动机关键安全参数群的安全操作区间。把关键安全参数群的安全边界和裕度作为目标，把燃料基础理化特性作为变量，进行全局敏感性分析，将航空发动机关键安全参数空间（发动机级及部件级）的操作安全边界分为依赖燃料和依赖发动机的安全边界、依赖燃料而不依赖发动机的安全边界、不依赖燃料而依赖发动机的安全边界。

使用航煤的航空发动机安全边界和使用费托航空油的发动机工作区域进行对比，对比这两个区域的覆盖关系从而判断费托航空油是否满足发动机的安全性要求。

示例2

以下是针对加氢可再生航空煤油在航空发动机中安全性的认证流程，下面边参考图2边说明安全性认证过程：

1、建立航空煤油的基础理化特性及组成空间数据库。通过收集、统计、离散分析大量航空煤油的基础理化特性及组成空间，建立航空煤油的基础理化特性及组成空间数据库。

2、将航空煤油的基础理化测试数据空间带入标准燃烧室模型，将输出的燃烧室性能参数带入一体化模型，得到发动机关键安全参数群的安全操作区间。把关键安全参数群的安全边界和裕度作为目标，把燃料基础理化特性作为变量，进行全局敏感性分析，将航空发动机关键安全参数空间（发动机级及部件级）的操作安全边界分为依赖燃料和依赖发动机的安全边界、依赖燃料而不依赖发动机的安全边界、不依赖燃料而依赖发动机的安全边界。对于依赖燃料和依赖发动机的安全边界，分析其最敏感区域的发动机运行条件，从而确定测试依赖发动机关键安全参数的测试条件。对于依赖发动机依赖燃料的关键安全参数，还需要附加缩小化的标准部件测试及缩小化的发动机测试；依赖燃料而不依赖发动机的安全边界，可直接通过理化性能测试来确定。

3、将加氢再生航空煤油的基础理化测试数据空间带入标准燃烧室模型，将输出的燃烧室性能参数带入一体化模型，得到发动机关键安全参数群的安全操作区间。把关键安全参数群的安全边界和裕度作为目标，把燃料基础理化特性作为变量，进行全局敏感性分析，将航空发动机关键安全参数空间（发动机级及部件级）的操作安全边界分为依赖燃料和依赖发动机的安全边界、依赖燃料而不依赖发动机的安全边界、不依赖燃料而依赖发动机的安全边界。

使用航煤的航空发动机安全边界和使用加氢再生航空煤油的发动机工作区域进行对比，对比这两个区域的覆盖关系从而判断加氢再生航空煤油是否满足发动机的安全性要求。

综上所述，本发明所提出的一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法，有助于航空替代燃料的认证过程，在降低认证流程燃料成本和时间成本的基础上，提供测试条件及验收准则。此外，本发明还将为生物燃料制备技术及其与航空发动机安全性之间提供耦合技术方法，以指导航空替代燃料生产，降低燃料制造成本。

第二实施例

图3是根据本发明另一实施例的替代燃料在航空发动机中安全性的认证系统的结构示意图，下面参考图3，来说明该认证系统的结构和功能。

如图3所示，该认证系统包括安全参数空间确定模块31、发动机安全区域获取模块33、替代燃料工作区域获取模块35、安全性判定模块32、附加认证模块37以及燃料改进模块39。

其中，安全参数空间确定模块31，其基于航空燃料的历史经验数据和航空发动机的结构特征，获取与发动机系统安全性相关的关键安全参数，并基于关键安全参数得到发动机系统的关键安全参数空间，其中，关键安全参数包括发动机级关键安全参数和部件级关键安全参数。

发动机安全区域获取模块33，其利用航空燃料的历史经验数据，基于所获取的发动机系统关键安全参数空间，获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并在此过程中，确定所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，其中，所述映射关系包括航空燃料的组成空间和基础理化特性的映射关系、航空燃料的基础理化特性与燃烧室部件性能的映射关系、以及燃烧室部件性能与航空燃料的发动机系统关键安全参数的映射关系。

虽然未在图中示出，该发动机安全区域获取模块33进一步包括：

数据建立单元，其建立航空燃料的基础理化特性和组成空间的数据库和映射关系。

数值模拟模型建立单元，其基于航空燃料的基础理化特性和组成空间的数据库对航空燃料的基础燃烧性能数据进行统计、测试，并建立基于航空燃料的组成空间的理化特性数值的数值模拟模型。

三维瞬态燃烧模型建立单元，其根据现役航空发动机的燃烧室结构，采用相似准则提炼标准缩比燃烧室，基于标准缩比燃烧室建立三维瞬态燃烧室模型，以航空燃料的基础燃烧性能数据和所述航空燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，然后通过标准燃烧室试验数据以校正所建立的三维瞬态燃烧模型。

标准发动机一体化模型建立单元，其根据现役航空发动机的结构，采用相似准则缩比得到标准缩比发动机，然后，根据使用航空燃料建立的发动机一体化模型为基础，用标准缩比发动机建立标准发动机一体化模型，通过标准发动机试验和航空发动机一体化模型仿真的数据以校正所建立的标准发动机一体化模型，其中，所述标准发动机一体化模型为：包括所述三维瞬态燃烧室模型的一次流空气系统、以及二次流空气系统瞬态耦合的发动机模型。

安全区域获取单元，其利用标准发动机一体化模型及航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并校对从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系。进一步，该安全区域获取单元利用标准发动机一体化模型及航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作边界，然后，对发动机系统关键安全参数空间的安全工作边界进行全局敏感性分析，将安全工作边界划分为：依赖燃料且依赖发动机的安全边界、依赖燃料且不依赖发动机的安全边界、以及不依赖燃料且依赖发动机的安全边界。

替代燃料工作区域获取模块35，其利用所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，获取使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域。该模块的结构与上述发动机安全区域获取模块33的结构大体一致，只是其所针对的是替代燃料。

该替代燃料工作区域获取模块35进一步执行以下操作：首先，根据所建立的航空燃料的组成空间与基础理化特性的映射关系，获得替代燃料的基础理化特性。然后，根据所建立的三维瞬态燃烧模型，以替代燃料的基础燃烧性能数据和替代燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，获得满足标准发动机一体化模型输入条件的性能参数。最后，利用三维瞬态燃烧模型输出的燃烧室部件性能参数数据，基于建立的标准发动机一体化模型，获取替代燃料发动机系统关键安全参数空间的工作区域。

安全性判定模块32，其基于所得到的航空燃料的发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域对替代燃料进行安全性判定。

进一步，安全性判定模块32将发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域和使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域进行对比。若发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域覆盖使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域，则判定该替代燃料满足发动机的安全性需要，否则，判定该替代燃料不满足发动机的安全性需要。

附加认证模块37，其在替代燃料满足发动机的安全性需要时，还进行与发动机和/或航空器有关的其他必要附加测试。

燃料改进模块39，其在替代燃料不满足发动机的安全性需要时，通过以下操作对替代燃料进行改进：分析发动机关键安全参数对该替代燃料的燃料理化特性的安全敏感程度；利用分析得到的结果，基于原料、工艺和燃料系统设计操纵安全敏感性高的理化特性以改进燃料安全性水平。或者，利用分析得到的结果，基于原料、工艺和燃料系统设计操纵安全敏感性低的理化特性以降低精制成本。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证方法，包括：

步骤一，基于航空燃料的历史经验数据和航空发动机的结构特征，获取与发动机系统安全性相关的关键安全参数，并基于关键安全参数得到发动机系统的关键安全参数空间，其中，所述关键安全参数包括发动机级关键安全参数和部件级关键安全参数；

步骤二，利用航空燃料的历史经验数据，基于所述步骤一中获取的发动机系统关键安全参数空间，获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并在此过程中，确定所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，其中，

所述映射关系包括航空燃料的组成空间和基础理化特性的映射关系、航空燃料的基础理化特性与燃烧室部件性能的映射关系、以及燃烧室部件性能与航空燃料的发动机系统关键安全参数的映射关系；

步骤三，利用所建立的从航空燃料组成到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，获取使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域，基于所述步骤二中所得到的航空燃料的发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域对替代燃料进行安全性判定。

2.根据权利要求1所述的认证方法，其特征在于，在所述步骤二中，进一步包括：

建立所述航空燃料的组成空间与基础理化特性的数据库和映射关系；

基于所述航空燃料的基础理化特性和组成空间的数据库对所述航空燃料的基础燃烧性能数据进行统计、测试，并建立基于所述航空燃料的组成空间的理化特性数值的数值模拟模型；

根据现役航空发动机的燃烧室结构，采用相似准则提炼标准缩比燃烧室，基于所述标准缩比燃烧室建立三维瞬态燃烧室模型，以所述航空燃料的基础燃烧性能数据和所述航空燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，然后通过标准燃烧室试验数据以校正所建立的三维瞬态燃烧模型；

根据现役航空发动机的结构，采用相似准则缩比得到标准缩比发动机，然后，根据使用航空燃料建立的发动机一体化模型为基础，用标准缩比发动机建立标准发动机一体化模型，通过标准发动机试验和航空发动机一体化模型仿真的数据以校正所建立的标准发动机一体化模型，其中，所述标准发动机一体化模型为：包括所述三维瞬态燃烧室模型的一次流空气系统、以及二次流空气系统瞬态耦合的发动机模型；

利用所述标准发动机一体化模型及所述航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并校正从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系。

3.根据权利要求2所述的认证方法，其特征在于，在所述步骤三中，通过以下步骤获取使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域：

根据步骤二所建立的航空燃料的基础理化特性和组成空间的映射关系，获得替代燃料的基础理化特性；

根据步骤二所建立的三维瞬态燃烧模型，以所述替代燃料的基础燃烧性能数据和所述替代燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，获得满足标准发动机一体化模型输入条件的性能参数；

利用三维瞬态燃烧模型输出的燃烧室部件性能参数数据，基于所述步骤二建立的标准发动机一体化模型，获取所述替代燃料发动机系统关键安全参数空间的工作区域。

4.根据权利要求2所述的认证方法，其特征在于，在利用所述标准发动机一体化模型及所述航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域的步骤中，进一步包括：

利用所述标准发动机一体化模型及所述航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作边界；

对所述发动机系统关键安全参数空间的安全工作边界进行全局敏感性分析，将所述安全工作边界划分为：依赖燃料且依赖发动机的安全边界、依赖燃料且不依赖发动机的安全边界、以及不依赖燃料且依赖发动机的安全边界。

5.根据权利要求1所述的认证方法，其特征在于，在所述步骤三中，通过以下步骤对替代燃料进行安全性判定：

将所述发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域和使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域进行对比；

若所述发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域覆盖使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域，则判定该替代燃料满足发动机的安全性需要，否则，判定该替代燃料不满足发动机的安全性需要。

6.根据权利要求5所述的认证方法，其特征在于，还包括：

在替代燃料满足发动机的安全性需要时，还进行与发动机和/或航空器有关的其他必要附加测试。

7.根据权利要求5所述的认证方法，其特征在于，还包括：

在替代燃料不满足发动机的安全性需要时，通过以下步骤对所述替代燃料进行改进：

分析发动机关键安全参数对该替代燃料的燃料理化特性的安全敏感程度；

利用分析得到的结果，基于原料、工艺和燃料系统设计操纵安全敏感性高的理化特性以改进燃料安全性水平。

8.根据权利要求7所述的认证方法，其特征在于，还包括：

利用分析得到的结果，基于原料、工艺和燃料系统设计操纵安全敏感性低的理化特性以降低精制成本。

9.一种替代燃料在航空发动机中安全性的认证系统，包括：

安全参数空间确定模块，其基于航空燃料的历史经验数据和航空发动机的结构特征，获取与发动机系统安全性相关的关键安全参数，并基于关键安全参数得到发动机系统的关键安全参数空间，其中，所述关键安全参数包括发动机级关键安全参数和部件级关键安全参数；

发动机安全区域获取模块，其利用航空燃料的历史经验数据，基于所获取的发动机系统关键安全参数空间，获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并在此过程中，确定所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，其中，

所述映射关系包括航空燃料的组成空间和基础理化特性的映射关系、航空燃料的基础理化特性与燃烧室部件性能的映射关系、以及燃烧室部件性能与航空燃料的发动机系统关键安全参数的映射关系；

替代燃料工作区域获取模块，其利用所建立的从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系，获取使用替代燃料的发动机系统关键安全参数空间的工作区域；

安全性判定模块，其基于所得到的航空燃料的发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域对替代燃料进行安全性判定。

10.根据权利要求9所述的认证系统，其特征在于，所述发动机安全区域获取模块进一步包括：

数据建立单元，其建立所述航空燃料的组成空间与基础理化特性的数据库和映射关系；

数值模拟模型建立单元，其基于所述航空燃料的基础理化特性和组成空间的数据库对所述航空燃料的基础燃烧性能数据进行统计、测试，并建立基于所述航空燃料的组成空间的理化特性数值的数值模拟模型；

三维瞬态燃烧模型建立单元，其根据现役航空发动机的燃烧室结构，采用相似准则提炼标准缩比燃烧室，基于所述标准缩比燃烧室建立三维瞬态燃烧室模型，以所述航空燃料的基础燃烧性能数据和所述航空燃料的数值模拟模型中的基础理化数值为输入，燃烧室部件性能参数为输出，然后通过标准燃烧室试验数据以校正所建立的三维瞬态燃烧模型；

标准发动机一体化模型建立单元，其根据现役航空发动机的结构，采用相似准则缩比得到标准缩比发动机，然后，根据使用航空燃料建立的发动机一体化模型为基础，用标准缩比发动机建立标准发动机一体化模型，通过标准发动机试验和航空发动机一体化模型仿真的数据以校正所建立的标准发动机一体化模型，其中，所述标准发动机一体化模型为：包括所述三维瞬态燃烧室模型的一次流空气系统、以及二次流空气系统瞬态耦合的发动机模型；

安全区域获取单元，其利用所述标准发动机一体化模型及所述航空燃料的历史经验数据获取发动机系统关键安全参数空间的安全工作区域，并校对从航空燃料到发动机系统关键安全参数空间的映射关系。

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