馬建軍

民用飛機實驗室發(fā)動機低溫啟動試驗可行性分析

馬建軍

（中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065）

大涵道比發(fā)動機在實驗室開門時，對在室內(nèi)展開發(fā)動機低溫啟動/慢車試驗的可行性進行了分析。分析了通過管道的排氣量與實驗室升溫速率之間的關(guān)系，設(shè)計了將發(fā)動機內(nèi)涵和外涵排氣分割處理的排氣方式，只將內(nèi)涵排氣通過管道排出實驗室，減少室外空氣的引入量，降低實驗室升溫速率。針對兩種不同管道入口距離對發(fā)動機的影響進行了CFD仿真分析。結(jié)果表明，排氣管道入口在尾椎末端時，對發(fā)動機性能影響甚微，實驗室可在打開門的情況下，進行發(fā)動機啟動試驗，單次試驗時間不超過3.5 min，實驗室溫度上升不超過5 ℃。

氣候?qū)嶒炇?；發(fā)動機開車；尾氣排放；CFD

1 引言

飛機實驗室低溫試驗是以一架可飛行的全狀態(tài)飛機為試驗對象，在氣候?qū)嶒炇抑袑ζ涫┘拥蜏兀己似湓诘蜏丨h(huán)境下的功能和性能。飛機實驗室低溫試驗與外場高寒試驗都是高度動態(tài)的，飛機啟動APU或發(fā)動機[1]，操作各飛機系統(tǒng)，檢查飛機各系統(tǒng)功能是否正常、性能是否出現(xiàn)衰減等，發(fā)動機的低溫啟動和工作試驗是一項重要試驗。發(fā)動機啟動或運行時，一方面必須將發(fā)動機高溫尾氣安全地排出實驗室；另一方面，必須向?qū)嶒炇覂?nèi)補充等量的經(jīng)溫度處理的新鮮空氣，以維持試驗條件和室內(nèi)壓力，保障試驗安全[2]。在實驗室不具備主動向室內(nèi)補充經(jīng)溫度處理的新鮮空氣能力的情況下，則可打開實驗室的大門，被動向?qū)嶒炇覂?nèi)補充室外的空氣，以維持實驗室內(nèi)的壓力。美國麥金利實驗室早期在不具備主動補氣的能力時，將實驗室大門打開，進行短暫的發(fā)動機啟動和運行試驗，但實驗室會在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的溫升[3]。被動補氣時，需要分析實驗室的溫升情況是否超出極限，以確定發(fā)動機低溫啟動或工作試驗的可行性。

2 排氣方式確定

飛機主發(fā)類型包括渦噴、渦扇（大涵道比和小涵道比）、渦軸和渦槳等，對于渦扇發(fā)動機特別是大涵道比發(fā)動機，發(fā)動機尾氣包括內(nèi)涵高溫燃氣和外涵低溫空氣，通常內(nèi)涵排氣量較小，如果設(shè)計一套排氣裝置，只將內(nèi)涵的高溫氣體排出實驗室，同時從室外引入常溫空氣補償室內(nèi)的空氣消耗，則可在一定程度上在實驗室內(nèi)展開發(fā)動機啟動/慢車試驗。

美國麥金利實驗室的大涵道比發(fā)動機開車試驗的排氣裝置也是將發(fā)動機內(nèi)涵、外涵氣流分割處理，CS100、C-5M飛機發(fā)動機開車試驗排氣裝置如圖1和圖2所示，尾氣排氣管道直徑僅覆蓋發(fā)動機內(nèi)涵出口，內(nèi)涵高溫燃氣被排出實驗室，外涵低溫空氣重新進入實驗室，這種尾氣排氣方式可以大大減少空氣補償量，利于室內(nèi)溫度和壓力的穩(wěn)定。

圖1 CS100飛機發(fā)動機開車試驗排氣裝置

圖2 C-5M飛機發(fā)動機開車試驗排氣裝置

3 不同排氣量下實驗室溫升分析

如果在氣候?qū)嶒炇覂?nèi)啟動發(fā)動機，發(fā)動機的排氣處理是關(guān)鍵問題。理想狀態(tài)下，在不影響發(fā)動機性能參數(shù)的前提下，從實驗室內(nèi)向室外的排氣量應(yīng)盡可能少，以盡可能減少從室外引入的常溫空氣，維持實驗室內(nèi)的溫度。主發(fā)動機啟動時，APU已經(jīng)在工作，假設(shè)滿足以下幾個條件：①實驗室的新風(fēng)系統(tǒng)可以滿足APU廢氣排放需求，且新風(fēng)系統(tǒng)完全用于APU工作；②循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)能平衡實驗室維護結(jié)構(gòu)的散熱量和發(fā)動機機匣的散熱量；③室外引入的空氣與室內(nèi)空氣完全混合。

圖3 實驗室排氣和進氣示意圖

實驗室壓力變化很小，取101 325 Pa?？諝獾拿芏葍H與溫度有關(guān)，按照理想氣體計算：

式（1）中：為K氏溫度。

同時，進氣的體積流量與排氣的體積流量相等，如下式所示：

將式（1）代入式（2）得：

外界的濕空氣進入溫度極低的室內(nèi)時，會出現(xiàn)過飽和，氣態(tài)的水產(chǎn)生相變釋放出大量的熱，考慮最嚴酷的狀態(tài)：水冷凝后不會再次吸熱蒸發(fā)，且忽略水相變后繼續(xù)降溫釋放的熱量。由于補氣量相對于實驗室巨大的體積來說較小，外界濕空氣進入實驗室后，其溫度及濕度將迅速降至與室內(nèi)環(huán)境一致，此時，補充進實驗室的焓值按下式計算：

實驗室內(nèi)部的焓值變化率計算如下：

式（6）中：為實驗室的體積，為100 000 m3。

將式（3）和式（6）代入式（5）得：

式（7）中有兩個未知量2和2，由于極端低溫下空氣的絕對含濕量較低，當(dāng)有外界濕空氣進入實驗室后，實驗室內(nèi)的濕度很容易達到飽和，因此假定2為溫度2對應(yīng)的飽和濕度焓值。

單位質(zhì)量的空氣的焓值計算如下：

=1.01（－273.15）+[2 500+1.84（－273.15）] （8）

式（8）中：為空氣的絕對含濕量。

的計算公式為：

式（9）中：q為水蒸汽分壓。

對于飽和空氣，其飽和蒸汽分壓qb按式（10）和式（11）計算。

空氣溫度為0～200 ℃時（公式中為K氏溫度）：

ln（qb）=﹣5 800.220 6/+1.139 149 93－0.048 602 39+

0.417 647 68×10﹣42－0.144 520 93×10﹣73+

6.545 967 3ln（） （10）

空氣溫度為﹣100～0 ℃時：

ln（qb）=﹣5 674.535 9/+6.392 524 7－0.967 784 3×

10﹣2+0.622 157 01×10﹣62+0.207 478 25×10﹣83－

0.948 402 4×10﹣124+4.163 501 9ln（） （11）

通過式（8）～（11）即可計算出溫度2對應(yīng)的飽和濕度焓值2。對式（7）采用差分方法進行計算，對于時刻和時刻－1有：

夏季和冬季時，不同的排氣流量對應(yīng)的實驗室溫升情況如圖4所示。

4 發(fā)動機尾氣排放CFD仿真

實驗室向外排出的空氣質(zhì)量流量是關(guān)鍵參數(shù)，而排氣量的多少主要取決于尾氣排放管道的設(shè)計。某型發(fā)動機的外形如圖5所示，將外涵道和內(nèi)涵道出口簡化為一個平面，其中外涵出口半徑為1 028 mm，外涵出口處內(nèi)涵外輪廓半徑為692 mm，外涵出口到尾椎為1 605 mm；內(nèi)涵出口半徑為485 mm，內(nèi)涵出口處尾椎外輪廓半徑為338 mm，內(nèi)涵出口到尾椎為825 mm，發(fā)動機底部離地高度為650 mm。環(huán)境溫度為﹣40 ℃時，發(fā)動機慢車狀態(tài)的入口質(zhì)量流量為139.56 kg/s，外涵出口流量為128.31 kg/s，溫度為﹣38.24 ℃，內(nèi)涵出口流量為8.07 kg/s，溫度為367.52 ℃。

圖5 發(fā)動機外形示意圖

在發(fā)動機尾部布置一個直徑為1 000 mm的排氣管道，根據(jù)管道入口與內(nèi)涵出口的距離，分析了兩種工況，如圖6所示。

Case 1為管道入口與內(nèi)涵出口的距離為825 mm（即尾椎末端處）；Case 2為管道入口與內(nèi)涵出口的距離為200 mm（管道侵入尾椎）。

圖6 排氣管道位置

將發(fā)動機置于40 m×10 m×10 m的計算空間內(nèi)，如圖7所示，方向0點為發(fā)動機尾椎末端。

網(wǎng)格劃分整體上采用六面體網(wǎng)格，局部采用四面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格交界面設(shè)置為interface對，網(wǎng)格劃分如圖8所示，網(wǎng)格數(shù)量為392萬。

選用K-w SST湍流模型[4-6]，空氣物性中密度采用ideal gas計算，粘性采用Sutherland公式計算。邊界條件的設(shè)置如下：①發(fā)動機進口為速度入口，速度為24.38 m/s，湍流強度和耗散率分別為5%和10%，總溫為﹣40 ℃。②外涵道出口為總壓入口，壓力為1 320 Pa，湍流強度和耗散率分別為5%和10%，總溫﹣38.24 ℃。③內(nèi)涵道出口為總壓入口，壓力為500 Pa，湍流強度和耗散率分別為5%和10%，總溫為367.52 ℃；周圍大氣為總壓入口，壓力為0 Pa，湍流強度和耗散率分別為2%和2%，總溫為﹣40 ℃；管道出口為壓力出口，壓力為0 Pa，湍流強度和耗散率分別為2%和2%，溫度為﹣40 ℃；地面為絕熱壁面。

圖8 網(wǎng)格劃分

兩種工況下的速度場與壓力場分布分別如圖9和圖10所示。

圖9 Case 1速度和壓力分布

圖10 Case 2速度和壓力分布

可見兩種不同的管道入口距離下，管道均成功將尾氣進行了分割，內(nèi)涵的高溫氣流完全進入管道，達到了將高溫內(nèi)涵尾氣與低溫外涵尾氣分離的目的。但Case 2管道侵入了發(fā)動機尾椎，管道與尾椎共同作用，壓縮了內(nèi)涵氣流的流通面積，內(nèi)涵排氣速度衰減變慢，尾椎附近出現(xiàn)明顯負壓。

自然狀態(tài)、Case 1和Case 2三種工況下的計算結(jié)果對比如表1所示?？梢奀ase 1管道距離較遠時，管道的存在對發(fā)動機影響很小，對外涵和內(nèi)涵排氣有輕微的阻力，外涵流量僅減小了0.1 kg/s（﹣0.07%），內(nèi)涵流量減小了0.09 kg/s （﹣1.1%），通過管道的排氣量為28.50 kg/s，其中包括外涵尾氣20.55 kg/s，是內(nèi)涵尾氣的2.58倍。

Case 2管道侵入發(fā)動機尾椎時，對發(fā)動機的影響較大，與Case 1對發(fā)動機排氣產(chǎn)生阻力不同，Case 2實際上更利于發(fā)動機排氣，內(nèi)涵和外涵排氣口的壓力均出現(xiàn)顯著下降，在500 Pa的內(nèi)涵總壓入口條件下，內(nèi)涵流量增大到了9.60 kg/s（+19.4%），同時通過管道的排氣量減少到21.50 kg/s，其中包括外涵尾氣11.9 kg/s，僅是內(nèi)涵尾氣的1.23倍。

表1 計算結(jié)果對比

工況外涵出口內(nèi)涵出口排氣量/（kg/s） 總壓/Pa流量/（kg/s）靜壓/Pa總壓/Pa流量/（kg/s）靜壓/Pa 自然狀態(tài)1 320128.94﹣404.185008.0481.70/ Case 11 320128.93﹣403.985007.9591.1528.50 Case 21 320128.94﹣404.135009.60﹣105.2521.50

Case 2內(nèi)涵排氣量上升是由邊界條件決定，3種工況下內(nèi)涵均為壓力入口條件，總壓500 Pa，Case 2由于管道侵入發(fā)動機尾椎，管道入口距離內(nèi)涵出口較近，管道入口氣流加速引起的低壓區(qū)降低了內(nèi)涵出口的排氣阻力，相當(dāng)于變相提高了內(nèi)涵排氣口的壓力，導(dǎo)致流量增加。

進一步分析管道距離對發(fā)動機的影響，選擇三條特征線，如圖11所示，LINE1始于尾椎末端，LINE2始于外涵出口中線，LINE3始于內(nèi)涵出口中線。

圖11 特征線

3條特征線在3種計算工況下的速度、壓力和溫度分布分別如圖12、圖13、圖14所示。

由圖12~圖14可知，尾椎末端之前（坐標小于0），Case 1工況下，3條特征線的速度、壓力和溫度分布與自然狀態(tài)下幾乎重合。而Case 2工況下，3條特征線則呈明顯偏離自然狀態(tài)。尾椎末端之后（坐標大于0），無論是Case 1還是Case 2，3條特征線都呈偏離自然狀態(tài)。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可說明，Case 1對發(fā)動機的影響幾乎可以忽略，而Case 2更利于發(fā)動機排氣。

圖12 特征線速度分布

圖13 特征線壓力分布

圖14 特征線溫度分布

5 結(jié)論

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：①發(fā)動機開車試驗被動補氣時，從實驗室中排出的空氣流量及室外溫濕度對實驗室的溫度趨勢有顯著影響，應(yīng)盡可能減少排氣量，并盡可能選在冬季進行試驗；②在發(fā)動機尾噴口處一定距離設(shè)置一排氣管道可以將內(nèi)涵排出的高溫燃氣完全排出室外，同時不影響發(fā)動機性能參數(shù)，排氣管道侵入發(fā)動機尾椎將利于發(fā)動機排氣；③實驗室可在打開門的情況下，進行發(fā)動機低溫啟動試驗，要求室溫上升不超過5 ℃，夏季可進行單次3.4 min試驗，冬季可進行單次7.2 min試驗。

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D922.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.010

2095－6835（2020）02－0035－05

馬建軍（1989—），男，安徽阜陽人，畢業(yè)于中國航空研究院，中航工業(yè)飛機強度研究所31室工程師，主要從事飛機氣候環(huán)境試驗技術(shù)研究。

〔編輯：張思楠〕