發動機室內試車臺流場品質研究

劉琳琳,王毅,常蕾

(航空工業北京長城計量測試技術研究所,北京100095)

0 引言

渦噴和渦扇航空發動機在室內試車臺進行試車時,由于發動機吸氣和排氣擴壓器引射作用,試車間內產生氣流流動,形成氣動流場[1]。發動機在地面試車遇到的許多問題都與缺乏對試車間內氣動流場品質的理解和認識有關。較差的流場品質會導致發動機轉速和推力不穩定,甚至使風扇或其它核心部件失靈。普惠公司JT9D發動機的試車試驗表明,如果發動機進口流場不均勻,空氣流量在發動機進口截面上的最大差值可達2.28 kg/s,推力可減少2280 N[2]。較差的流場品質還對室內試車臺氣動附加阻力修正造成很大困擾,試車間內速度場的均勻性每下降10%,試車間內的平均流速會波動0.3～0.5 m/s,進氣道附加阻力修正項的測量誤差將增大5%～10%。流場品質的差異也是造成不同試車臺試驗數據不一致的一個重要原因。Freuler R J等人的研究結果表明,通過對大涵道渦扇發動機室內試車臺試車間氣流速度均勻性、進氣道總壓均勻性、引射比等氣動參數進行限制,可以使發動機在一個穩定的環境中運行,如:轉速波動小于±5 rad/min,推力波動小于±300 lb(±1.333 kN),相當于推力等級為60000 lb(266.7 kN)的發動機在最大額定起飛狀態下,推力測量誤差不高于±0.5%[3]。為了在試車間內開展穩定、準確、可重復的發動機性能試驗,需要對某些氣動參數加以限制。

本文梳理國內外有關室內試車臺氣動流場特性研究的文獻和規范,對比分析國內外氣動流場參數要求的差異,研究室內試車臺進、排氣結構等對流場品質的影響,并對室內試車臺流場品質評價體系的完善提出建議,為提高試車臺設計性能及提升試車臺氣動流場品質提供參考。

1 室內試車臺流場參數特性分析

為保證發動機室內試車時的流場品質,國內外對相關氣動參數均有相應要求。表1為國內外試車臺建設或校準時試車間內主要氣動參數要求對比。

表1 國內外試車臺試車間主要氣動參數要求對比

由表1可知國外與國內氣動流場品質評價的要求完全不同,國內規范缺乏真正涉及流場品質方面的評價參數。下面結合國內外研究成果,詳細分析試車間氣流速度均勻性、進氣道總壓均勻性和引射比等參數對保證流場品質的重要性。

1.1 試車間平均氣流速度

試車間平均氣流速度是發動機上游截面速度測量值的平均值,是隨著試車臺建設發展不斷變化的一個參數。早期試車臺設計的趨勢是盡量降低試車間平均氣流速度,降低進氣沖量這一項的修正量,降低氣流流動不穩定性對發動機性能造成的影響。羅羅公司對車臺性能要求標準較高,試車間平均速度不超過20 ft/s(約6.5 m/s)[2];SAE ARP 741-1976標準規定試車間內平均氣流速度不大于9.8 m/s;GJB 721-89《渦噴渦扇發動機試車臺校準規范》中規定室內標準試車臺試車間平均氣流速度一般不大于10 m/s;GJB 5543-2006標準中規定小涵道比渦輪風扇發動機和渦輪渦軸發動機試車臺,試車間的平均氣流速度不宜大于10 m/s,大涵道比渦輪風扇發動機和渦輪螺槳發動機試車臺,試車間的平均氣流速度不宜大于15 m/s;Freuler R J等人的縮比模型及現場試驗表明,較大的試車間平均速度相比于低速低修正帶來的好處更多[3,7]。所以SAE AIR 4869A建議,根據現有的分析方法,配合溫度、壓力、推力等參數的先進測試手段,可準確對測量推力以及其他相關參數進行修正,不需要再對試車間的平均氣流速度進行限定。

1.2 試車間氣流速度均勻性

試車間氣流速度均勻性是根據發動機上游遠前方截面速度測量值計算而來的。一般情況下,發動機遠前方測量截面位于試車間內距發動機唇口3D～4D(D為發動機進氣流量管直徑)的位置,或者位于發動機唇口與進氣段最后一個進氣整流裝置的中間位置,截面按5×5等分為25個矩形測量網格,每個速度測點位于矩形中心。試車間氣流速度均勻性定義式為

式中:vDist為試車間氣流速度均勻性;vmax為測試網格內速度測點的最大值,m/s;vmin為測試網格內速度測點的最小值,m/s;vave為測試網格內速度測點的均值,m/s。

SAE AIR 4869A規定,距發動機唇口3D～4D的位置測得的發動機遠前方速度畸變應不大于35%,此項數據可以作為評價試車間流場均勻性或質量的通用指標。GE(General Electric)在其試車臺設計標準中規定,為保證試車間內流動平穩,可接受的發動機遠前方速度均勻性最大為20%,且不允許有渦流進入發動機進氣道,即使試車臺受到32 m/s的側風影響,也不允許對發動機遠前方速度均勻性造成較大影響[8]。

1.3 引射比

引射比是表征試車間內氣動特性的一個重要參數,與試車間氣流速度的均勻性共同決定了是否會在發動機進氣道內形成進氣漩渦。引射比的定義式為

式中:α為引射比;WFC為試車間進氣流量,kg/s;WENG為發動機進氣流量,kg/s。

引射比的大小決定了氣流與試車間墻壁附面層分離的位置,分離位置隨著引射比增大向噴口方向移動,發動機進氣截面為最佳分離位置。通常情況下,較低的引射比是造成發動機進氣渦流的主要原因。Freuler R J等人的研究表明,發動機遠前方速度均勻性控制在約30%的基礎上,引射比高于0.8時發動機進氣道內不會有渦流產生[9]。SAE AIR 4869A標準規定,為防止試車間內產生漩渦或燃氣回流,引射比不能低于0.8。SAE AIR 5436標準中給出的數據為:大型航空發動機引射比一般在1～2之間,小型航空發動機,特別是軍用發動機,引射比一般不大于5。與國外相比,我國不管是大型航空發動機還是小型航空發動機,引射比都普遍偏高。引射比越高,氣流速度越大,發動機運行的穩定性、氣動附加阻力修正的準確性等受流場不均勻性的影響越大。

1.4 試車間壓降

試車間壓降是表征試車間進氣壓力損失的參數,是衡量試車臺防側風能力的指標之一,其定義為

式中:ΔP為試車間壓降,Pa;Pamb為大氣壓,Pa;Ps為試車間內靜壓,Pa。

SAE ARP 741-1976標準規定,為了降低大氣壓力和沖壓比的修正系數,減輕對車臺建筑結構的沖擊,試車間壓降應控制在約1英寸水柱(約254 Pa)[10];SAE AIR 4869A-2015標準建議合適的試車間壓降為2～4英寸水柱(約508～1016 Pa),有研究表明這一壓降范圍能夠顯著降低環境側風對發動機性能的影響[8]。GB 5543-2006標準規定試車間進氣壓降不應大于490 Pa,試車間內發動機進氣截面與排氣截面的靜壓差不應大于100 Pa,與GJB 721-89標準對室內標準試車臺試車間壓降的要求一致。目前看來,隨著航空發動機向大流量、大涵道比發展,結合更加嚴格的流場品質和噪聲控制要求,較多的整流裝置勢必會造成更大的進氣壓力損失,所以在發動機參數測試和換算水平提高的基礎上,對試車間壓降的要求應適當放寬。

1.5 進氣道總壓均勻性

發動機進氣道總壓均勻性是用來判斷發動機進氣道內風扇入口端面流場均勻性的參數。通用的發動機進氣道總壓均勻性測量方法為:在進氣道內均勻安裝8個總壓測量耙,每個測量耙安裝5個測點進行測量。進氣道總壓均勻性的定義為

式中:PDist為進氣道總壓均勻性;Pmax為風扇入口端面總壓測點的最大值,Pa;Pmin為風扇入口端面總壓測點的最小值,Pa;Pave為風扇入口端面總壓測點的均值,Pa。

SAE AIR 4869A標準規定,發動機進氣道總壓均勻性應符合發動機制造商的性能測試要求,一般情況下要低于0.0015。只有保證其它氣動參數達到指標要求才能確保發動機進氣道總壓均勻性滿足指標要求,所以這一指標對流場品質的判定起到決定性作用。

2 試車臺結構設計對流場品質影響

試車臺進排氣系統的設計是影響試車間流場品質的主要因素,試車臺主要由進氣段、試車間和排氣段組成,每一個結構都必須根據其不同的作用單獨設計,同時必須與其它結構相配合,使整個試車臺達到合適的空氣動力學和聲學性能。室內試車臺結構簡圖如圖1所示。

圖1 室內試車臺結構簡圖

2.1 進氣設計

我國室內試車臺以垂直進氣為主。進氣系統的主要作用是為試車間提供足夠且均勻的流動空氣,衰減發動機產生的噪聲,使試車間免受外界側風的影響。進氣整流單元如消音器、導流葉片、整流網等都會影響試車間流場的均勻性。進氣塔頂部“蛋箱”結構的裝置能夠有效防止側風對進氣質量的影響。采用帶有90°導流葉片的垂直進氣形式不僅可以有效衰減噪聲傳播,還能避免試車間受外界側風的影響,為試車間提供均勻的氣流流動。某試車臺改造前后流場測試結果表明,室內試車臺加裝導流葉片后,0截面速度均勻性從103%提高到64%,核心區速度均勻性從92%提高到35%;合格的導流葉片除使氣流平穩轉向外,還要盡量減小壓力損失。氣流從最后一個進氣整流裝置到發動機入口的距離有嚴格要求,一般情況下,對于垂直進氣方式,需要使整流網到發動機進氣截面之間的距離大于試車間橫截面對角線的距離[4]。

2.2 試車間

試車間的主要作用是提供支撐發動機所需的安裝系統和發動機運行所需的其他設備。設計試車間時有兩個重要參數需要考慮:一個是發動機直徑與試車間截面面積的比值,另一個是引射比。這兩者決定了試車間平均氣流速度,如果滿足試車間平均氣流速度不大于9.8 m/s這一指標,則給定測試段的最大發動機流量近似滿足

式中:We為發動機最大空氣流量,kg/s;Acell為試車間截面積,m2;α為引射比。

以12×12截面的室內試車臺為例,在引射比為3的情況下,可測試的發動機最大流量不超過約432 kg/s。設計試車間時還需考慮其內部設施的位置,并盡可能確保結構的流線型:所有的輔助設備(行走平臺等)應盡可能設計在發動機進氣道唇口截面之后,防止產生進氣渦流;試車間內部中的任何凸起(加熱管道、照明裝置、天車導軌、行走平臺等)都可能導致產生渦流,影響航空發動機測試,因此,為了減小流過發動機的氣流的壓降,試車間內部各系統均應采用流線型設計。應借鑒國外試車臺設計經驗,借助CFD建模計算等手段,從細節上不斷提高室內試車臺流場品質。

2.3 排氣設計

排氣系統應保證不產生燃氣回流,不產生排氣反壓振蕩。引射筒尺寸和位置對試車間內的流場影響很大。引射筒口徑必須足夠大,能夠完全吸入從發動機尾噴口排出的主流和旁路氣流,同時降低排氣溫度和速度,以免產生燃氣回流。排氣筒進口形狀通常設計為喇叭形或錐形,平直進氣或反錐形入口會導致進口損失增加,降低吸入能力[11]。排氣筒直徑與發動機尾噴管直徑的比值對引射比的影響很大,引射比隨二者比值的減小而減小[12]。引射比的變化近似等于排氣總溫與發動機進口總溫之比的平方根[12]。軍用發動機由于其較高的排氣溫度,導致了較高的引射比。排氣筒長度影響發動機高溫排氣與旁路氣流的混合效果,對于風冷式渦扇發動機試車臺,通常建議排氣筒長徑比為4.0或更高。發動機尾噴口與排氣筒間的距離對引射比的影響較小,兩者間距主要影響發動機尾噴管出口的靜壓場,如果引射筒距尾噴口的距離過近,則旁路氣流的速度很高,尾噴口處的靜壓較低,將影響發動機的推力,并增加推力修正因子,如果引射筒距尾噴口的距離過大,會使試車間內噪聲較大,嚴重情況下會產生燃氣回流。因此建議引射筒采用可移動式設計,確保引射筒和發動機尾噴口之間的距離最佳。

3 流場品質評價參數體系

綜合國內外關于室內試車臺氣動流場的要求,并結合實際的測試經驗,建議建立以試車間氣流速度均勻性、引射比和進氣道總壓均勻性為核心的室內試車臺流場品質評價參數體系,如表2所示。

表2 室內試車臺流場品質評價體系

表2中除氣流速度均勻性、進氣道總壓均勻性和引射比為新增項外,其他直接沿用GJB 5543-2006標準中相關規定,且適用于所有室內試車臺。室內標準試車臺作為發動機性能評價以及參數傳遞的溯源車臺,其流場品質比其他工作臺要求更高,未來對其進行更深入的研究,對提高發動機性能評價的準確性及結合實際陸續提高其他工作臺流場品質具有重要意義。

4 結論

從國內關于室內試車臺氣動流場參數要求的相關規程規范來看,我國室內試車臺的流場品質要求相比于國外普遍較低,且規程規范中并沒有真正評價試車間內流場品質的氣動參數,這也使得不同室內試車臺流場品質差異較大。為了提高我國室內試車臺流場品質,建議從以下幾個方面進行改進:

1)完善流場品質評價相關的規程規范。隨著車臺建設以及相關測試水平的發展,對室內試車臺流場評價參數的要求也在不斷變化,要與時俱進,合理制定。

2)試車間流場均勻性和引射比是保證流場品質的關鍵參數,發動機進氣道總壓均勻性直接反映了發動機進氣道內流場均勻性,是檢驗流場品質好壞的重要參數,這三者應作為流場品質評價的核心參數納入我國室內試車臺流場品質評價參數體系中。

3)試車臺的性能直接影響流場品質,設計試車臺時應建立完整的氣流控制單元,且每個控制單元應合理設計,使氣流平穩過渡,盡量減少試車間內輔助部件對流場品質的影響?？山柚鷩饨涷?利用CFD仿真手段進行設計計算,不斷優化試車臺設計。