代曉晴*,張翔,李森,鄭建弘

某民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線內(nèi)吸雨量計(jì)算分析

代曉晴*,張翔,李森,鄭建弘

分析吸雨對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響,首要的是確定能被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的雨量。通過(guò)綜合考慮適航規(guī)章要求的大氣雨水分布、環(huán)境溫度、飛行速度、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和聚集效應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨的影響,結(jié)合完整的推力調(diào)節(jié)計(jì)劃,計(jì)算分析了某民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在不同推力等級(jí)下全飛行包線內(nèi)風(fēng)扇進(jìn)口水氣比(WAR)。結(jié)果表明:在同一馬赫數(shù)下,風(fēng)扇進(jìn)口水氣比在6 100 m處達(dá)到最大;在該高度以下,水氣比隨著高度的增加而增大;在該高度以上,水氣比隨著高度的增加而減小;飛行馬赫數(shù)越大、環(huán)境溫度越高,水氣比也越大;并且標(biāo)準(zhǔn)天空中慢車(chē)推力下的風(fēng)扇進(jìn)口水氣比最大可達(dá)到7.38%。該計(jì)算方法可為民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨適航取證的關(guān)鍵點(diǎn)分析提供參考。

發(fā)動(dòng)機(jī);吸雨;聚集效應(yīng);水氣比;適航

現(xiàn)代飛機(jī)要求具備惡劣天氣下安全飛行的能力,而惡劣的天氣狀況如雷雨、強(qiáng)風(fēng)等,對(duì)飛行安全極具威脅。作為一種較為常見(jiàn)的惡劣天氣現(xiàn)象,降雨會(huì)降低能見(jiàn)度、使跑道變得濕滑,導(dǎo)致飛機(jī)失控,影響飛行安全[1-2]。尤為嚴(yán)重的是,當(dāng)飛機(jī)在極端云雨氣象條件下飛行時(shí),氣流中的雨水會(huì)被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)。這將會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮部件、燃燒室、渦輪等的工作狀態(tài),導(dǎo)致一系列發(fā)動(dòng)機(jī)異常情況,如喘振、功率損失以及熄火等[3-7]。

歷史上曾發(fā)生過(guò)多起由發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨導(dǎo)致的飛行事故。1977年4月4日,美國(guó)南方航空一架裝配有兩臺(tái)Pratt&Whitney JT9D-7A發(fā)動(dòng)機(jī)的DC-9型客機(jī)在飛行途中遇上特大暴雨及冰雹[8]。大量的雨水和冰雹被吸入發(fā)動(dòng)機(jī),使其短暫性失去動(dòng)力,飛行高度降低。發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)效能后,機(jī)組收到塔臺(tái)指示,要求爬升以避開(kāi)最嚴(yán)重的暴雨區(qū)。但是,在加速爬升過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)發(fā)生喘振,導(dǎo)致金屬葉片暴裂,兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)全部失效,而飛機(jī)在迫降的過(guò)程中撞到加油站而爆炸,造成72人遇難。1980年6月12日,一架配備2臺(tái)Garrett TPE331發(fā)動(dòng)機(jī)的客機(jī),在穿過(guò)暴雨區(qū)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入大量的雨水,導(dǎo)致雙發(fā)失效;飛機(jī)因此而墜毀,造成13人遇難[9]。2002年1月16日,印尼航空421號(hào)航班的一架Boeing 737-300客機(jī)在飛行途中,遇強(qiáng)雷雨天氣,兩臺(tái)CFM56-3B1發(fā)動(dòng)機(jī)因吸入大量的雨水和冰雹而熄火,多次重啟失敗后,飛機(jī)緊急迫降,造成機(jī)體嚴(yán)重?fù)p傷,并有1人遇難[10]。

為保障民航安全,美國(guó)聯(lián)邦航空局 (FAA)、歐洲航空安全局 (EASA)、中國(guó)民航局(CAAC)均就航空發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨制定了適航標(biāo)準(zhǔn),并隨著飛行經(jīng)驗(yàn)的積累和航空科技的發(fā)展作了多次修訂,目前已逐步達(dá)成一致[11-13]。國(guó)外OEM公司經(jīng)過(guò)許多發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的取證,已發(fā)展了成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨的研究較少,也鮮有公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn),尤其是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)吸雨適航條款的符合性驗(yàn)證試驗(yàn)研究基本處于空白。

發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)吸雨適航條款符合性驗(yàn)證必須通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨試驗(yàn)來(lái)完成。而在試驗(yàn)前,需要通過(guò)試驗(yàn)和理論分析確定發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線內(nèi)由于吸雨導(dǎo)致其工作性能裕度(如喘振和失速裕度、燃油控制降轉(zhuǎn)裕度和燃燒室熄火裕度等)最低的點(diǎn),即關(guān)鍵點(diǎn),然后在該點(diǎn)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨試驗(yàn)以驗(yàn)證其足以經(jīng)受極度降雨條件[14]。發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨關(guān)鍵點(diǎn)分析是在考慮降雨環(huán)境條件、發(fā)動(dòng)機(jī)排水狀況,如可調(diào)放氣活門(mén)和放氣閥控制等的基礎(chǔ)上,根據(jù)如雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡等方法計(jì)算得到進(jìn)入核心機(jī)的雨量,進(jìn)而研究雨水的吸入對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響。為此,首先需在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作包線范圍內(nèi)綜合考慮雨水分布、飛行狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等的影響,得到被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨量,確定發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨的入口條件,以從其中選擇關(guān)鍵點(diǎn)。

《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》(CCAR-33R2)附錄B給出了合格審定標(biāo)準(zhǔn)大氣降雨濃度和尺寸分布,持續(xù)吸雨適航條款要求發(fā)動(dòng)機(jī)遭遇到該審定標(biāo)準(zhǔn)的雨量時(shí),在其整個(gè)規(guī)定的工作包線范圍內(nèi)仍有可接受的工作能力[13]。依據(jù)圖表中規(guī)定的合格審定大氣雨水濃度分布,以及進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量即可計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的雨量。但是,一些工況下,如低轉(zhuǎn)速和高飛行速度,氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口會(huì)有部分溢出,而水滴顆粒相對(duì)較大,慣性也較大,大部分不會(huì)隨著氣流溢出,而被發(fā)動(dòng)機(jī)捕獲。這增大了進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水和空氣的質(zhì)量流量之比,表明發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨存在聚集效應(yīng)[15-18]。吸雨聚集效應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的結(jié)構(gòu)、飛行狀況以及發(fā)動(dòng)機(jī)功率,如起飛、巡航、慢車(chē)等緊密相關(guān)。因此,為分析某一特定型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的吸雨量,必須結(jié)合其全飛行包線的推力管理計(jì)劃,對(duì)其最大起飛、最大巡航、空中慢車(chē)等各個(gè)推力水平逐一展開(kāi)研究。

本文根據(jù)CCAR-33R2附錄B規(guī)定的合格審定標(biāo)準(zhǔn)雨水濃度分布,并考慮了環(huán)境溫度、飛行狀況、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和聚集效應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨的影響,對(duì)某民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算分析了最大起飛、最大爬升、最大巡航、最大連續(xù)、50%最大連續(xù)、空中慢車(chē)等推力下全飛行包線內(nèi)風(fēng)扇進(jìn)口水氣比。

1 計(jì)算方法

1.1 風(fēng)扇進(jìn)口空氣流量

本文以某民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,運(yùn)用燃?xì)廨啓C(jī)總體性能分析軟件Gasturb,計(jì)算得到最大起飛、最大爬升、最大巡航、最大連續(xù)、50%最大連續(xù)、空中慢車(chē)等推力下氣流在風(fēng)扇進(jìn)口處的質(zhì)量流量。

該發(fā)動(dòng)機(jī)的推力管理調(diào)節(jié)計(jì)劃使用Flat rating方法,如圖1所示(OAT為周?chē)髿鉁囟?,有以下特點(diǎn):存在一個(gè)能保持該推力等級(jí)下全推力/功率狀態(tài)的最高大氣溫度,即拐點(diǎn)溫度TCP;在拐點(diǎn)溫度左邊,大氣溫度減小,可保持推力恒定,則低壓換算轉(zhuǎn)速N1R也恒定;在拐點(diǎn)溫度右邊,大氣溫度增大,需降低N1R以保持排氣溫度(EGT)恒定。拐點(diǎn)溫度與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度間的溫差ΔTISA與推力等級(jí)相關(guān)[19]。對(duì)于最大起飛、最大連續(xù)、最大爬升和最大巡航等高功率狀態(tài),將風(fēng)扇換算轉(zhuǎn)速N1R作為其推力管理調(diào)節(jié)計(jì)劃的被控參數(shù)。對(duì)于空中慢車(chē)等低功率狀態(tài),將被控參數(shù)設(shè)為高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速N2R。

在確定了該民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力管理調(diào)節(jié)計(jì)劃后,還需確定計(jì)算高度和馬赫數(shù),得到不同高度和馬赫數(shù)下的風(fēng)扇進(jìn)口空氣流量,用于計(jì)算水氣比。作為風(fēng)扇進(jìn)口水氣比的自變量,飛行高度和馬赫數(shù)的取值對(duì)擬合結(jié)果至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)全飛行包線內(nèi)不同高度和馬赫數(shù)下風(fēng)扇進(jìn)口水氣比的大量計(jì)算,發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇進(jìn)口水氣比的分布受馬赫數(shù)的影響相對(duì)較大。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,最終確定飛行高度取值間距為1 000 m,馬赫數(shù)的取值間距為0.01,如對(duì)于最大巡航推力等級(jí),在飛行包線0～12 000 m的高度范圍內(nèi),每隔1 000 m選取1個(gè)高度,共取13個(gè)值,在其中某高度處飛行包線內(nèi)的馬赫數(shù)范圍為0.34～0.9,則每隔0.01選取1個(gè)馬赫數(shù),共取57個(gè)值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于各給定的高度和馬赫數(shù),運(yùn)用Gasturb軟件,根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的推力管理調(diào)節(jié)計(jì)劃確定被控參數(shù)的數(shù)值,以此計(jì)算環(huán)境溫度為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度(ΔTISA=0)時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口的空氣流量。對(duì)于最大起飛和空中慢車(chē)推力等級(jí),同時(shí)計(jì)算了ΔTISA=-15 K和ΔTISA=15 K時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口的空氣流量。

1.2 雨水吸入流量

進(jìn)氣道捕獲氣流流管在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和飛行速度范圍內(nèi)變化。在高轉(zhuǎn)速及低飛行速度情況下,流入進(jìn)氣道的實(shí)際空氣質(zhì)量流量大于以自由流參數(shù)流過(guò)捕獲面積的空氣質(zhì)量流量,將會(huì)使得流量超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面自由捕獲量的雨水跟隨氣流被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)。而在低轉(zhuǎn)速及高飛行速度情況下,與可得到的沖壓空氣相比,要求吸入的空氣質(zhì)量流量較小。因此,進(jìn)氣道前大部分空氣溢出,并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低及飛行速度的增加,捕獲空氣流管面積減小,進(jìn)氣道氣流外溢增強(qiáng)。對(duì)于大雨滴,由于其質(zhì)量較大,慣性也較大,相對(duì)而言不受氣流溢出的影響,將會(huì)被進(jìn)氣道捕獲,增大了進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的水氣比。

綜上所述,在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作包線范圍內(nèi),被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水的質(zhì)量流量MW應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)可能吸入的最大雨量。因此,MW應(yīng)取跟隨氣流被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨量MW1與以自由流被短艙唇口捕獲的雨量MW2二者中較大的值,即有

MW=max(MW1,MW2) (1)1.2.1 隨氣流的雨水吸入流量MW1

CCAR-33R2附錄B規(guī)定的合格審定標(biāo)準(zhǔn)雨水濃度分布圖給出了數(shù)個(gè)高度上大氣中的雨水含量LWC(單位為g/m3),其他高度H(單位為m)上雨水含量的值可以由線性內(nèi)插的方法確定,即

根據(jù)1.1節(jié)計(jì)算得到的空氣流量,結(jié)合適航規(guī)章規(guī)定的合格審定大氣雨水濃度分布,可計(jì)算得到跟隨氣流被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨量MW1為

在高校協(xié)同創(chuàng)新成為國(guó)家戰(zhàn)略的背景下，大學(xué)生創(chuàng)業(yè)教育作為高等教育的重要內(nèi)容和辦學(xué)理念，也應(yīng)該成為協(xié)同創(chuàng)新體系中的重要內(nèi)容之一。協(xié)同創(chuàng)新是開(kāi)放式的創(chuàng)新模式，強(qiáng)調(diào)組織內(nèi)和組織外資源的挖掘和整合，具有開(kāi)放、合作、共享等特點(diǎn)?；趨f(xié)同創(chuàng)新內(nèi)涵梳理，我們可以這樣理解：協(xié)同是手段，創(chuàng)新是目的。創(chuàng)業(yè)教育協(xié)同就是把與創(chuàng)業(yè)教育相關(guān)的主體聯(lián)動(dòng)起來(lái)，把相關(guān)資源整合起來(lái)，共同服務(wù)于創(chuàng)業(yè)教育的根本目標(biāo)——?jiǎng)?chuàng)新。

式中:MA為風(fēng)扇進(jìn)口空氣流量;ρA為空氣密度。1.2.2 以自由流被短艙唇口捕獲的雨水吸入流量MW2

將發(fā)動(dòng)機(jī)短艙進(jìn)氣道口集雨面積Ah與集氣面積Ac之比定義為聚集因子SF,即SF=Ah/Ac(如圖2所示)。集雨面積Ah為短艙進(jìn)氣道入口面積,集氣面積Ac為通過(guò)進(jìn)氣道入口的空氣流量所對(duì)應(yīng)的自由流流管面積。目前理論分析中應(yīng)用的一些經(jīng)驗(yàn)聚集因子與顆粒形狀、顆粒之間以及顆粒與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的多次碰撞有關(guān),但是在有些情況下,這些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)適用性不好,因此建議發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口雨水的吸入應(yīng)能體現(xiàn)最為危險(xiǎn)的狀況,即雨水的捕獲面積等于短艙唇口面積[20],進(jìn)一步忽略雨水的溢出(這一假設(shè)會(huì)高估吸雨量,因此能體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨最為苛刻的狀況),此時(shí)被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨量與以自由流參數(shù)流過(guò)短艙唇口的雨量相等,則MW2為式中:S為短艙唇口面積;V為飛行速度。

給定飛行高度H和馬赫數(shù)Ma,標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度TISA、壓力p、空氣密度ρA、當(dāng)?shù)匾羲貱、飛行速度V的計(jì)算表達(dá)式為

式中:R=287.06 J/(kg·K)為空氣的氣體常數(shù);γ=1.4為空氣的比熱比。

根據(jù)式(3)和式(4)分別算出MW1和MW2,然后根據(jù)式(1)取兩者之中較大的值,即為風(fēng)扇進(jìn)口吸雨量。

1.3 風(fēng)扇進(jìn)口吸雨水氣比

風(fēng)扇進(jìn)口吸雨水氣比(WAR)為被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水和空氣的質(zhì)量流量之比,即

當(dāng)推力水平較高、飛行速度較小時(shí),在飛行包線內(nèi)一般有 MW1＞MW2,此時(shí) MW=MW1,則WAR=WAR1=MW1/MA;當(dāng)推力水平較低、飛行速度較大時(shí),在飛行包線內(nèi)一般有MW2＞MW1,此時(shí)MW=MW2,則 WAR=WAR2=MW2/MA(如圖3所示)。

2 計(jì)算結(jié)果和討論

本文對(duì)某大涵道比民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),計(jì)算分析了最大起飛、最大連續(xù)、最大爬升、最大巡航、50%最大連續(xù)、空中慢車(chē)等推力下全飛行包線內(nèi)風(fēng)扇進(jìn)口空氣流量、吸雨量以及相應(yīng)的水氣比。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)大氣下風(fēng)扇進(jìn)口水氣比

圖4給出了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度下最大連續(xù)、最大爬升、最大巡航、50%最大連續(xù)、空中慢車(chē)推力下風(fēng)扇進(jìn)口水氣比在不同飛行高度和馬赫數(shù)下的分布等值線圖。從圖中可以看出,對(duì)于任意推力等級(jí),風(fēng)扇進(jìn)口水氣比隨飛行高度和馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)相同。在同一飛行高度處,當(dāng)飛行馬赫數(shù)較小時(shí),風(fēng)扇進(jìn)口水氣比不隨飛行速度的變化而變化,這是由于此時(shí)進(jìn)入進(jìn)氣道的實(shí)際空氣質(zhì)量流量大于以自由流參數(shù)流過(guò)捕獲面積的空氣質(zhì)量流量,吸雨量的計(jì)算采用式(3),而在一定高度上,合格審定大氣的雨水濃度為一常數(shù),因此水氣比不隨飛行馬赫數(shù)的變化而變化;當(dāng)馬赫數(shù)較大時(shí),風(fēng)扇進(jìn)口水氣比隨著飛行馬赫數(shù)的增大而增大,這是由于隨著飛行速度的增大,短艙進(jìn)口截面捕獲的雨水的質(zhì)量流量增大(吸雨量的計(jì)算采用式(4)),雖然空氣流量也在增大,但是氣流溢出量也較大。水氣比增大,表明吸雨的聚集效應(yīng)越來(lái)越顯著。在同一馬赫數(shù)下,風(fēng)扇進(jìn)口水氣比在6 100 m處達(dá)到最大;在該高度以下,水氣比隨著高度的增加而增大;在該高度以上,水氣比隨著高度的增加而減小。航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章規(guī)定的合格審定標(biāo)準(zhǔn)的大氣雨水濃度在6 100 m及以下時(shí)為一恒定值,即20 g/m3,而在該高度以上時(shí)雨水含量降低。在6 100 m以上高度飛行時(shí),在同一馬赫數(shù)下,隨著飛行高度的增加,空氣的質(zhì)量流量和每立方米空氣中的雨水濃度均減小,但是被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水流量的減少幅度大于氣流,因此風(fēng)扇進(jìn)口的水氣比降低。在6 100 m以下高度飛行時(shí),在同一馬赫數(shù)下,隨著飛行高度的增大,空氣流量降低,而考慮到聚集效應(yīng)的影響,被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水流量大致相當(dāng),使得進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水與空氣的流量之比增大,直至高度增大到6 100 m時(shí)達(dá)到最大。

在6 100 m飛行高度處,各推力等級(jí)下的風(fēng)扇進(jìn)口水氣比隨著馬赫數(shù)的增大而增大。相同環(huán)境條件下,最大連續(xù)、最大爬升、最大巡航、空中慢車(chē)的推力或功率水平是依次遞減的,導(dǎo)致空氣的溢流依次遞增,因此吸雨的聚集效應(yīng)也相應(yīng)地依次增強(qiáng),聚集因子依次增大(如圖5所示)。飛行環(huán)境條件一致時(shí),最大連續(xù)、最大爬升、最大巡航、空中慢車(chē)推力下風(fēng)扇進(jìn)口水氣比依次遞增;對(duì)于同一推力等級(jí),當(dāng)推力水平降低時(shí),聚集效應(yīng)增強(qiáng),風(fēng)扇進(jìn)口水氣比增大,如對(duì)于最大連續(xù)推力等級(jí),當(dāng)推力降低50%時(shí),風(fēng)扇進(jìn)口最大水氣比由4.75%增大到5.48%。

2.2 溫度對(duì)風(fēng)扇進(jìn)口水氣比的影響

大氣溫度可通過(guò)空氣密度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)影響風(fēng)扇的空氣流量。大氣溫度升高,其密度會(huì)減小(式(7))。如圖1所示,當(dāng)大氣溫度低于拐點(diǎn)溫度時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的換算轉(zhuǎn)速不變,隨著大氣溫度的升高流入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量減少;而當(dāng)大氣溫度高于拐點(diǎn)溫度時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)需降低轉(zhuǎn)速以保證渦輪前溫度不超過(guò)限制值,因此額外地減少了流入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量。在高功率低飛行速度狀態(tài)下,跟隨氣流被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水流量減少,但減小幅度小于空氣;而在低功率高飛行速度狀態(tài)下,以自由流被短艙唇口捕獲的雨水流量基本不變,這2種情況均會(huì)使得水氣比增大。在此研究了大氣溫度低于拐點(diǎn)溫度時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨水氣比的影響。

2.2.1 空中慢車(chē)

圖6給出了與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣溫差ΔTISA=15,-15 K時(shí)空中慢車(chē)推力下全飛行包線內(nèi)風(fēng)扇進(jìn)口水氣比在不同飛行高度和馬赫數(shù)下的分布等值線圖。從圖中可以看出,環(huán)境溫度不同時(shí),空中慢車(chē)推力下風(fēng)扇進(jìn)口水氣比在全飛行包線內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致,只是值的大小有差異。計(jì)算結(jié)果表明由于空中慢車(chē)推力水平較低,因此在飛行包線內(nèi),以自由流被短艙唇口捕獲的雨量大于跟隨氣流被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨量,發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨表現(xiàn)出較強(qiáng)的聚集效應(yīng)。在同一高度、同一馬赫數(shù)下,吸雨量隨環(huán)境溫度的增大而增大,而環(huán)境溫度越高流入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量越低,因此水氣比越大。當(dāng)ΔTISA分別為-15、0、15 K時(shí),空中慢車(chē)推力下風(fēng)扇進(jìn)口水氣比最大可分別達(dá)到6.97%、7.38%、7.87%。

2.2.2 最大起飛

圖7給出了最大起飛推力下ΔTISA=-15,0,15 K時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口水氣比在不同飛行高度和馬赫數(shù)下的分布等值線圖。從圖中可以看出,起飛包線內(nèi)不同溫度下的風(fēng)扇進(jìn)口水氣比變化趨勢(shì)一致,只是值的大小有差異。在同一高度處,當(dāng)馬赫數(shù)較小時(shí),不同溫度下的風(fēng)扇進(jìn)口水氣比不隨馬赫數(shù)的變化而變化;而當(dāng)馬赫數(shù)較大時(shí),風(fēng)扇進(jìn)口水氣比隨著飛行馬赫數(shù)的增大而增大,且在同一馬赫數(shù)下,環(huán)境溫度越高,風(fēng)扇進(jìn)口水氣比越大。由于最大起飛的推力水平較大,與最大連續(xù)、最大爬升推力下的吸雨情況一致,當(dāng)飛行馬赫數(shù)較小時(shí),雨水跟隨氣流被吸入發(fā)動(dòng)機(jī),而在最大起飛包線高度內(nèi),合格審定大氣的雨水濃度均為20 g/m3,因此進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水與空氣的流量之比不變。當(dāng)飛行馬赫數(shù)較大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨表現(xiàn)出聚集效應(yīng),并且隨著馬赫數(shù)的增大,聚集效應(yīng)越來(lái)越顯著,因此水氣比也增大。

此外,從圖中可以看出,在同一馬赫數(shù)下,風(fēng)扇進(jìn)口水氣比隨著高度的增大而增大。同一馬赫數(shù)下,高度越高,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般越大,進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的體積也越大,由于起飛包線內(nèi)合格審定標(biāo)準(zhǔn)的大氣雨水濃度均為20 g/m3,因此被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水也較多;但是由于空氣密度較小,質(zhì)量流量反而較低,因此風(fēng)扇進(jìn)口水氣比隨著高度的增大而增大。

3 結(jié) 論

1)本文根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨適航規(guī)定,給出了發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨量的計(jì)算方法,得到了風(fēng)扇進(jìn)口水氣比在飛行包線內(nèi)的變化規(guī)律,計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于不同的推力等級(jí),風(fēng)扇進(jìn)口水氣比隨飛行高度和馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)大致相同。

2)在同一高度處,當(dāng)飛行馬赫數(shù)較大時(shí),隨著飛行馬赫數(shù)的增大風(fēng)扇進(jìn)口水氣比增大,吸雨聚集效應(yīng)增強(qiáng);在同一馬赫數(shù)下,風(fēng)扇進(jìn)口水氣比在6 100 m處達(dá)到最大;在該高度以下,水氣比隨著高度的增加而增大;在該高度以上,水氣比隨著高度的增加而降低。

3)同一飛行條件下,隨著最大連續(xù)、最大爬升、最大巡航、空中慢車(chē)的推力或功率水平的依次遞減,吸雨聚集因子依次增大,聚集效應(yīng)依次增強(qiáng)。當(dāng)環(huán)境溫度不同時(shí),各推力等級(jí)下風(fēng)扇進(jìn)口水氣比的變化趨勢(shì)也是一致的,且溫度越高水氣比越大。

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Calculation and analysis of fan inlet rain ingestion of a civil turbofan engine throughout the flight envelope

DAl Xiaoqing*,ZHANG Xiang,Ll Sen,ZHENG Jianhong

AECC Commercial Aircraft Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200241,China

To evaluate the influence of rain ingestion on the performance of an aircraft engine,the amount of rain ingested into the engine should be determined first.ln this paper,the effects of liquid water concentration profiles defined by China Civil Aviation Regulations,environment temperature,flight speed,engine power,and scoop factor on water ingestion of engine,combined the full power management schedules,the fan inlet water air ratio(WAR)throughout a civil turbofan engine's operating envelope at different thrust levels is calculated and analysed.The results at all power levels show that at any constant Mach number,fan inlet water air ratio increases with altitude until it peaks at 6 100 m.Above 6 100 m,WAR decreases with the increase of altitude.Furthermore,the higher the Mach number and the ambient temperature,the larger the WAR.For flight idle on a standard day,the maximum WAR can reach as high as 7.38%.The calculating and analyzing method presented in this paper can provide the inlet boundary condition for analysis of rain ingestion critical point in engine airworthiness compliance test.

engine;rain ingestion;scoop factor effect;water air ratio;airworthiness

2016-12-26;Revised:2017-01-11;Accepted:2017-02-28;Published online:2017-03-23 16:36

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170323.1636.006.html

Shanghai Science and Technology Committee under Grants(14DJ1400300)

中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,上海 200241

V235

A

1000-6893(2017)07-121076-09

10.7527/S1000-6893.2017.121076

2016-12-26;退修日期:2017-01-11;錄用日期:2017-02-28;網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2017-03-23 16:36

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170323.1636.006.html

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃(14DJ1400300)

*通訊作者.E-mail:daixiaoqing12@163.com

代曉晴,張翔,李森,等.某民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線內(nèi)吸雨量計(jì)算分析[J].航空學(xué)報(bào),2017,38(7):121076.DAl X Q,ZHANG X,Ll S,et al.Calculation and analysis offan inlet rain ingestion of a civil turbofan engine throughout the flight envelope[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2017,38(7):121076.

(責(zé)任編輯:王嬌)

*Corresponding author.E-mail:daixiaoqing12@163.com