張 琪，李 寧，靳艷智，王孝義

（中國(guó)航發(fā)貴陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，貴陽(yáng)550081）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)噴管為發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)的重要部件，通過(guò)對(duì)噴管喉道面積的調(diào)節(jié)可改變渦輪和噴管部件膨脹比的分配比例[1-3]。液壓操縱系統(tǒng)作為噴管喉道調(diào)節(jié)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作的可靠性和穩(wěn)定性是非常重要的。目前國(guó)內(nèi)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)筒的研究大多圍繞作動(dòng)筒裂紋故障分析[4-6]、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7]、控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究[8]、控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)分析[9-11]、控制伺服系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[12-14]，而采用數(shù)值仿真分析的方法分析作動(dòng)筒流量的研究文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。為此，基于某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)筒在試制中出現(xiàn)流量不合格的問(wèn)題，開(kāi)展數(shù)值仿真分析工作。作動(dòng)筒組件通常分為有桿腔和無(wú)桿腔，作動(dòng)筒有桿腔（工作腔）在工作中的流阻增大將導(dǎo)致腔體內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)在一定壓差條件下填充時(shí)間延遲，從而迫使可調(diào)噴管驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間滯后。

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的可調(diào)噴管液壓操縱系統(tǒng)在試制階段，暴露出噴管液壓操縱系統(tǒng)的單件作動(dòng)筒流阻試驗(yàn)流量值批次性存在流量值偏小和流量波動(dòng)較大的問(wèn)題，具體為液壓作動(dòng)筒工作腔流量值較設(shè)計(jì)要求偏小約8%～22%。本文針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了數(shù)值仿真分析，查找問(wèn)題原因，并提出改進(jìn)措施。

1 作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)分析

某型帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)收-擴(kuò)噴管喉道截面由I排液壓操縱系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。在非加力及加力狀態(tài)下，按設(shè)定的控制規(guī)律控制噴管喉道截面面積，以保證穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)要求的低壓轉(zhuǎn)子控制計(jì)劃和過(guò)渡狀態(tài)及加力接通時(shí)的氣動(dòng)穩(wěn)定性裕度[3]。

噴管喉道I排液壓操縱系統(tǒng)由12個(gè)作動(dòng)筒組件首尾相連焊接成作動(dòng)環(huán)。單個(gè)液壓作動(dòng)筒主要由端蓋、筒體、活塞、密封圈、雙油路管座等組成，如圖1所示。作動(dòng)筒組件分為工作腔（有桿腔）和回油腔（無(wú)桿腔），通過(guò)雙油路管座及筒體上的工作腔管接嘴和回油腔管接嘴實(shí)現(xiàn)燃油進(jìn)出，液壓作動(dòng)筒借助雙油路管座和端蓋上的耳孔固定，為降低作動(dòng)筒構(gòu)件工作溫度，采用燃油逆流的方法冷卻，如圖2所示。

圖1 液壓作動(dòng)筒基本構(gòu)成結(jié)構(gòu)

圖2 作動(dòng)筒內(nèi)腔冷卻流路

2 作動(dòng)筒內(nèi)腔流路分析

前期依據(jù)液體介質(zhì)流量公式對(duì)可能影響液體流量的諸多因素進(jìn)行分析，已排除壓力測(cè)點(diǎn)位置、壓力表測(cè)量精度、試驗(yàn)壓力條件、流量計(jì)量方法等作動(dòng)筒流量測(cè)量因素。除上述對(duì)作動(dòng)筒流量偏小的影響分析工作外，還須對(duì)作動(dòng)筒內(nèi)腔流路尺寸和流體介質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行分析，查找影響作動(dòng)筒流量的內(nèi)在因素。

2.1 內(nèi)腔流動(dòng)面積分析

作動(dòng)筒內(nèi)腔流道尺寸是影響流量的重要因素，對(duì)流道中組成零件上最小截面尺寸進(jìn)行復(fù)查，對(duì)流體介質(zhì)工作腔流道中的最小流通面積進(jìn)行核算，對(duì)作動(dòng)筒內(nèi)腔流道的4處較小面積處（如圖3所示）進(jìn)行核算，其結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可見(jiàn)，作動(dòng)筒工作腔多股流入口處的面積之和S2較小，為 50.20 mm2，對(duì)作動(dòng)筒實(shí)物解剖的尺寸計(jì)量結(jié)果也證實(shí)了實(shí)物尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

表1 作動(dòng)筒工作腔流通面積計(jì)算結(jié)果

圖3 作動(dòng)筒內(nèi)腔流道截面積

2.2 內(nèi)腔流動(dòng)仿真

鑒于作動(dòng)筒內(nèi)腔體流路較為復(fù)雜，為詳細(xì)了解流體介質(zhì)在其內(nèi)部的流動(dòng)，以及流體介質(zhì)在復(fù)雜腔體內(nèi)參數(shù)的變化情況，本文對(duì)雙油路作動(dòng)筒內(nèi)腔進(jìn)行CFD數(shù)值仿真分析。在作動(dòng)筒內(nèi)腔仿真模型建立過(guò)程中未對(duì)幾何進(jìn)行任何簡(jiǎn)化，保留了腔體內(nèi)的全部細(xì)節(jié)特征，其仿真分析剝離的幾何模型如圖4所示。由于作動(dòng)筒內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用ICEM軟件的多面體球形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為精確模擬作動(dòng)筒內(nèi)腔流動(dòng)及損失，在內(nèi)腔近壁面處設(shè)置邊界層網(wǎng)格。采用5種不同網(wǎng)格總數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)解驗(yàn)證，網(wǎng)格總數(shù)80萬(wàn)時(shí)滿足無(wú)關(guān)解的要求，故本文的網(wǎng)格總數(shù)選擇為80萬(wàn)，如圖5所示。

圖4 作動(dòng)筒工作腔仿真幾何模型

根據(jù)改進(jìn)前作動(dòng)筒流量的實(shí)測(cè)值，采用4種湍流模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。RNG k-ε湍流模型的計(jì)算精度最高，相對(duì)誤差為4.96%，故采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。按試驗(yàn)結(jié)果將邊界條件分別設(shè)置為壓力進(jìn)口條件和壓力出口條件，流體介質(zhì)為煤油。壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，收斂殘差設(shè)為 10-6。

圖5 作動(dòng)筒仿真分析計(jì)算網(wǎng)格

表2 工作介質(zhì)流量的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

按上述模型及邊界條件設(shè)置模擬作動(dòng)筒內(nèi)腔的介質(zhì)流動(dòng)，其計(jì)算結(jié)果如圖6～8所示。結(jié)果表明，在試驗(yàn)壓力條件下作動(dòng)筒仿真計(jì)算的流量為465.5 mL/s，與作動(dòng)筒工作腔流量實(shí)測(cè)平均值443 mL/s（數(shù)據(jù)為作動(dòng)筒流量試驗(yàn)所得，檢驗(yàn)流量是否合格）的偏差為4.96%，驗(yàn)證了仿真分析的置信度。

圖6 作動(dòng)筒工作腔流線

圖7 作動(dòng)筒工作腔沿流程截面總壓分布

圖8 作動(dòng)筒出口流量監(jiān)控

從圖6、7中可見(jiàn)，在流體流經(jīng)作動(dòng)筒雙油路管座前，流體在內(nèi)腔的流動(dòng)較為平緩，其流體總壓損失較小，但在流經(jīng)雙油路管座時(shí)，流道面積驟然縮減，流體速度迅速升高，加之流道在此處大幅度偏轉(zhuǎn)流體流線產(chǎn)生較大彎折而導(dǎo)致總壓迅速衰減[2]，依據(jù)仿真分析結(jié)果可知，在雙油路管座加工過(guò)程中形成凸臺(tái)的“收口”處燃油流速急速升高為流路中的截流面，按仿真模型測(cè)算該處面積值僅為40.37 mm2（如圖9所示），其數(shù)值較表2中測(cè)算的流道面積值更小，按仿真分析的結(jié)果預(yù)測(cè)，影響作動(dòng)筒流量的關(guān)鍵因素在于雙油路管座內(nèi)形成的月牙形凸臺(tái)，此處對(duì)作動(dòng)筒工作腔流阻損失和流量的大小起決定作用。

圖9 雙油路管座的加工臺(tái)階

3 結(jié)果分析及改進(jìn)措施

通過(guò)上述對(duì)作動(dòng)筒工作腔流動(dòng)情況的分析，明確了作動(dòng)筒工作腔流量偏小的主要原因?yàn)殡p油路管座加工中形成的月牙形凸臺(tái)增大了流動(dòng)損失并形成最小流動(dòng)截面所致，為此，從設(shè)計(jì)角度提出在加工時(shí)將月牙形“凸臺(tái)”去除（如圖10所示）的要求，從而使流道流通面積增大，流速降低，流動(dòng)阻力減小，打磨凸臺(tái)后，經(jīng)測(cè)算可知該處流動(dòng)面積約為46.8 mm2，較之前狀態(tài)的面積增大15.9%，按第2.2節(jié)所述仿真計(jì)算方法計(jì)算得到的流量為539 mL/s（如圖11所示），表明去除凸臺(tái)后的作動(dòng)筒工作腔流量可滿足設(shè)計(jì)要求。

4 驗(yàn)證情況

圖10 雙油路管座“凸臺(tái)”打磨效果

基于上述分析，承制廠對(duì)作動(dòng)筒組件雙油路管座加工凸臺(tái)進(jìn)行打磨，并測(cè)取此狀態(tài)作動(dòng)筒的工作腔流量，改進(jìn)前、后的作動(dòng)筒實(shí)測(cè)流量同數(shù)值仿真對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可見(jiàn)，改進(jìn)前、后作動(dòng)筒流量實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算結(jié)果的偏差不超過(guò)6%，再次驗(yàn)證仿真分析方法的置信度及對(duì)流動(dòng)情況的預(yù)估能力，也表明采取上述措施對(duì)綜合改善流量偏小問(wèn)題效果顯著，措施有效。仿真流量值均比試驗(yàn)流量值大，這是因?yàn)樽鲃?dòng)筒壁面存在一定粗糙度，會(huì)影響流體的流動(dòng)，增大流動(dòng)損失，流通能力降低，而數(shù)值仿真未考慮壁面粗糙度，所以計(jì)算出的數(shù)值比理論值偏大。

5 總結(jié)

（1）雙油路管座加工形成的凸臺(tái)沒(méi)有打磨，導(dǎo)致該處流道面積驟然縮減，流體流過(guò)該處時(shí)速度迅速增大，流線產(chǎn)生較大的彎折，壓力迅速衰減，導(dǎo)致流量偏?。?/p>

（2）通過(guò)數(shù)值仿真分析，雙油路管座打磨凸臺(tái)后流量由465.5 mL/s增大到539 mL/s，增大了73.5 mL/s;

（3）作動(dòng)筒管座實(shí)物打磨凸臺(tái)后，流量實(shí)測(cè)值由443 mL/s增大到507 mL/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

采取了本文提出的措施后，后續(xù)生產(chǎn)的作動(dòng)筒均未再出現(xiàn)流量偏小問(wèn)題，從而證明該措施有效。