吳晶峰,楊 昭,陳義成,王 偉

(1.中國民用航空適航審定中心，北京 100102；2.中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300)

航空發(fā)動機作為一種熱機，一旦在飛行過程中引發(fā)火情，將會引起嚴(yán)重的后果，歷史上超過一半的發(fā)動機火情造成了人員傷亡[1]。國外學(xué)者進(jìn)行了很多關(guān)于航空發(fā)動機防火試驗研究，其中，既有試驗研究，也包括仿真研究。他們關(guān)于發(fā)動機防火的研究主要集中在部件和新材料的防火上。Neely[2]考慮了燃燒器煙羽與周圍環(huán)境空氣混合的影響，開發(fā)了一種新的技術(shù)來模擬飛機部件的防火特性；Bheekhun[3]基于計算流體力學(xué)仿真方法對ISO2685標(biāo)準(zhǔn)的丙烷-空氣燃燒器火焰溫度分布進(jìn)行了研究；Grange[4]對航空復(fù)合材料在火災(zāi)應(yīng)力作用下的傳熱數(shù)值研究；Reinhardt[5]模擬了著火狀態(tài)下短艙部件的溫度分布情況；Kreuder[6]通過流體動力學(xué)和傳熱分析，確定了火焰射流對平面的對流和輻射傳熱特性。中國針對航空發(fā)動機部件防火試驗的研究重點是防火試驗方法研究和對與發(fā)動機相關(guān)的防火、耐火條款進(jìn)行分析，并進(jìn)行了發(fā)動機典型部件及相關(guān)組件的防火試驗。孫世東等[7]針對CCAR-25部運輸類飛機發(fā)動機短艙火焰防護(hù)適航條款的要求進(jìn)行分析，明確發(fā)動機短艙內(nèi)的材料和零部件的防火、耐火要求；楊燕等[8]根據(jù)適航條款要求針對某型民用飛機發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)開展防火設(shè)計，并對發(fā)動機短艙典型結(jié)構(gòu)的防火性進(jìn)行了試驗驗證；崔建軍等[9]對軍用航空發(fā)動機防火和耐火試驗進(jìn)行了研究；柳偉杰等[10]通過實驗和數(shù)值模擬的方法對燃燒室部件進(jìn)行了甲烷/空氣預(yù)混低旋流燃燒的流場結(jié)構(gòu)及當(dāng)量比對甲烷低旋流燃燒的影響分析；吳晶峰等[11]依據(jù)CCAR 33.17防火條款要求，對某型航空發(fā)動機管路和箱體部件進(jìn)行了防火試驗。

航空發(fā)動機核心艙屬于發(fā)動機的高溫區(qū)域，且燃油管路位于核心艙內(nèi)。持續(xù)不平衡振動疊加裝配應(yīng)力會引發(fā)燃油管路泄漏[12]，核心艙燃油管路泄漏會使核心艙成為火區(qū)[13]，據(jù)統(tǒng)計，航空燃油泄漏到高溫表面被引燃起火占火災(zāi)總數(shù)的34%[14]。

現(xiàn)針對大型客機持續(xù)不平衡問題，以某一典型發(fā)動機機型為研究對象，分析發(fā)動機核心艙空間結(jié)構(gòu)及燃油管路分布，分析燃油管路泄漏流動情況。

1 發(fā)動機核心艙

波音737飛機是民航歷史上最成功的大型客機系列的代表，也是目前世界上生產(chǎn)數(shù)目較多的機型?，F(xiàn)選取737NG飛機配裝的CFM56-7發(fā)動機為研究對象，分析CFM56-7發(fā)動機核心艙結(jié)構(gòu)及其燃油管路分布，并對CFM56-7發(fā)動機核心艙火區(qū)進(jìn)行模擬。

1.1 發(fā)動機核心艙空間結(jié)構(gòu)

CFM56-7發(fā)動機是一種非常先進(jìn)的大涵道比雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，該型號同早期的CFM56發(fā)動機相比采用和增加很多新技術(shù)：風(fēng)扇葉片采用后掠寬弦設(shè)計，壓氣機及渦輪轉(zhuǎn)、靜子葉片采用三維氣動設(shè)計，為發(fā)動機提供了雙環(huán)形燃燒室選擇來降低污染物排放[15]。CFM56-7的推力為86.84～117.3 kN。CFM56-7發(fā)動機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)動機核心艙位于發(fā)動機內(nèi)涵道外側(cè)，核心艙包裹著增壓級、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪，核心艙是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)。核心艙內(nèi)層是由增壓級、高壓壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪的外機匣(外壁面)構(gòu)成，核心艙外層構(gòu)成了外涵道的內(nèi)壁面。圖1的黃色區(qū)域是CFM56-7發(fā)動機的核心艙。由于核心艙包裹燃燒室，發(fā)動機燃油油路排布在核心艙內(nèi)。由于核心艙包裹燃燒室，發(fā)動機燃油油路排布在核心艙內(nèi)。圖2是燃油管路和燃油噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖，燃油噴嘴的安裝座固定在核心艙內(nèi)部，噴嘴伸入燃燒室，燃油管路連接燃油噴嘴，置于核心艙內(nèi)部。

圖1 CFM56-7發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 CFM56-7 engine structure

圖2 燃油管路和燃油噴嘴Fig.2 Fuel line and fuel nozzle

1.2 發(fā)動機核心艙燃油管分布

圖3 發(fā)動機燃油系統(tǒng)油路Fig.3 Engine fuel system fuel line

圖4 發(fā)動機燃油系統(tǒng)部件位置Fig.4 Engine fuel system component position

發(fā)動機燃油系統(tǒng)油路如圖3所示，燃油自油箱流出流入燃油管，經(jīng)過增壓泵增壓、通過熱交換器冷卻交流發(fā)電機和滑油，增加且加熱的燃油通過燃油管路進(jìn)入燃油流量計、油濾，過濾后的計量燃油一部分流入供油總管最終進(jìn)入噴嘴，另一部分通過分級活門流入分級燃油供油總管最終進(jìn)入分級燃油噴嘴。圖4給出了燃油系統(tǒng)部件位置的示意圖。通過圖4位置可知，油濾至供油總管之間的管路位于核心艙內(nèi)部，分級活門、供油總管、噴嘴端部位于核心艙內(nèi)部，該區(qū)域在圖3中用方框標(biāo)出。

2 核心艙燃油管路泄漏分析

燃油管路由于管路材料及管路安裝等原因，會導(dǎo)致燃油管出現(xiàn)燃油泄漏的情況。核心艙中的燃油管路泄漏會使燃油積聚在核心艙區(qū)域內(nèi)部。由于核心艙包裹燃燒室及高壓渦輪，導(dǎo)致核心艙內(nèi)部氣流溫度較高。管路泄漏導(dǎo)致核心艙積聚的燃油在高溫氣流作用下可能會擴散燃燒。核心艙火區(qū)會引發(fā)飛行事故。表1匯總了燃油管路泄漏引發(fā)的飛行事故[16]。

由事故原因可知，燃油管泄漏的油氣遇高溫氣流引發(fā)火情導(dǎo)致事故發(fā)生。通過對管路泄漏的原因進(jìn)行分析，管路泄漏可能是由管路振動疊加裝配應(yīng)力導(dǎo)致的[17]。燃油管路的泄漏方式可以分為管路裂紋泄漏和管路安裝泄漏。燃油管路中的油壓較高，因此管路裂紋會使燃油以噴射的方式進(jìn)入發(fā)動機核心艙；管路安裝泄漏發(fā)生在管路接頭部位，由于連接位置的縫隙導(dǎo)致燃油以滲漏的方式進(jìn)入發(fā)動機核心艙。

表1 燃油管路泄漏引起的事故Table 1 Accident caused by a leaking fuel line

兩種泄漏方式?jīng)Q定了燃油流入核心艙的速度、流量局部相同。在燃油泄漏仿真中分別對裂紋泄漏和安裝泄漏進(jìn)行仿真。兩種泄漏方式如下。

(1)裂紋泄漏：為了模擬裂紋泄漏時油氣擴散及流動情況，在燃油管泄漏處設(shè)置6 mm×6 mm的泄漏口，在管內(nèi)外壓差驅(qū)動下噴射到核心艙內(nèi)(管內(nèi)壓力50 atm)。

(2)安裝泄漏：由于密封裝置的存在，即使在相同的管內(nèi)外壓差情況下，燃油泄漏量將大幅降低，在本設(shè)計中估算泄漏量為0.000 2 kg/s。

燃油管路裂紋可能發(fā)生在燃油管路的任一位置，利用仿真將核心艙燃油管路的上部、下部和兩側(cè)位置作為裂紋泄漏可能發(fā)生的位置，并分析了不同位置發(fā)生裂紋泄漏對核心艙油氣流場及燃燒場的影響。

燃油管路安裝泄漏只能發(fā)生在管接頭位置，安裝泄漏點設(shè)置于圖4中的接頭位置。

由核心艙燃油泄漏的事故引入，分析了核心艙內(nèi)燃油管路的泄漏形式和泄漏量。燃油管路的裂紋泄漏量較大，且泄漏位置不定，可能發(fā)生在燃油管路的任一位置。所以需要在核心艙仿真中分析裂紋泄漏位置對核心艙油氣流場及燃燒場的影響。

3 核心艙火區(qū)計算模型建立

通過數(shù)值計算的方式來模擬在不同部位燃油管路發(fā)生燃油泄漏時，燃油油氣在核心艙中的擴散和流動情況，以及在有點燃源的情況下，燃油油氣在核心艙的燃燒和流動情況。使用商業(yè)軟件Fluent15.0建模進(jìn)行進(jìn)算。在冷態(tài)的計算中，主要使用Energy，Visous-Standardκ-ε和Species-Species Transport這三個模型[18]。求解方法使用Fluent中基于壓力求解器，使用SIMPLE壓力-速度耦合法求解各個控制方程。對于Energy的收斂準(zhǔn)則為10-4，其他為10-3。使用的燃油是C12H23。

圖5 幾何模型示意圖及尺寸Fig.5 Diagram and dimensions of geometric model

根據(jù)機型CFM56-7發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖，建立核心艙的簡化幾何模型，并設(shè)置輸油管泄漏口，如圖5所示。幾何模型主要由核心艙、進(jìn)出氣口及泄漏孔組成。為討論燃油管不同位置發(fā)生燃油泄漏時油氣的擴散及流動情況，模擬計算中在距離核心艙前端1 300 mm位置處，分別在核心艙正上方、正下方及左側(cè)(逆時針90°)處開有小孔作為泄漏孔。

使用ANSYS ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于發(fā)動機核心艙空間是不規(guī)則的，而且包括狹窄的前后端頭，因此不可能將其完全劃分成規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而是以Tet網(wǎng)格為主的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共劃分為1 557 816個網(wǎng)格。

使用ANSYS FLUENT流場計算，表2、表3給出了冷態(tài)計算的邊界條件和初值條件。

表2 燃油管路發(fā)生燃油安裝泄漏時所設(shè)定的初始條件和邊界條件(冷態(tài))Table 2 Initial and boundary conditions (cold state) in case of fuel installation leakage in fuel line

表3 燃油管路發(fā)生燃油裂紋泄漏時所設(shè)定的初始條件和邊界條件(冷態(tài))Table 3 Initial and boundary conditions (cold state) in case of fuel crack leakage in fuel line

由于發(fā)動機核心艙空間是不規(guī)則的，而且包括狹窄的前后端頭，幾何模型的網(wǎng)格劃分主要以Tet網(wǎng)格為主的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，分別對前后端及中間體進(jìn)行不同程度的加密，得到了108萬、155萬及268萬網(wǎng)格，并在冷態(tài)下計算燃油泄漏時，燃油油氣在核心艙中的擴散情況。圖6比較了三種網(wǎng)格下燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著y方向的分布，可以看出，在核心艙的外緣處三種網(wǎng)格的計算結(jié)果有細(xì)微差別，y=-0.4～4.5，使用155萬網(wǎng)格和268萬網(wǎng)格的計算結(jié)果幾乎相同，而使用108萬網(wǎng)格計算出的燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在y=0.4～0.5時，與其他兩種網(wǎng)格有較大偏差，最后綜合考慮后，使用155萬網(wǎng)格進(jìn)行模擬仿真。

圖6 燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著y方向的變化Fig.6 The mass fraction of fuel along the y direction

4 燃油泄漏時油氣的擴散及流動

圖7 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(Z軸切面)Fig.7 The fuel mass fraction cloud graph (the Z axis plane) with the oil pipeline leaks in different positions

在進(jìn)行油氣泄漏的冷態(tài)計算時，燃油管路裂紋可能發(fā)生在燃油管的任一位置，因此首先分析裂紋泄漏形式下，泄漏位置對冷態(tài)流場的影響。針對裂紋、安裝兩種泄漏形式，分析油氣擴散及流動的情況。

圖8 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(X=0,Y=0)Fig.8 The fuel mass fraction cloud graph (X=0,Y=0) with the oil pipeline leaks at different locations

4.1 裂紋泄漏時泄漏位置的影響

圖7、圖8所示為輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖，其中Z軸切面分別為：Z1=0.52 mm,Z2=1.303 mm,Z3=1.7 mm,Z4=2.2 mm,Z5=2.708 mm。由圖7、圖8可見，當(dāng)泄漏口在上方時，油氣幾乎擴散到整個核心艙空間內(nèi)，即使是核心艙前端上部也會滯留油氣。而當(dāng)泄漏口在左側(cè)和下側(cè)時，核心艙前端沒有油氣。泄漏口在左側(cè)時，油氣主要擴散到核心艙下半部分。但是在正下方時，除了泄漏口附近有個泄漏量較少的油區(qū)外，也擴散到艙內(nèi)的大部分空間。

圖9、圖10顯示了輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時燃油的速度云圖，可以看出在內(nèi)外壓差的驅(qū)動下，油氣高速噴出，而且在泄漏口處速度非常高，之后油氣的擴散變得相對緩慢。而且在壓力差的驅(qū)動下，在空氣的進(jìn)出口處出現(xiàn)速度變大區(qū)域，其相應(yīng)的壓力云圖如圖11、圖12所示。總之，無論泄漏位置在哪里，都會在泄漏口出現(xiàn)高速氣流及相應(yīng)的高壓區(qū)域，并與入口空氣發(fā)生摻混和擴散，形成不同分布。

4.2 不同泄漏方式油氣擴散及流動分析

在本節(jié)中，將討論在不同的泄漏方式下(裂紋泄漏和安裝泄漏)，在距離核心艙前端1 300 mm的正上方處發(fā)生泄漏時，油氣擴散及流動情況。圖13、圖14給出了核心艙正上方發(fā)生兩種形式泄漏時，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖，可見裂紋泄漏時油氣幾乎擴散到整個核心艙空間內(nèi)，即使是核心艙前端上部也會滯留油氣。而安裝泄漏時僅僅在管路接口附近有少量油氣，其他空間幾乎沒有任何油氣。圖15、圖16顯示了兩種泄漏方式時燃油的速度云圖，發(fā)現(xiàn)油氣在泄漏位置附近相對速度都很高，之后油氣擴散的相對緩慢。而且在壓力差的驅(qū)動下，在空氣的進(jìn)出口處出現(xiàn)速度變大區(qū)域，兩種泄漏方式速度云圖的大小區(qū)域相似，只是安裝泄漏時速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂紋泄漏。其相應(yīng)的壓力云圖如圖17、圖18所示，發(fā)現(xiàn)裂紋泄漏時核心艙下部的壓力比安裝泄漏時大，并在下部頭尾部出現(xiàn)相對高壓區(qū)。如上闡述，裂紋泄漏的流動是由于油管內(nèi)外的壓差的驅(qū)動作用，泄漏量相對較大，泄漏速度較快。而安裝泄漏的泄漏量較小，油氣只在泄漏口附近擴散。

圖9 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時，燃油的速度云圖(Z軸切面)Fig.9 The fuel velocity cloud graph (the Z axis plane) with the oil pipeline leaks in different positions

圖10 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時，燃油的速度云圖(X=0,Y=0)Fig.10 The fuel velocity cloud graph (X=0,Y=0) with the oil pipeline leaks at different locations

圖11 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時，燃油的壓力云圖(Z軸切面)Fig.11 The fuel pressure cloud graph (the Z axis plane) with the oil pipeline leaks in different positions

圖12 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時，燃油的壓力云圖(X=0,Y=0)Fig.12 The fuel pressure cloud graph (X=0,Y=0) with the oil pipeline leaks at different locations

圖13 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(Z軸切面)Fig.13 The fuel mass fraction cloud graph (the Z axis plane) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖14 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(X=0,Y=0)Fig.14 The fuel mass fraction cloud graph(X=0,Y=0) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖15 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時，燃油的速度云圖(Z軸切面)Fig.15 The fuel velocity cloud graph (the Z axis plane) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖16 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時，燃油的速度云圖(X=0,Y=0)Fig.16 The fuel velocity cloud graph (X=0,Y=0) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖17 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時，燃油的壓力云圖(Z軸切面)Fig.17 The fuel pressure cloud graph (the Z axis plane) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖18 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時，燃油的壓力云圖(X=0,Y=0)Fig.18 The fuel pressure cloud graph (X=0,Y=0) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

5 結(jié)論

針對大型客機持續(xù)不平衡問題，以CFM56-7發(fā)動機機型為研究對象，分析CFM56-7發(fā)動機核心艙空間結(jié)構(gòu)及燃油管路分布，分析燃油管路泄漏方式、泄漏流動情況，不同裂紋泄漏位置對核心艙流場的影響，裂紋泄漏和安裝泄漏的流場、燃燒場。

(1)管路泄漏可能是由管路振動疊加裝配應(yīng)力導(dǎo)致的。燃油管路的泄漏方式可以分為管路裂紋泄漏和管路安裝泄漏。管路裂紋泄漏可能會發(fā)生在管路的任一位置，管路裂紋會使燃油以噴射的方式進(jìn)入發(fā)動機核心艙；管路安裝泄漏發(fā)生在管路接頭部位，由于連接位置的縫隙導(dǎo)致燃油以滲漏的方式進(jìn)入發(fā)動機核心艙。

(2)當(dāng)燃油管路發(fā)生不同方式燃油泄漏時，由于裂紋泄漏是在油管內(nèi)外的壓差驅(qū)動作用下的流動，泄漏量相對較大，泄漏速度較快，并在與空氣的摻混下擴散到機艙內(nèi)不同部分；而安裝泄漏的泄漏量較小，油氣泄漏量較小，只在泄漏口附近擴散。

(3)管路裂紋泄漏無論泄漏位置在何處，都會在泄漏口出現(xiàn)高速氣流及相應(yīng)的高壓區(qū)域。不同位置泄漏相對應(yīng)有不同油氣擴散分布。