劉琳琳,王毅,常蕾

(航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京100095)

0 引言

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

本文梳理國內(nèi)外有關(guān)室內(nèi)試車臺氣動流場特性研究的文獻(xiàn)和規(guī)范,對比分析國內(nèi)外氣動流場參數(shù)要求的差異,研究室內(nèi)試車臺進(jìn)、排氣結(jié)構(gòu)等對流場品質(zhì)的影響,并對室內(nèi)試車臺流場品質(zhì)評價體系的完善提出建議,為提高試車臺設(shè)計性能及提升試車臺氣動流場品質(zhì)提供參考。

1 室內(nèi)試車臺流場參數(shù)特性分析

為保證發(fā)動機(jī)室內(nèi)試車時的流場品質(zhì),國內(nèi)外對相關(guān)氣動參數(shù)均有相應(yīng)要求。表1為國內(nèi)外試車臺建設(shè)或校準(zhǔn)時試車間內(nèi)主要氣動參數(shù)要求對比。

表1 國內(nèi)外試車臺試車間主要氣動參數(shù)要求對比

由表1可知國外與國內(nèi)氣動流場品質(zhì)評價的要求完全不同,國內(nèi)規(guī)范缺乏真正涉及流場品質(zhì)方面的評價參數(shù)。下面結(jié)合國內(nèi)外研究成果,詳細(xì)分析試車間氣流速度均勻性、進(jìn)氣道總壓均勻性和引射比等參數(shù)對保證流場品質(zhì)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(fā)動機(jī)上游截面速度測量值的平均值,是隨著試車臺建設(shè)發(fā)展不斷變化的一個參數(shù)。早期試車臺設(shè)計的趨勢是盡量降低試車間平均氣流速度,降低進(jìn)氣沖量這一項的修正量,降低氣流流動不穩(wěn)定性對發(fā)動機(jī)性能造成的影響。羅羅公司對車臺性能要求標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試車間內(nèi)平均氣流速度不大于9.8 m/s;GJB 721-89《渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺校準(zhǔn)規(guī)范》中規(guī)定室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試車臺試車間平均氣流速度一般不大于10 m/s;GJB 5543-2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定小涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)和渦輪渦軸發(fā)動機(jī)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(fēng)扇發(fā)動機(jī)和渦輪螺槳發(fā)動機(jī)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(xiàn)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(jù)現(xiàn)有的分析方法,配合溫度、壓力、推力等參數(shù)的先進(jìn)測試手段,可準(zhǔn)確對測量推力以及其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正,不需要再對試車間的平均氣流速度進(jìn)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(jù)發(fā)動機(jī)上游遠(yuǎn)前方截面速度測量值計算而來的。一般情況下,發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)前方測量截面位于試車間內(nèi)距發(fā)動機(jī)唇口3D～4D(D為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量管直徑)的位置,或者位于發(fā)動機(jī)唇口與進(jìn)氣段最后一個進(jìn)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(wǎng)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(wǎng)格內(nèi)速度測點的最大值,m/s;vmin為測試網(wǎng)格內(nèi)速度測點的最小值,m/s;vave為測試網(wǎng)格內(nèi)速度測點的均值,m/s。

SAE AIR 4869A規(guī)定,距發(fā)動機(jī)唇口3D～4D的位置測得的發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)前方速度畸變應(yīng)不大于35%,此項數(shù)據(jù)可以作為評價試車間流場均勻性或質(zhì)量的通用指標(biāo)。GE(General Electric)在其試車臺設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,為保證試車間內(nèi)流動平穩(wěn),可接受的發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)前方速度均勻性最大為20%,且不允許有渦流進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道,即使試車臺受到32 m/s的側(cè)風(fēng)影響,也不允許對發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)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(nèi)氣動特性的一個重要參數(shù),與試車間氣流速度的均勻性共同決定了是否會在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)形成進(jìn)氣漩渦。引射比的定義式為

式中:α為引射比;WFC為試車間進(jìn)氣流量,kg/s;WENG為發(fā)動機(jī)進(jìn)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(fā)動機(jī)進(jìn)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(fā)動機(jī)進(jìn)氣渦流的主要原因。Freuler R J等人的研究表明,發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)前方速度均勻性控制在約30%的基礎(chǔ)上,引射比高于0.8時發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)不會有渦流產(chǎn)生[9]。SAE AIR 4869A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,為防止試車間內(nèi)產(chǎn)生漩渦或燃?xì)饣亓?引射比不能低于0.8。SAE AIR 5436標(biāo)準(zhǔn)中給出的數(shù)據(jù)為:大型航空發(fā)動機(jī)引射比一般在1～2之間,小型航空發(fā)動機(jī),特別是軍用發(fā)動機(jī),引射比一般不大于5。與國外相比,我國不管是大型航空發(fā)動機(jī)還是小型航空發(fā)動機(jī),引射比都普遍偏高。引射比越高,氣流速度越大,發(fā)動機(jī)運行的穩(wěn)定性、氣動附加阻力修正的準(zhǔn)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(jìn)氣壓力損失的參數(shù),是衡量試車臺防側(cè)風(fēng)能力的指標(biāo)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(nèi)靜壓,Pa。

SAE ARP 741-1976標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,為了降低大氣壓力和沖壓比的修正系數(shù),減輕對車臺建筑結(jié)構(gòu)的沖擊,試車間壓降應(yīng)控制在約1英寸水柱(約254 Pa)[10];SAE AIR 4869A-2015標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境側(cè)風(fēng)對發(fā)動機(jī)性能的影響[8]。GB 5543-2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試車間進(jìn)氣壓降不應(yīng)大于490 Pa,試車間內(nèi)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣截面與排氣截面的靜壓差不應(yīng)大于100 Pa,與GJB 721-89標(biāo)準(zhǔn)對室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試車臺試車間壓降的要求一致。目前看來,隨著航空發(fā)動機(jī)向大流量、大涵道比發(fā)展,結(jié)合更加嚴(yán)格的流場品質(zhì)和噪聲控制要求,較多的整流裝置勢必會造成更大的進(jìn)氣壓力損失,所以在發(fā)動機(jī)參數(shù)測試和換算水平提高的基礎(chǔ)上,對試車間壓降的要求應(yīng)適當(dāng)放寬。

1.5 進(jìn)氣道總壓均勻性

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道總壓均勻性是用來判斷發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)風(fēng)扇入口端面流場均勻性的參數(shù)。通用的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道總壓均勻性測量方法為:在進(jìn)氣道內(nèi)均勻安裝8個總壓測量耙,每個測量耙安裝5個測點進(jìn)行測量。進(jìn)氣道總壓均勻性的定義為

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

SAE AIR 4869A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道總壓均勻性應(yīng)符合發(fā)動機(jī)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(shù)達(dá)到指標(biāo)要求才能確保發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道總壓均勻性滿足指標(biāo)要求,所以這一指標(biāo)對流場品質(zhì)的判定起到?jīng)Q定性作用。

2 試車臺結(jié)構(gòu)設(shè)計對流場品質(zhì)影響

試車臺進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計是影響試車間流場品質(zhì)的主要因素,試車臺主要由進(jìn)氣段、試車間和排氣段組成,每一個結(jié)構(gòu)都必須根據(jù)其不同的作用單獨設(shè)計,同時必須與其它結(jié)構(gòu)相配合,使整個試車臺達(dá)到合適的空氣動力學(xué)和聲學(xué)性能。室內(nèi)試車臺結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 室內(nèi)試車臺結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 進(jìn)氣設(shè)計

我國室內(nèi)試車臺以垂直進(jìn)氣為主。進(jìn)氣系統(tǒng)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(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲,使試車間免受外界側(cè)風(fēng)的影響。進(jìn)氣整流單元如消音器、導(dǎo)流葉片、整流網(wǎng)等都會影響試車間流場的均勻性。進(jìn)氣塔頂部“蛋箱”結(jié)構(gòu)的裝置能夠有效防止側(cè)風(fēng)對進(jìn)氣質(zhì)量的影響。采用帶有90°導(dǎo)流葉片的垂直進(jìn)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(cè)風(fēng)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(jié)果表明,室內(nèi)試車臺加裝導(dǎo)流葉片后,0截面速度均勻性從103%提高到64%,核心區(qū)速度均勻性從92%提高到35%;合格的導(dǎo)流葉片除使氣流平穩(wěn)轉(zhuǎn)向外,還要盡量減小壓力損失。氣流從最后一個進(jìn)氣整流裝置到發(fā)動機(jī)入口的距離有嚴(yán)格要求,一般情況下,對于垂直進(jìn)氣方式,需要使整流網(wǎng)到發(fā)動機(jī)進(jìn)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(fā)動機(jī)所需的安裝系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)運行所需的其他設(shè)備。設(shè)計試車間時有兩個重要參數(shù)需要考慮:一個是發(fā)動機(jī)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(biāo),則給定測試段的最大發(fā)動機(jī)流量近似滿足

式中:We為發(fā)動機(jī)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(nèi)試車臺為例,在引射比為3的情況下,可測試的發(fā)動機(jī)最大流量不超過約432 kg/s。設(shè)計試車間時還需考慮其內(nèi)部設(shè)施的位置,并盡可能確保結(jié)構(gòu)的流線型:所有的輔助設(shè)備(行走平臺等)應(yīng)盡可能設(shè)計在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口截面之后,防止產(chǎn)生進(jìn)氣渦流;試車間內(nèi)部中的任何凸起(加熱管道、照明裝置、天車導(dǎo)軌、行走平臺等)都可能導(dǎo)致產(chǎn)生渦流,影響航空發(fā)動機(jī)測試,因此,為了減小流過發(fā)動機(jī)的氣流的壓降,試車間內(nèi)部各系統(tǒng)均應(yīng)采用流線型設(shè)計。應(yīng)借鑒國外試車臺設(shè)計經(jīng)驗,借助CFD建模計算等手段,從細(xì)節(jié)上不斷提高室內(nèi)試車臺流場品質(zhì)。

2.3 排氣設(shè)計

排氣系統(tǒng)應(yīng)保證不產(chǎn)生燃?xì)饣亓?不產(chǎn)生排氣反壓振蕩。引射筒尺寸和位置對試車間內(nèi)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(fā)動機(jī)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(chǎn)生燃?xì)饣亓?。排氣筒進(jìn)口形狀通常設(shè)計為喇叭形或錐形,平直進(jìn)氣或反錐形入口會導(dǎo)致進(jìn)口損失增加,降低吸入能力[11]。排氣筒直徑與發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)進(jìn)口總溫之比的平方根[12]。軍用發(fā)動機(jī)由于其較高的排氣溫度,導(dǎo)致了較高的引射比。排氣筒長度影響發(fā)動機(jī)高溫排氣與旁路氣流的混合效果,對于風(fēng)冷式渦扇發(fā)動機(jī)試車臺,通常建議排氣筒長徑比為4.0或更高。發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(nèi)噪聲較大,嚴(yán)重情況下會產(chǎn)生燃?xì)饣亓?。因此建議引射筒采用可移動式設(shè)計,確保引射筒和發(fā)動機(jī)尾噴口之間的距離最佳。

3 流場品質(zhì)評價參數(shù)體系

綜合國內(nèi)外關(guān)于室內(nèi)試車臺氣動流場的要求,并結(jié)合實際的測試經(jīng)驗,建議建立以試車間氣流速度均勻性、引射比和進(jìn)氣道總壓均勻性為核心的室內(nèi)試車臺流場品質(zhì)評價參數(shù)體系,如表2所示。

表2 室內(nèi)試車臺流場品質(zhì)評價體系

表2中除氣流速度均勻性、進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定,且適用于所有室內(nèi)試車臺。室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試車臺作為發(fā)動機(jī)性能評價以及參數(shù)傳遞的溯源車臺,其流場品質(zhì)比其他工作臺要求更高,未來對其進(jìn)行更深入的研究,對提高發(fā)動機(jī)性能評價的準(zhǔn)確性及結(jié)合實際陸續(xù)提高其他工作臺流場品質(zhì)具有重要意義。

4 結(jié)論

從國內(nèi)關(guān)于室內(nèi)試車臺氣動流場參數(shù)要求的相關(guān)規(guī)程規(guī)范來看,我國室內(nèi)試車臺的流場品質(zhì)要求相比于國外普遍較低,且規(guī)程規(guī)范中并沒有真正評價試車間內(nèi)流場品質(zhì)的氣動參數(shù),這也使得不同室內(nèi)試車臺流場品質(zhì)差異較大。為了提高我國室內(nèi)試車臺流場品質(zhì),建議從以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn):

1)完善流場品質(zhì)評價相關(guān)的規(guī)程規(guī)范。隨著車臺建設(shè)以及相關(guān)測試水平的發(fā)展,對室內(nèi)試車臺流場評價參數(shù)的要求也在不斷變化,要與時俱進(jìn),合理制定。

2)試車間流場均勻性和引射比是保證流場品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù),發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道總壓均勻性直接反映了發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)流場均勻性,是檢驗流場品質(zhì)好壞的重要參數(shù),這三者應(yīng)作為流場品質(zhì)評價的核心參數(shù)納入我國室內(nèi)試車臺流場品質(zhì)評價參數(shù)體系中。

3)試車臺的性能直接影響流場品質(zhì),設(shè)計試車臺時應(yīng)建立完整的氣流控制單元,且每個控制單元應(yīng)合理設(shè)計,使氣流平穩(wěn)過渡,盡量減少試車間內(nèi)輔助部件對流場品質(zhì)的影響?？山柚鷩饨?jīng)驗,利用CFD仿真手段進(jìn)行設(shè)計計算,不斷優(yōu)化試車臺設(shè)計。