侯朝山 竇健 吳優(yōu)萬(wàn) 鄭家祥 詹俊

摘要： 針對(duì)某些小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形徑向進(jìn)氣模式，提出了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口性能參數(shù)測(cè)試的工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法。以某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)架為研究對(duì)象，利用該方法進(jìn)行了工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)模型開(kāi)展了三維粘性數(shù)值仿真分析，計(jì)算結(jié)果表明工藝進(jìn)氣道總壓損失僅為0.2%，擴(kuò)壓段壁面漩渦是造成流動(dòng)損失的主要原因，工藝進(jìn)氣道測(cè)量段流場(chǎng)分布均勻，能夠較好地滿足進(jìn)口參數(shù)測(cè)試需求。

Abstract： Aiming at the annular radial intake of some small aeroengines， a design method of process intake for measurement engine inlet performance parameters is proposed. The research takes a certain type of turboshaft ground test-bed as the research object， using this method to design the process inlet， and further carrys out a three-dimensional viscous numerical simulation analysis on the design model. The calculation results show that the total pressure loss of the process inlet is only 0.2%， the wall vortex in the diffuser section is the main cause of flow loss. The flow field in the measurement section of the process inlet is evenly distributed， which can better meet the import parameter test requirements.

關(guān)鍵詞： 環(huán)形徑向進(jìn)氣;工藝進(jìn)氣道;總壓損失;漩渦

Key words： annular radial air inlet;process inlet;total pressure loss;vortex

中圖分類號(hào)：V216.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0031-04

0 ?引言

進(jìn)氣道作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛發(fā)匹配的關(guān)鍵因素之一，其設(shè)計(jì)首先應(yīng)當(dāng)滿足飛行的工作要求，其次進(jìn)氣道在全工況條件下必須為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠和高質(zhì)量的空氣[1]。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)講，進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。進(jìn)氣道需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的類型和發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣參數(shù)的要求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量研究。進(jìn)氣道設(shè)計(jì)從20世界80年代開(kāi)始，一些新特點(diǎn)、性功能、新概念的進(jìn)氣道被提出，從“Caret”進(jìn)氣道，到凸包進(jìn)氣道，再到新型凸包進(jìn)氣道，進(jìn)氣道設(shè)計(jì)逐漸為滿足新一代戰(zhàn)機(jī)隱蔽性、減重及性能的要求[2-6]。針對(duì)飛機(jī)整體氣動(dòng)布局需要，如升阻比、發(fā)動(dòng)機(jī)入口與進(jìn)氣道入口的中心線位置有一定的偏距等情況，S型進(jìn)氣道被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛發(fā)匹配設(shè)計(jì)中。南京航空航天大學(xué)郭榮偉教授對(duì)S形進(jìn)氣道進(jìn)行了大量研究[7-10]，獲得了進(jìn)口旋流在S型進(jìn)氣道內(nèi)部發(fā)展變化規(guī)律;翁培奮[11]提出了一種S彎進(jìn)氣道旋流控制方法;李其技[12]將S彎進(jìn)氣道用于高亞音速?gòu)椨冒l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì);馬高建[13]將S彎進(jìn)氣道設(shè)計(jì)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)上，研究了無(wú)人機(jī)S彎進(jìn)氣道的氣動(dòng)特性。為滿足飛機(jī)減重及降低成本的需求，近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)向超緊湊、超融合的方向發(fā)展[14]。

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)架，進(jìn)氣道為發(fā)動(dòng)機(jī)提供良好的進(jìn)氣條件同時(shí)，還需滿足一定的測(cè)試需求，如進(jìn)口總壓、靜壓及總溫等參數(shù)測(cè)量，此類為滿足一定功能需求而設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道稱作工藝進(jìn)氣道。針對(duì)軸向進(jìn)氣模式，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的設(shè)計(jì)研究工作，而對(duì)于環(huán)形徑向進(jìn)氣模式，相關(guān)研究領(lǐng)域幾乎一片空白。

本文首先創(chuàng)新性地提出了一種環(huán)形徑向進(jìn)氣工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)及進(jìn)口參數(shù)測(cè)試方法，其次以某型環(huán)形徑向進(jìn)氣的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，開(kāi)展了工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，最后基于CFD技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的工藝進(jìn)氣道進(jìn)行了性能計(jì)算評(píng)估。

1 ?工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法

1.1 工藝進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)均勻性、穩(wěn)定性以及測(cè)試要求，工藝進(jìn)氣道具體結(jié)構(gòu)按照功能特征及流動(dòng)特征分為防護(hù)網(wǎng)罩、導(dǎo)流段、測(cè)量段、過(guò)渡段、配合段以及測(cè)試設(shè)備，如圖1所示。環(huán)形徑向進(jìn)氣工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)思路：工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)加工要求內(nèi)壁面流道光滑，氣密性良好;導(dǎo)流段進(jìn)口無(wú)分離，具備良好的測(cè)試條件;測(cè)量段具有較大的長(zhǎng)度，以滿足總壓探針或總壓耙布置;過(guò)渡段為圓轉(zhuǎn)方變截面管路;配合段為上下對(duì)半開(kāi)的環(huán)形蝸殼結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣良好的配合。除上述主要結(jié)構(gòu)外，工藝進(jìn)氣道外部結(jié)構(gòu)還存在支撐裝置，以滿足臺(tái)架正常使用，本文不予敘述。

1.2 工藝進(jìn)氣道功能設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試車進(jìn)口參數(shù)測(cè)試需求包括：進(jìn)口總溫Tt1、進(jìn)口總壓Pt1、進(jìn)口靜壓P1以及空氣流量W1。測(cè)量工藝進(jìn)氣道進(jìn)口總溫Tt1的熱電偶布置在防護(hù)網(wǎng)罩上，測(cè)量進(jìn)口總壓的總壓Pt1耙布置在測(cè)量段，測(cè)量進(jìn)口靜壓P1的靜壓孔也布置在測(cè)量段，進(jìn)口空氣流量通過(guò)上述參數(shù)以及測(cè)量段截面積、流量系數(shù)計(jì)算獲得。

除上述測(cè)試功能外，工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)還需保證內(nèi)部流動(dòng)損失較小，即工藝進(jìn)氣道總壓損失較小，具有較高的總壓恢復(fù)系數(shù)。

1.3 進(jìn)口空氣流量測(cè)試方法

目前，國(guó)內(nèi)臺(tái)架試車進(jìn)口空氣流量測(cè)量主要采用雙扭線流量管測(cè)量法，雙扭線曲面結(jié)構(gòu)能基本實(shí)現(xiàn)無(wú)分離流動(dòng)，壓力損失小，該段進(jìn)氣道的出口截面（測(cè)量截面）壓力和速度分布比較均勻，通過(guò)測(cè)量該位置總壓、靜壓，根據(jù)流量連續(xù)定理，即可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量。

式中δ*邊界層位移厚度，δ邊界層厚度，DC為氣流流通面積。其中邊界層δ定義為流道外邊界至通道壁的垂直距離，只要用邊界層探針測(cè)出區(qū)內(nèi)總壓，并從壁面靜壓孔得到靜壓，就可求得邊界層厚度δ。

1.4 工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)流程

圖2給出了環(huán)形徑向進(jìn)氣工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)流程，主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口測(cè)試需求分析、模型測(cè)繪、工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)（氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇，測(cè)試元器件選擇）、設(shè)計(jì)校核及迭代（流場(chǎng)及強(qiáng)度分析）、工程出圖、試制加工、校準(zhǔn)試驗(yàn)等工作。

2 ?工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)實(shí)例

以某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，開(kāi)展了環(huán)形徑向進(jìn)氣工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣三維掃描模型如圖3所示。工藝進(jìn)氣道與進(jìn)氣機(jī)匣兩個(gè)防火擋板安裝連接，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上安裝技術(shù)要求，主要包括：進(jìn)氣濾網(wǎng)環(huán)形空間與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣之間最小橫截面積要求;進(jìn)氣道壁面最小徑向距離要求;機(jī)身進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)濾網(wǎng)最小距離要求等。

2.1 導(dǎo)流段及測(cè)量段設(shè)計(jì)

工藝進(jìn)氣道導(dǎo)流段采用雙扭線設(shè)計(jì)[15]，如圖4所示。采用雙扭線設(shè)計(jì)，雙扭線型面極坐標(biāo)方程為：

γ2=α2cos（2θ）（6）

式中θ取值范圍為0～45°，α取值范圍（0.6～0.8）D*，圖4中D*為進(jìn)口最大直徑，L為導(dǎo)流段長(zhǎng)度，D為測(cè)量段直徑。

2.2 圓轉(zhuǎn)矩形過(guò)渡段設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣尺寸以及發(fā)動(dòng)機(jī)安裝要求，確定過(guò)渡段出口矩形尺寸，過(guò)渡段進(jìn)口尺寸即為測(cè)量段出口尺寸。圓轉(zhuǎn)矩形過(guò)渡段擴(kuò)張角度為13.8°，從而確定了擴(kuò)壓段長(zhǎng)度。擴(kuò)壓段沿程面積變化和倒圓變化規(guī)律均采用緩急相當(dāng)?shù)木€性變化規(guī)律。圖5給出了工藝進(jìn)氣道圓轉(zhuǎn)矩形過(guò)渡段示意圖。

2.3 環(huán)形進(jìn)氣蝸殼設(shè)計(jì)

環(huán)形進(jìn)氣蝸殼是工藝進(jìn)氣道的配合段。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道外徑，并依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)短艙的安裝技術(shù)要求，確定進(jìn)氣蝸殼內(nèi)徑為Dv為1.9D0（如圖6），在環(huán)形進(jìn)氣蝸殼徑向內(nèi)環(huán)中心，設(shè)計(jì)有高度為l的分流擋板，分流擋板旨在避免兩側(cè)進(jìn)氣交匯流場(chǎng)過(guò)于復(fù)雜，造成較大的壓力損失，l取為0.45L0，以滿足安裝技術(shù)要求。

2.4 測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D4中雙扭線與中心線的交點(diǎn)定位為總壓及靜壓的測(cè)量截面，綜合考慮后期的氣密性和測(cè)量精度，工藝進(jìn)氣道僅加工總壓探針安裝座及靜壓測(cè)量孔結(jié)構(gòu)?？倝禾结樃鶕?jù)測(cè)量截面的尺寸設(shè)計(jì)為多點(diǎn)梳狀結(jié)構(gòu)，測(cè)點(diǎn)數(shù)量共計(jì)3點(diǎn)，沿周向均布4個(gè)，3個(gè)等環(huán)面位置測(cè)出3個(gè)總壓后，按照等環(huán)面計(jì)算均值，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3 ?設(shè)計(jì)結(jié)果初步分析

本文重點(diǎn)在于驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法可行性，至于外部管路對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)影響不做探究。因此數(shù)值分析忽略配合段，僅針對(duì)工藝進(jìn)氣道導(dǎo)流段、測(cè)量段以及擴(kuò)壓段所構(gòu)成的流體域。利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)工藝進(jìn)氣道氣動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如下：

圖8（a）給出了矩形短邊視圖中間截面總壓分布云圖。可以看出，主流區(qū)域總壓分布均勻，臨近壁面處有總壓損失。對(duì)應(yīng)計(jì)算得到的總壓損失約為0.2%。

圖8（b）給出了模型通道內(nèi)部流線分布?？梢钥闯觯p扭線進(jìn)口到測(cè)量段出口流線分布均勻;在圓轉(zhuǎn)矩形的擴(kuò)壓段出現(xiàn)了漩渦流動(dòng)，有局部損失。

4 ?結(jié)論

本文重點(diǎn)提出了一種環(huán)形徑向進(jìn)氣工藝進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，同時(shí)基于某型環(huán)形進(jìn)氣渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣，完成了工藝進(jìn)氣道初步設(shè)計(jì)，給出了工藝進(jìn)氣道測(cè)試方案。最終，對(duì)所設(shè)計(jì)的工藝進(jìn)氣道導(dǎo)流段、測(cè)量段以及擴(kuò)壓段進(jìn)行了初步的氣動(dòng)流場(chǎng)分析，結(jié)果表明模型總壓損失僅0.2%，測(cè)量段流場(chǎng)分布均勻，能夠較好地滿足測(cè)試條件。

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