航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)適航性設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

侯升平

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028 ）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)是指由從壓氣機(jī)抽取空氣，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)主流道的內(nèi)側(cè)或外側(cè)各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)元件（孔、管道、封嚴(yán)環(huán)和特定結(jié)構(gòu)形成的腔道等），按設(shè)計(jì)的流路及參數(shù)（壓力、溫度和流量等）流動(dòng)并完成規(guī)定的各項(xiàng)功能，最后從確定的主流道的若干部位排出，與主流匯合或直接泄露到機(jī)體外部的復(fù)雜系統(tǒng)。該系統(tǒng)由排入大氣的流路串聯(lián)和并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)組成。空氣系統(tǒng)承擔(dān)著發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件冷卻、防冰、卸荷、調(diào)節(jié)軸向力、封嚴(yán)等多個(gè)重要功能任務(wù)。

因此，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性及分析方法的準(zhǔn)確性將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滿足適航性要求產(chǎn)生很大影響。

本文在分析現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)分析方法基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)CCAR 33部適航條款要求的研究提出了改進(jìn)建議。為了與工程設(shè)計(jì)實(shí)際相結(jié)合，本文以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)系統(tǒng)為模型，進(jìn)行了定量計(jì)算并結(jié)合適航規(guī)章要求進(jìn)行了分析，以便為工程設(shè)計(jì)人員提供有價(jià)值的參考。

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析涉及到較多專業(yè)知識(shí)，本文立足于對(duì)適航性要求的考量，不展開(kāi)討論專業(yè)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，但為了便于說(shuō)明問(wèn)題，首先來(lái)簡(jiǎn)要介紹一下空氣系統(tǒng)分析方法及其對(duì)適航性的影響。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)適航性要求分析

民用適航規(guī)章CCAR 33部中有多個(gè)條款涉及到對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)的要求，其中直接涉及到空氣系統(tǒng)的條款有33.21“發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻”、33.66“引氣系統(tǒng)”、33.68“進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰”、33.88“發(fā)動(dòng)機(jī)超溫試驗(yàn)”、33.89“工作試驗(yàn)”等。還有多個(gè)條款雖然沒(méi)有直接涉及到空氣系統(tǒng)，但卻間接受到空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。例如：33.17條“防火”（a）要求“渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造必須使出現(xiàn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效、過(guò)熱或其他危險(xiǎn)的內(nèi)部著火的可能性減至最低。”渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段就是首先要基于空氣系統(tǒng)等頂層系統(tǒng)的功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)分配，而后基于結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、傳熱等多學(xué)科進(jìn)行優(yōu)化和綜合；33.62條“應(yīng)力分析”中要求“必須對(duì)每型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分析，表明每個(gè)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、隔圈和轉(zhuǎn)子軸的設(shè)計(jì)安全裕度”發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)力分析包含了熱應(yīng)力，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫部件的熱應(yīng)力分析的邊界就來(lái)源于空氣系統(tǒng)分析（以上只是舉例說(shuō)明，在這里不逐條分析）。

2 現(xiàn)有空氣系統(tǒng)分析方法介紹

空氣系統(tǒng)分析方法是指將空氣系統(tǒng)流路系統(tǒng)簡(jiǎn)化為由元件和節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，其中j、k、l是邊界節(jié)點(diǎn)，i是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，JI, IK, IL是元件。在節(jié)點(diǎn)處建立質(zhì)量、能量守恒方程，在元件處建立動(dòng)量守恒方程，通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)級(jí)的質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程和輔助方程來(lái)分析得到發(fā)動(dòng)機(jī)的一些頂層分配參數(shù)，包括了高溫部件的冷卻空氣溫度、流量等，而這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)中滿足適航條款中的“超溫”、“應(yīng)力”、“耐久性”等要求具有重要意義。得到局方認(rèn)可的科學(xué)的分析方法可以劃歸到10類適航性符合性方法中的分析方法類，可作為工業(yè)方滿足適航性要求的重要依據(jù)。

圖1 空氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

3 現(xiàn)有空氣系統(tǒng)分析方法在滿足適航性要求方面的不足

CCAR 33.21條“發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻”要求“發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造必須在飛機(jī)預(yù)定工作條件下提供必要的冷卻”。要達(dá)到此項(xiàng)要求就必須保證引入足夠的冷卻空氣流量，而發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的這個(gè)流量就是由發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)決定的，換句話說(shuō)，設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性直接影響到這個(gè)流量分配的合理性。

CCAR 33.66條“引氣系統(tǒng)”要求“發(fā)動(dòng)機(jī)必須提供引氣而不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生除推力或功率輸出降低外的不利影響”。之所以有此規(guī)定，就是考慮了空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中冷卻空氣引氣流量的大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率或推力產(chǎn)生的較明顯的影響。

CCAR 33.68條“進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰”要求“發(fā)動(dòng)機(jī)在其整個(gè)飛行功率范圍內(nèi)的工作中，在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上不應(yīng)出現(xiàn)影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失的結(jié)冰情況”。 這一條看似是一個(gè)寬泛的要求，其實(shí)包含的內(nèi)容很豐富。由于空氣系統(tǒng)引氣中有一部分用于防冰，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)只是對(duì)這部分空氣的功能效果提出要求，并在設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)化為對(duì)引氣的流量、溫度的要求，而流量、溫度的設(shè)計(jì)就是基于空氣系統(tǒng)分析。

綜上所述，這幾個(gè)與空氣系統(tǒng)相關(guān)的條款在設(shè)計(jì)中能否得到滿足，很大程度上依賴于空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，而現(xiàn)在設(shè)計(jì)廠所采用的空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在如下兩個(gè)方面的問(wèn)題。

3.1 定量分析的準(zhǔn)確度得不到保證

空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析采用基于工程經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式和人工劃分的網(wǎng)絡(luò)，而國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)研究對(duì)于試驗(yàn)或工程分析得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的儲(chǔ)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，人為劃分的網(wǎng)絡(luò)隨意性較大，而劃分網(wǎng)絡(luò)的思路不同又會(huì)引起對(duì)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫(kù)的要求不同，這就導(dǎo)致了不同人劃分的網(wǎng)絡(luò)采用相同的計(jì)算方法反而得到了較大差別的結(jié)果。

3.2 無(wú)法確定空氣系統(tǒng)與高溫部件耦合邊界

現(xiàn)在采用的設(shè)計(jì)方法將空氣系統(tǒng)分析和熱端部件分析單獨(dú)進(jìn)行，再以彼此分析結(jié)果作為自己的邊界條件進(jìn)行迭代。但由于空氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)熱分析密切相關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)的非穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程使得各部件溫度不斷改變，熱膨脹發(fā)生變化，空氣系統(tǒng)各處流通間隙、封嚴(yán)結(jié)構(gòu)特性也隨之發(fā)生變化，從而也就改變了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各處冷卻空氣的流量分布、溫度分布和壓力分布。在瞬態(tài)變化過(guò)程中，由于空氣系統(tǒng)與沿程熱端部件邊界的相互影響時(shí)刻進(jìn)行并變化，用現(xiàn)有方法無(wú)法準(zhǔn)確確定兩部分分析的邊界條件，特別是對(duì)于如此龐大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種計(jì)算方法數(shù)據(jù)傳輸復(fù)雜、計(jì)算量大且難以保證準(zhǔn)確度，顯然對(duì)最后的分析結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而對(duì)滿足適航性要求會(huì)產(chǎn)生較大影響。

上述兩個(gè)問(wèn)題決定了現(xiàn)在空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算難以得到準(zhǔn)確結(jié)果，偏差有時(shí)甚至超過(guò)了工程設(shè)計(jì)可接受的范圍，通過(guò)上述對(duì)條款的分析可以看出，如果空氣系統(tǒng)分析得不到有效的結(jié)果，受其參數(shù)控制或與之相關(guān)的多個(gè)條款的符合性就難以達(dá)到。

要解決第一方面的問(wèn)題需要形成完備的基礎(chǔ)部件關(guān)聯(lián)式的數(shù)據(jù)庫(kù)，這方面國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)還存在較大的欠缺，短期內(nèi)還難以做到，還需在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中大量積累。另外一點(diǎn)是要基于工程實(shí)際形成科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)劃分方法，在網(wǎng)絡(luò)劃分時(shí)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)流路的結(jié)構(gòu)形狀、功能特點(diǎn)等，形成典型部件設(shè)計(jì)方法模板。當(dāng)然，第一方面的問(wèn)題不是本文討論的重點(diǎn)，在這里不展開(kāi)討論。

解決第二方面的問(wèn)題需要研究一種更好的方法來(lái)解決空氣系統(tǒng)和高溫部件耦合邊界難以確定的問(wèn)題，下面著重介紹一下為了解決這個(gè)問(wèn)題而引入的改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。

4 從適航符合性角度對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)建議

將傳統(tǒng)的空氣系統(tǒng)和高溫部件互為邊界條件的分析方法改為空氣系統(tǒng)和高溫部件作為一個(gè)整體的一體化網(wǎng)絡(luò)分析方法，固體區(qū)域作為阻力系數(shù)無(wú)窮大流量為0的特殊流體，兩部分方程組成流固一體化網(wǎng)絡(luò)控制方程組。

流體固體交界處引入對(duì)流換熱熱阻連接固體節(jié)點(diǎn)與流體節(jié)點(diǎn)，從流體入口節(jié)點(diǎn)起，與節(jié)點(diǎn)下游流體元件對(duì)應(yīng)的固體節(jié)點(diǎn)集中到此流體元件的出口節(jié)點(diǎn)，依此類推在所有邊界上把固體節(jié)點(diǎn)與流體節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)形成整體網(wǎng)絡(luò)，從而將工程分析過(guò)程中難以處理的流固相鄰邊界變?yōu)檎麄€(gè)系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)在部分，這樣就克服了空氣系統(tǒng)和高溫部件互為邊界條件的缺陷，使分析結(jié)果更接近物理實(shí)際。

下面將該方法應(yīng)用到某發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)中，分析一下改進(jìn)的方法和傳統(tǒng)方法差別，如果差別很大，說(shuō)明即使設(shè)計(jì)過(guò)程是按照適航條款要求來(lái)做的，但由于分析技術(shù)的缺陷最后設(shè)計(jì)出來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)可能仍難以真正達(dá)到適航性要求。

5 兩種設(shè)計(jì)方法結(jié)果分析及其對(duì)適航性影響的討論

首先了解這兩種思路在設(shè)計(jì)過(guò)程中可能引起哪些參數(shù)的不同。采用傳統(tǒng)方法，在流固耦合邊界面上流體的物性參數(shù)隨溫度變化并且流體元件的阻力系數(shù)與溫度的關(guān)系通過(guò)其物性參數(shù)與溫度的關(guān)系關(guān)聯(lián)起來(lái)；采用改進(jìn)的方法，在耦合邊界上，不僅考慮流體的物性參數(shù)隨溫度變化，還要考慮由離心力場(chǎng)衍生浮力對(duì)流動(dòng)的影響，通過(guò)將流體元件的阻力系數(shù)和換熱系數(shù)間接或直接耦合起來(lái)進(jìn)行迭代。

該方法被應(yīng)用到一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)模型計(jì)算中，簡(jiǎn)化后的網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，渦輪盤(pán)由348個(gè)固體元件和264個(gè)固體節(jié)點(diǎn)組成，渦輪盤(pán)前后腔空氣流路由20個(gè)流體元件和21個(gè)流體節(jié)點(diǎn)組成，流體和固體之間由100個(gè)對(duì)流換熱熱阻元件連接。其中節(jié)點(diǎn)265和275為進(jìn)口節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)270和295為出口節(jié)點(diǎn)。進(jìn)出口已知條件如表1所示。為了好標(biāo)示，采用術(shù)語(yǔ)弱耦合和強(qiáng)耦合來(lái)分別表示傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法，后面分析中也用這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法和改進(jìn)方法。

圖3是兩種耦合計(jì)算方法預(yù)測(cè)的渦輪盤(pán)后腔冷氣流量分配，可以看出兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相同，但數(shù)值出現(xiàn)了較大差別，弱耦合方法模擬結(jié)果比強(qiáng)耦合方法模擬結(jié)果大，說(shuō)明與考慮換熱對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化影響的強(qiáng)耦合相比，沒(méi)有考慮換熱對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)影響的弱耦合，過(guò)高估測(cè)了流到渦輪盤(pán)后腔的冷氣流量，而在設(shè)計(jì)階段冷卻空氣的過(guò)高估計(jì)極有可能使發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作中難以維持好的冷卻效果甚至燒壞，適航條款中所有涉及到空氣系統(tǒng)的高溫部件要求都可能因?yàn)闆](méi)有采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)分析方法而在符合性驗(yàn)證階段出現(xiàn)高溫部件容易燒壞、斷裂而難以滿足相關(guān)適航條款要求的狀況。這一點(diǎn)可以從圖4中反映出來(lái)。圖4是兩種方法預(yù)測(cè)的渦輪盤(pán)后表面溫度分布沿徑向的變化規(guī)律，趨勢(shì)一致但弱耦合計(jì)算的渦輪盤(pán)后表面溫度最多的地方低了近50℃。從這里可以看出，如果基于弱耦合則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員盲目地認(rèn)為冷卻空氣足夠而沒(méi)有留出足夠的設(shè)計(jì)裕度，最終導(dǎo)致高溫部件其實(shí)沒(méi)有得到有效冷卻而燒壞，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)安全。

6 結(jié) 論

對(duì)涉及多個(gè)適航條款要求、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)適航性設(shè)計(jì)有較大影響的空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)，并從提高安全性設(shè)計(jì)的角度提出了在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)

圖2 空氣子系統(tǒng)和渦輪盤(pán)一體化網(wǎng)絡(luò)模型

表1 進(jìn)出口已知條件

圖3 渦輪盤(pán)后腔沿程冷卻空氣流量分配對(duì)比

圖4 渦輪盤(pán)后表面溫度變化對(duì)比上的改進(jìn)措施，并就某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行了定量分析比較，得到了如下結(jié)論。

如果真正在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段貫徹適航性理念，傳統(tǒng)的空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在不足，需要結(jié)合適航性要求進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)定量分析比較發(fā)現(xiàn)，采用本文提出的改進(jìn)建議可以一定程度上改進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在滿足適航性要求上的不足。

本文主要是提出一個(gè)思路，目的是探索如何在設(shè)計(jì)階段不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)以便更好地滿足適航性要求，為即將開(kāi)展的滿足適航性要求的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)提供參考。

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