某民用渦扇發動機飛行包線內吸雨量計算分析

代曉晴*,張翔,李森,鄭建弘

某民用渦扇發動機飛行包線內吸雨量計算分析

代曉晴*,張翔,李森,鄭建弘

分析吸雨對發動機工作性能的影響,首要的是確定能被發動機吸入的雨量。通過綜合考慮適航規章要求的大氣雨水分布、環境溫度、飛行速度、發動機功率和聚集效應對發動機吸雨的影響,結合完整的推力調節計劃,計算分析了某民用大涵道比渦扇發動機在不同推力等級下全飛行包線內風扇進口水氣比(WAR)。結果表明:在同一馬赫數下,風扇進口水氣比在6 100 m處達到最大;在該高度以下,水氣比隨著高度的增加而增大;在該高度以上,水氣比隨著高度的增加而減小;飛行馬赫數越大、環境溫度越高,水氣比也越大;并且標準天空中慢車推力下的風扇進口水氣比最大可達到7.38%。該計算方法可為民用渦扇發動機吸雨適航取證的關鍵點分析提供參考。

發動機;吸雨;聚集效應;水氣比;適航

現代飛機要求具備惡劣天氣下安全飛行的能力,而惡劣的天氣狀況如雷雨、強風等,對飛行安全極具威脅。作為一種較為常見的惡劣天氣現象,降雨會降低能見度、使跑道變得濕滑,導致飛機失控,影響飛行安全[1-2]。尤為嚴重的是,當飛機在極端云雨氣象條件下飛行時,氣流中的雨水會被吸入發動機。這將會改變發動機的壓縮部件、燃燒室、渦輪等的工作狀態,導致一系列發動機異常情況,如喘振、功率損失以及熄火等[3-7]。

歷史上曾發生過多起由發動機吸雨導致的飛行事故。1977年4月4日,美國南方航空一架裝配有兩臺Pratt&Whitney JT9D-7A發動機的DC-9型客機在飛行途中遇上特大暴雨及冰雹[8]。大量的雨水和冰雹被吸入發動機,使其短暫性失去動力,飛行高度降低。發動機恢復效能后,機組收到塔臺指示,要求爬升以避開最嚴重的暴雨區。但是,在加速爬升過程中發動機壓氣機發生喘振,導致金屬葉片暴裂,兩臺發動機全部失效,而飛機在迫降的過程中撞到加油站而爆炸,造成72人遇難。1980年6月12日,一架配備2臺Garrett TPE331發動機的客機,在穿過暴雨區時發動機吸入大量的雨水,導致雙發失效;飛機因此而墜毀,造成13人遇難[9]。2002年1月16日,印尼航空421號航班的一架Boeing 737-300客機在飛行途中,遇強雷雨天氣,兩臺CFM56-3B1發動機因吸入大量的雨水和冰雹而熄火,多次重啟失敗后,飛機緊急迫降,造成機體嚴重損傷,并有1人遇難[10]。

為保障民航安全,美國聯邦航空局 (FAA)、歐洲航空安全局 (EASA)、中國民航局(CAAC)均就航空發動機吸雨制定了適航標準,并隨著飛行經驗的積累和航空科技的發展作了多次修訂,目前已逐步達成一致[11-13]。國外OEM公司經過許多發動機型號的取證,已發展了成熟的發動機吸雨適航符合性驗證試驗技術。而目前國內對發動機吸雨的研究較少,也鮮有公開發表的相關文獻,尤其是對發動機持續吸雨適航條款的符合性驗證試驗研究基本處于空白。

發動機持續吸雨適航條款符合性驗證必須通過發動機吸雨試驗來完成。而在試驗前,需要通過試驗和理論分析確定發動機工作包線內由于吸雨導致其工作性能裕度(如喘振和失速裕度、燃油控制降轉裕度和燃燒室熄火裕度等)最低的點,即關鍵點,然后在該點進行發動機吸雨試驗以驗證其足以經受極度降雨條件[14]。發動機吸雨關鍵點分析是在考慮降雨環境條件、發動機排水狀況,如可調放氣活門和放氣閥控制等的基礎上,根據如雨滴運動軌跡等方法計算得到進入核心機的雨量,進而研究雨水的吸入對發動機工作性能的影響。為此,首先需在發動機整個工作包線范圍內綜合考慮雨水分布、飛行狀態、發動機狀態等的影響,得到被吸入發動機的雨量,確定發動機吸雨的入口條件,以從其中選擇關鍵點。

《航空發動機適航規定》(CCAR-33R2)附錄B給出了合格審定標準大氣降雨濃度和尺寸分布,持續吸雨適航條款要求發動機遭遇到該審定標準的雨量時,在其整個規定的工作包線范圍內仍有可接受的工作能力[13]。依據圖表中規定的合格審定大氣雨水濃度分布,以及進入發動機的空氣質量流量即可計算得到發動機吸入的雨量。但是,一些工況下,如低轉速和高飛行速度,氣流在發動機進口會有部分溢出,而水滴顆粒相對較大,慣性也較大,大部分不會隨著氣流溢出,而被發動機捕獲。這增大了進入發動機的雨水和空氣的質量流量之比,表明發動機吸雨存在聚集效應[15-18]。吸雨聚集效應與發動機進口的結構、飛行狀況以及發動機功率,如起飛、巡航、慢車等緊密相關。因此,為分析某一特定型號發動機進口的吸雨量,必須結合其全飛行包線的推力管理計劃,對其最大起飛、最大巡航、空中慢車等各個推力水平逐一展開研究。

本文根據CCAR-33R2附錄B規定的合格審定標準雨水濃度分布,并考慮了環境溫度、飛行狀況、發動機功率和聚集效應對發動機吸雨的影響,對某民用大涵道比渦扇發動機計算分析了最大起飛、最大爬升、最大巡航、最大連續、50%最大連續、空中慢車等推力下全飛行包線內風扇進口水氣比。

1 計算方法

1.1 風扇進口空氣流量

本文以某民用大涵道比渦扇發動機為研究對象,運用燃氣輪機總體性能分析軟件Gasturb,計算得到最大起飛、最大爬升、最大巡航、最大連續、50%最大連續、空中慢車等推力下氣流在風扇進口處的質量流量。

該發動機的推力管理調節計劃使用Flat rating方法,如圖1所示(OAT為周圍大氣溫度),有以下特點:存在一個能保持該推力等級下全推力/功率狀態的最高大氣溫度,即拐點溫度TCP;在拐點溫度左邊,大氣溫度減小,可保持推力恒定,則低壓換算轉速N1R也恒定;在拐點溫度右邊,大氣溫度增大,需降低N1R以保持排氣溫度(EGT)恒定。拐點溫度與國際標準大氣溫度間的溫差ΔTISA與推力等級相關[19]。對于最大起飛、最大連續、最大爬升和最大巡航等高功率狀態,將風扇換算轉速N1R作為其推力管理調節計劃的被控參數。對于空中慢車等低功率狀態,將被控參數設為高壓轉子換算轉速N2R。

在確定了該民用大涵道比渦扇發動機推力管理調節計劃后,還需確定計算高度和馬赫數,得到不同高度和馬赫數下的風扇進口空氣流量,用于計算水氣比。作為風扇進口水氣比的自變量,飛行高度和馬赫數的取值對擬合結果至關重要。通過對該型號發動機全飛行包線內不同高度和馬赫數下風扇進口水氣比的大量計算,發現風扇進口水氣比的分布受馬赫數的影響相對較大。經過驗證,最終確定飛行高度取值間距為1 000 m,馬赫數的取值間距為0.01,如對于最大巡航推力等級,在飛行包線0～12 000 m的高度范圍內,每隔1 000 m選取1個高度,共取13個值,在其中某高度處飛行包線內的馬赫數范圍為0.34～0.9,則每隔0.01選取1個馬赫數,共取57個值進行計算。對于各給定的高度和馬赫數,運用Gasturb軟件,根據該發動機的推力管理調節計劃確定被控參數的數值,以此計算環境溫度為國際標準大氣溫度(ΔTISA=0)時風扇進口的空氣流量。對于最大起飛和空中慢車推力等級,同時計算了ΔTISA=-15 K和ΔTISA=15 K時風扇進口的空氣流量。

1.2 雨水吸入流量

進氣道捕獲氣流流管在整個發動機功率和飛行速度范圍內變化。在高轉速及低飛行速度情況下,流入進氣道的實際空氣質量流量大于以自由流參數流過捕獲面積的空氣質量流量,將會使得流量超過發動機進口截面自由捕獲量的雨水跟隨氣流被吸入發動機。而在低轉速及高飛行速度情況下,與可得到的沖壓空氣相比,要求吸入的空氣質量流量較小。因此,進氣道前大部分空氣溢出,并且隨著發動機轉速的降低及飛行速度的增加,捕獲空氣流管面積減小,進氣道氣流外溢增強。對于大雨滴,由于其質量較大,慣性也較大,相對而言不受氣流溢出的影響,將會被進氣道捕獲,增大了進入發動機的水氣比。

綜上所述,在發動機整個工作包線范圍內,被吸入發動機的雨水的質量流量MW應為發動機可能吸入的最大雨量。因此,MW應取跟隨氣流被吸入發動機的雨量MW1與以自由流被短艙唇口捕獲的雨量MW2二者中較大的值,即有

MW=max(MW1,MW2) (1)1.2.1 隨氣流的雨水吸入流量MW1

CCAR-33R2附錄B規定的合格審定標準雨水濃度分布圖給出了數個高度上大氣中的雨水含量LWC(單位為g/m3),其他高度H(單位為m)上雨水含量的值可以由線性內插的方法確定,即

根據1.1節計算得到的空氣流量,結合適航規章規定的合格審定大氣雨水濃度分布,可計算得到跟隨氣流被吸入發動機的雨量MW1為

在高校協同創新成為國家戰略的背景下，大學生創業教育作為高等教育的重要內容和辦學理念，也應該成為協同創新體系中的重要內容之一。協同創新是開放式的創新模式，強調組織內和組織外資源的挖掘和整合，具有開放、合作、共享等特點。基于協同創新內涵梳理，我們可以這樣理解：協同是手段，創新是目的。創業教育協同就是把與創業教育相關的主體聯動起來，把相關資源整合起來，共同服務于創業教育的根本目標——創新。

式中:MA為風扇進口空氣流量;ρA為空氣密度。1.2.2 以自由流被短艙唇口捕獲的雨水吸入流量MW2

將發動機短艙進氣道口集雨面積Ah與集氣面積Ac之比定義為聚集因子SF,即SF=Ah/Ac(如圖2所示)。集雨面積Ah為短艙進氣道入口面積,集氣面積Ac為通過進氣道入口的空氣流量所對應的自由流流管面積。目前理論分析中應用的一些經驗聚集因子與顆粒形狀、顆粒之間以及顆粒與發動機之間的多次碰撞有關,但是在有些情況下,這些經驗系數適用性不好,因此建議發動機進口雨水的吸入應能體現最為危險的狀況,即雨水的捕獲面積等于短艙唇口面積[20],進一步忽略雨水的溢出(這一假設會高估吸雨量,因此能體現發動機吸雨最為苛刻的狀況),此時被吸入發動機的雨量與以自由流參數流過短艙唇口的雨量相等,則MW2為式中:S為短艙唇口面積;V為飛行速度。

給定飛行高度H和馬赫數Ma,標準大氣的溫度TISA、壓力p、空氣密度ρA、當地音速C、飛行速度V的計算表達式為

式中:R=287.06 J/(kg·K)為空氣的氣體常數;γ=1.4為空氣的比熱比。

根據式(3)和式(4)分別算出MW1和MW2,然后根據式(1)取兩者之中較大的值,即為風扇進口吸雨量。

1.3 風扇進口吸雨水氣比

風扇進口吸雨水氣比(WAR)為被吸入發動機的雨水和空氣的質量流量之比,即

當推力水平較高、飛行速度較小時,在飛行包線內一般有 MW1＞MW2,此時 MW=MW1,則WAR=WAR1=MW1/MA;當推力水平較低、飛行速度較大時,在飛行包線內一般有MW2＞MW1,此時MW=MW2,則 WAR=WAR2=MW2/MA(如圖3所示)。

2 計算結果和討論

本文對某大涵道比民用渦扇發動機,計算分析了最大起飛、最大連續、最大爬升、最大巡航、50%最大連續、空中慢車等推力下全飛行包線內風扇進口空氣流量、吸雨量以及相應的水氣比。

2.1 標準大氣下風扇進口水氣比

圖4給出了國際標準大氣溫度下最大連續、最大爬升、最大巡航、50%最大連續、空中慢車推力下風扇進口水氣比在不同飛行高度和馬赫數下的分布等值線圖。從圖中可以看出,對于任意推力等級,風扇進口水氣比隨飛行高度和馬赫數的變化趨勢相同。在同一飛行高度處,當飛行馬赫數較小時,風扇進口水氣比不隨飛行速度的變化而變化,這是由于此時進入進氣道的實際空氣質量流量大于以自由流參數流過捕獲面積的空氣質量流量,吸雨量的計算采用式(3),而在一定高度上,合格審定大氣的雨水濃度為一常數,因此水氣比不隨飛行馬赫數的變化而變化;當馬赫數較大時,風扇進口水氣比隨著飛行馬赫數的增大而增大,這是由于隨著飛行速度的增大,短艙進口截面捕獲的雨水的質量流量增大(吸雨量的計算采用式(4)),雖然空氣流量也在增大,但是氣流溢出量也較大。水氣比增大,表明吸雨的聚集效應越來越顯著。在同一馬赫數下,風扇進口水氣比在6 100 m處達到最大;在該高度以下,水氣比隨著高度的增加而增大;在該高度以上,水氣比隨著高度的增加而減小。航空發動機適航規章規定的合格審定標準的大氣雨水濃度在6 100 m及以下時為一恒定值,即20 g/m3,而在該高度以上時雨水含量降低。在6 100 m以上高度飛行時,在同一馬赫數下,隨著飛行高度的增加,空氣的質量流量和每立方米空氣中的雨水濃度均減小,但是被吸入發動機的雨水流量的減少幅度大于氣流,因此風扇進口的水氣比降低。在6 100 m以下高度飛行時,在同一馬赫數下,隨著飛行高度的增大,空氣流量降低,而考慮到聚集效應的影響,被吸入發動機的雨水流量大致相當,使得進入發動機的雨水與空氣的流量之比增大,直至高度增大到6 100 m時達到最大。

在6 100 m飛行高度處,各推力等級下的風扇進口水氣比隨著馬赫數的增大而增大。相同環境條件下,最大連續、最大爬升、最大巡航、空中慢車的推力或功率水平是依次遞減的,導致空氣的溢流依次遞增,因此吸雨的聚集效應也相應地依次增強,聚集因子依次增大(如圖5所示)。飛行環境條件一致時,最大連續、最大爬升、最大巡航、空中慢車推力下風扇進口水氣比依次遞增;對于同一推力等級,當推力水平降低時,聚集效應增強,風扇進口水氣比增大,如對于最大連續推力等級,當推力降低50%時,風扇進口最大水氣比由4.75%增大到5.48%。

2.2 溫度對風扇進口水氣比的影響

大氣溫度可通過空氣密度和發動機轉速來影響風扇的空氣流量。大氣溫度升高,其密度會減小(式(7))。如圖1所示,當大氣溫度低于拐點溫度時,發動機的換算轉速不變,隨著大氣溫度的升高流入發動機的空氣流量減少;而當大氣溫度高于拐點溫度時,發動機需降低轉速以保證渦輪前溫度不超過限制值,因此額外地減少了流入發動機的空氣流量。在高功率低飛行速度狀態下,跟隨氣流被吸入發動機的雨水流量減少,但減小幅度小于空氣;而在低功率高飛行速度狀態下,以自由流被短艙唇口捕獲的雨水流量基本不變,這2種情況均會使得水氣比增大。在此研究了大氣溫度低于拐點溫度時對發動機吸雨水氣比的影響。

2.2.1 空中慢車

圖6給出了與國際標準大氣溫差ΔTISA=15,-15 K時空中慢車推力下全飛行包線內風扇進口水氣比在不同飛行高度和馬赫數下的分布等值線圖。從圖中可以看出,環境溫度不同時,空中慢車推力下風扇進口水氣比在全飛行包線內變化趨勢基本一致,只是值的大小有差異。計算結果表明由于空中慢車推力水平較低,因此在飛行包線內,以自由流被短艙唇口捕獲的雨量大于跟隨氣流被吸入發動機的雨量,發動機吸雨表現出較強的聚集效應。在同一高度、同一馬赫數下,吸雨量隨環境溫度的增大而增大,而環境溫度越高流入發動機的空氣流量越低,因此水氣比越大。當ΔTISA分別為-15、0、15 K時,空中慢車推力下風扇進口水氣比最大可分別達到6.97%、7.38%、7.87%。

2.2.2 最大起飛

圖7給出了最大起飛推力下ΔTISA=-15,0,15 K時風扇進口水氣比在不同飛行高度和馬赫數下的分布等值線圖。從圖中可以看出,起飛包線內不同溫度下的風扇進口水氣比變化趨勢一致,只是值的大小有差異。在同一高度處,當馬赫數較小時,不同溫度下的風扇進口水氣比不隨馬赫數的變化而變化;而當馬赫數較大時,風扇進口水氣比隨著飛行馬赫數的增大而增大,且在同一馬赫數下,環境溫度越高,風扇進口水氣比越大。由于最大起飛的推力水平較大,與最大連續、最大爬升推力下的吸雨情況一致,當飛行馬赫數較小時,雨水跟隨氣流被吸入發動機,而在最大起飛包線高度內,合格審定大氣的雨水濃度均為20 g/m3,因此進入發動機的雨水與空氣的流量之比不變。當飛行馬赫數較大時,發動機吸雨表現出聚集效應,并且隨著馬赫數的增大,聚集效應越來越顯著,因此水氣比也增大。

此外,從圖中可以看出,在同一馬赫數下,風扇進口水氣比隨著高度的增大而增大。同一馬赫數下,高度越高,發動機轉速一般越大,進入發動機的空氣的體積也越大,由于起飛包線內合格審定標準的大氣雨水濃度均為20 g/m3,因此被吸入發動機的雨水也較多;但是由于空氣密度較小,質量流量反而較低,因此風扇進口水氣比隨著高度的增大而增大。

3 結 論

1)本文根據航空發動機吸雨適航規定,給出了發動機吸雨量的計算方法,得到了風扇進口水氣比在飛行包線內的變化規律,計算結果表明對于不同的推力等級,風扇進口水氣比隨飛行高度和馬赫數的變化趨勢大致相同。

2)在同一高度處,當飛行馬赫數較大時,隨著飛行馬赫數的增大風扇進口水氣比增大,吸雨聚集效應增強;在同一馬赫數下,風扇進口水氣比在6 100 m處達到最大;在該高度以下,水氣比隨著高度的增加而增大;在該高度以上,水氣比隨著高度的增加而降低。

3)同一飛行條件下,隨著最大連續、最大爬升、最大巡航、空中慢車的推力或功率水平的依次遞減,吸雨聚集因子依次增大,聚集效應依次增強。當環境溫度不同時,各推力等級下風扇進口水氣比的變化趨勢也是一致的,且溫度越高水氣比越大。

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Calculation and analysis of fan inlet rain ingestion of a civil turbofan engine throughout the flight envelope

DAl Xiaoqing*,ZHANG Xiang,Ll Sen,ZHENG Jianhong

AECC Commercial Aircraft Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200241,China

To evaluate the influence of rain ingestion on the performance of an aircraft engine,the amount of rain ingested into the engine should be determined first.ln this paper,the effects of liquid water concentration profiles defined by China Civil Aviation Regulations,environment temperature,flight speed,engine power,and scoop factor on water ingestion of engine,combined the full power management schedules,the fan inlet water air ratio(WAR)throughout a civil turbofan engine's operating envelope at different thrust levels is calculated and analysed.The results at all power levels show that at any constant Mach number,fan inlet water air ratio increases with altitude until it peaks at 6 100 m.Above 6 100 m,WAR decreases with the increase of altitude.Furthermore,the higher the Mach number and the ambient temperature,the larger the WAR.For flight idle on a standard day,the maximum WAR can reach as high as 7.38%.The calculating and analyzing method presented in this paper can provide the inlet boundary condition for analysis of rain ingestion critical point in engine airworthiness compliance test.

engine;rain ingestion;scoop factor effect;water air ratio;airworthiness

2016-12-26;Revised:2017-01-11;Accepted:2017-02-28;Published online:2017-03-23 16:36

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170323.1636.006.html

Shanghai Science and Technology Committee under Grants(14DJ1400300)

中國航發商用航空發動機有限責任公司,上海 200241

V235

A

1000-6893(2017)07-121076-09

10.7527/S1000-6893.2017.121076

2016-12-26;退修日期:2017-01-11;錄用日期:2017-02-28;網絡出版時間:2017-03-23 16:36

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170323.1636.006.html

上海市科學技術委員會科研計劃(14DJ1400300)

*通訊作者.E-mail:daixiaoqing12@163.com

代曉晴,張翔,李森,等.某民用渦扇發動機飛行包線內吸雨量計算分析[J].航空學報,2017,38(7):121076.DAl X Q,ZHANG X,Ll S,et al.Calculation and analysis offan inlet rain ingestion of a civil turbofan engine throughout the flight envelope[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2017,38(7):121076.

(責任編輯:王嬌)

*Corresponding author.E-mail:daixiaoqing12@163.com