某型渦扇發動機試車臺引射系數研究分析

何敏祥 龍振軍 朱愛迪 鄧少春 宋瑞民 文強

摘要：基于某型渦噴發動機試車時的臺架氣動參數，校驗計算結果與試驗得到的參數最大相差約5.1%。通過理論計算分析某型渦扇發動機試車時引射系數及排氣筒內流場情況，估算出某型渦扇發動機在某試車臺試車時引射系數為9.21，試車臺空氣流速為4.23m/s，引射筒出口靜壓為88.64kPa，引射筒出口氣體流速為65.26m/s，引射氣體可以從排氣塔排出;計算出無因次參數H=0.346<0.6，引射筒內會有環流區出現，對于該型渦扇發動機和其它型號發動機排氣引射系統的研制具有一定的工程應用價值。

Abstract： Based on the aerodynamic parameters of a type of turbojet engine during test run .The parameters were obtained by calculation and test respectively，their maximum difference is about 5.1%. When a certain type of turbofan engine is tested in the test bench， it was estimated that the ejection coefficient is 9.21， the airflow velocity at the test bench was 4.23m/s， the static pressure at the outlet of Ejector cylinder is 88.64kPa， the airflow velocity at the outlet of ejector cylinder is 65.26m/s， the ejection gas can be discharged from the exhaust tower. By calculating the dimensionless parameter is 0.346， less than 0.6， this means that the circulation zone appears in the ejector cylinder. The research on the exhaust ejection coefficient of this type of turbofan engine and other types of engine has certain engineering application value.

關鍵詞：航空發動機;試車臺;引射系數;排氣系統

Key words： aero-engine;test bench;ejection coefficient;exhaust system

中圖分類號：V263.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0060-03

0? 引言

試車臺是航空發動機科研、試驗和批量生產的重要設備，其設計必須充分考慮氣動性能和流場品質等方面的要求。排氣引射系統其作為重要組成部分，作用是將試車過程中發動機產生的燃氣排出試車間，其排氣引射性能一方面影響發動機臺架性能，另一方面若排氣不暢試車間內燃氣回流，輕則導致推力下降、重則導致發動機工作不穩定。根據研制工作安排，某型中等涵道比渦扇發動機將使用平壩601科研綜合試車臺開展整機試驗，需分析評估該科研綜合試車臺能否適用于該型中等涵道比渦扇發動機。

本文通過理論計算方法，基于某型渦噴發動機在該科研綜合試車臺試車時的臺架氣動參數校驗了計算方法的準確性，分析了該型中等涵道比渦扇發動機在科研綜合試車臺的引射系數及排氣筒內流場情況，評估了科研試車臺是否滿足該型發動機試車要求。

1? 試車臺的一般技術要求

《航空發動機試車臺設計規范》（GB 50454-2008）、《航空發動機地面試車臺通用要求》（GJB 5543-2006）、《渦噴、渦扇發動機試車臺校準規范》（GJB 721-89）和《地面條件下試驗用航空燃氣渦輪發動機試車臺通用技術要求》（OCT1 01021-81）等標準[1-6]中，對軍用發動機試車臺的建造和校準要求等提出了明確的規定。

①試車臺的流道阻塞不超過其橫截面積的10%;試車臺內的進氣壓力降不應大于490Pa;中小推力發動機試車臺內的空氣平均速度不應大于10m/s。②為限制發動機的反向推力，保證推力測量的準確性：發動機進氣截面與排氣截面之間的靜壓差不應大于100Pa。③排氣通道應不產生燃氣回流或排氣反壓振蕩。采用垂直式進排氣的試車臺，其排氣通道口應高出進氣通道口至少2m。

2? 某試車臺簡介

試車臺為U字型結構，垂直進氣、垂直排氣、一次進氣、一級引射結構形式。試車臺的尺寸參數具體如下：

發動機安裝高度（發動機中心線）：5m;臺架工藝進氣道進氣截面至進氣柵的距離（某型渦扇發動機）：21.7m;噴管出口截面到排氣筒的距離（某型渦扇發動機）：2.22m。

排氣引射筒的具體尺寸參數如下：

排氣引射筒直徑：3m;排氣引射筒節流孔：節流孔直徑30mm;排氣孔總面積占開孔擴壓段總面積的30%。

3? 引射系數計算及校驗

3.1 引射系數計算方法

引射系數是引射的總空氣流量與發動機空氣流量的比值，是室內試車臺的重要參考量，用于判斷廠房內部的氣動特性，其定義為[7，8]：

引射系數=（試車臺總空氣流量-發動機空氣流量）/發動機空氣流量。

發動機引射系數使用試車臺內流量守恒，動量守恒和能量守恒方程式計算出引射系數。

流量守恒：m1+m2=m3;動量守恒：m1 V1+m2 V2=m3 V3;能量守恒：Cp1m1T1+Cp2m2T2=Cp3m3T3。

其中1、2、3截面分別為：

1-發動機噴口排氣氣流;2-引射器被引射流在引射筒進口截面氣流;3-引射筒出口氣流。

得出引射系數為：。

3.2 某型渦噴發動機試車情況

根據相關規定，對某試車臺氣動流場進行測量[9]，測量的被試發動機機型為某型渦噴發動機，具體結果見表1。

某試車臺在試驗該型渦噴發動機各工況下，發動機進口與噴口截面最大靜壓差為49.7Pa，引射筒排氣平均溫度最高值為178.3℃，試車臺內進氣平均流速最大值為5.91m/s，最大狀態引射系數為9.75，滿足試車臺設計要求。

3.3 計算方法校驗

查詢相關文件報告[9，10]，按照文中的計算方法，針對某型渦噴發動機以全加力狀態參數進行計算，試驗結果與計算結果對比見表2。

由表2可知，計算與試驗相比，引射系數相差約為4.9%，車間內氣流速為相差約為5.1%，試車臺進氣流量相差約為4.5%。綜合分析，計算所得結果與試驗測得的引射系數，車間內氣流速度，車間內進氣流量等參數最大相差約5.1%，所以本文件所列的計算結果可用于計算分析試車臺內發動機試驗情況。

3.4 某型渦扇發動機試車臺流場計算及分析

3.4.1 某型渦扇發動機最大狀態流場計算

針對某型渦扇發動機，以其最大狀態參數進行計算，分別選取不同的引射筒出口溫度T3計算，具體結果見表3。

3.4.1.1 發動機排氣引射影響參數對比

排氣引射系數受很多因素影響，如發動機燃氣的熱力性質變化（如定壓比熱Cp，比熱比值K等）、引射面積比，引射筒的幾何參數，噴口出口至引射筒的距離等[11]。唐名揚等[7，12～15]學者通過排氣引射筒進行試驗研究，對引射筒幾何參數、噴口至引射筒距離、引射面積比對引射系數的影響進行研究，發現射筒幾何參數、噴口至引射筒距離等參數對引射系數影響較小，引射面積比對引射系數影響較大，并且引射面積比越小，對引射系數影響越大，并且驗證文中所用參考公式是可信的，具體見圖1～圖3。

由表4可知，渦噴發動機最大狀態與該型渦扇發動機最大狀態的排氣引射參數較為接近，定壓比熱Cp1相差為2.8%，排氣總壓P1相差為2.7%，已知引射筒幾何參數不變，噴口至引射筒距離相差不大，因而可認為文中渦噴最大狀態與該型渦扇發動機最大狀態的主要引射參數，除面積比外基本相同，引射系數隨面積比的變化趨勢基本一致。

3.4.1.2 某型渦扇發動機引射參數估算

趙斌等學者[12-15]采用數值模擬的手段對試車臺的流場特性進行研究，研究發現引射筒直徑比D0/d9與引射系數n之間的關系，研究結果表明試車臺引射系數隨著引射筒直徑比的增大而增大，并且隨著引射筒直徑比增大，引射系數增大趨勢變緩，具體如圖4所示（其中D0為試車臺引氣筒直徑，d9為發動機噴管出口直徑）。

由圖4分析可知文中渦噴最大狀態與該型渦扇最大狀態的引射系數隨面積比的變化趨勢基本一致，所用渦噴發動機在試車臺時的最大狀態引射直徑比5.77，引射系數為8.91，引射直徑比與引射系數的關系與圖4曲線十分接近，該型渦扇發動機最大狀態運行時，引射直徑比為6.88，參考文中渦噴發動機最大態時引射直徑比與引射系數的關系及圖4中曲線，則可估算該型渦扇發動機最大狀態運行時，引射系數約為9～9.5之間，對應于表3中引射筒出口溫度324K時參數，此時引射系數為9.21，試車臺空氣流速為4.23m/s，引射筒出口總壓為90.7kPa，引射筒出口靜壓為88.64kPa，引射筒出口氣體流速為65.26m/s，考慮平壩地區當地大氣壓力約為88kPa，排氣筒的氣流在減速擴壓后，所以引射氣體可以順利從排氣塔排出。

3.4.2 某型渦扇發動機引射筒環流區判斷

某試車臺發動機噴口射流可認為是管內射流，管道射流在一定條件下會出現回流區，對于該型渦扇發動機最大狀態，引射筒出口溫度320K時，判別發動機是否有環流區出現。對于不可壓等直徑管道射流，用無因次參數H作為判斷是否出現環流區的條件[16]：

當值H小于臨界值HL時，出現環流，HL=0.46～0.6，對于該型渦扇發動機，因而取HL=0.6。

式中，V10為噴口處外流速度，V0為噴口處射流速度，（Um）0為噴口處射流速度與外流速度之差。

由上知V10=54.78m/s，由于該型渦扇發動機最大狀態時噴口處為臨界狀態，噴口處氣流速度為494.3m/s，d/D=0.153，代入上式得H=0.346<0.6，所以試車臺引射筒內可能會有環流區出現。該型渦扇發動機在601試車臺進行試驗時，由于試車臺引射筒與發動機尾噴管直徑比達到6.88，引射直徑比較大，導致發動機尾噴口射流擴展到管壁之前，所有外流的流體均被抽吸，可能會有環流區出現，而環流區的出現會導致引射筒內部產生堵塞，并有可能會引起試車臺引射系數發生變化，引射筒內部氣流振蕩，引射筒振動加大等，應當引起重視。由于引射筒直徑3m，引射直徑比過大，導致H<0.6，引射筒內可能有環流區出現，假設引射筒直徑減小為2m時，H=1.39>0.6，引射筒內不會有環流區出現，所以當發動機噴口直徑過小，可以考慮通過其它裝置適當堵塞引射筒以防止引射筒內出現環流區。

4? 結論

采用數值計算的方法，通過某型渦噴發動機進行校驗，并應用于某型渦扇發動機試車情況計算分析，得到發動機試車情況，主要結論如下：①采用數值計算的方法，并結合某型渦噴發動機在某試車臺試驗情況和試驗結果，并與計算結果進行對比校驗，計算表明計算結果與試驗得到的參數最大相差約5.1%，計算方法可用，計算結果可信;②通過計算得出某型渦扇發動機試車情況，發動機在某試車臺最大狀態時，引射系數為9.21，引射氣體可以順利從排氣塔排出;③計算出某型渦扇發動機試車時，無因次參數H=0.346<0.6，試車臺引射筒內可能會有環流區出現，導致引射筒內部產生堵塞。

參考文獻：

[1]GB 50454-2008，航空發動機試車臺設計規范[S].

[2]GJB 5543-2006，航空發動機地面試車臺通用要求[S].

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[4]OCT1 01021-81，地面條件下試驗用航空燃氣渦輪發動機試車臺通用技術要求[S].

[5]GJB242-1987，航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范[S].

[6]Joint Services Guide Specification JSGS-87231A.USA.1995，1.

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[8]姜建明.發動機試車臺及其排氣部分設計方案的研究[D].西北工業大學，2000.

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[10]某型渦噴發動機強度驗算點總體參數.

[11]設計技術，第三機械工業部，1997.1.

[12]趙斌.室內發動機試車臺流場特性的數值研究[J].建筑工程技術與設計，2014（19）.

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[14]馬昌，王歡.航空發動機室內試車臺氣動流場特性研究[J]. 工程與試驗，2015（55）：26-29.

[15]薛洪科，常鴻雯，胡銘鑫.某航空發動機試車臺排氣系統改造技術研究[J].機械工程師，2018（11）：144-146.

[16]流體力學基礎.西北工業大學.