航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)多方位排氣引射系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

鄭永清 巫 坤 趙佳偉

（中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002）

排氣引射系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)的重要組成部分，作用是將試車過程中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)馀懦鲈囓囬g，其排氣引射性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)。若排氣不暢，試車間內(nèi)可能產(chǎn)生燃?xì)饣亓鳎拱l(fā)動(dòng)機(jī)的部分燃?xì)庵匦卤话l(fā)動(dòng)機(jī)吸入。燃?xì)饣亓鲗⒃斐砂l(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，推力下降，若繼續(xù)試車，燃?xì)夥磸?fù)回流，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度不斷增加，后果十分危險(xiǎn)[1-2]。

為解決某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)右下方40°排氣問題，并兼顧以后發(fā)展型號(hào)的不同角度排氣問題，計(jì)算和設(shè)計(jì)排氣引射筒的幾何尺寸。采用Fluent 軟件對(duì)改造設(shè)計(jì)后的排氣引射系統(tǒng)進(jìn)行氣動(dòng)分析，通過氣動(dòng)分析驗(yàn)證此排氣引射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。此次的計(jì)算設(shè)計(jì)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)其他型號(hào)排氣引射系統(tǒng)的研制以及其他多方位排氣引射系統(tǒng)的應(yīng)用具有理論指導(dǎo)作用和實(shí)際意義。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 排氣引射筒結(jié)構(gòu)尺寸和位置尺寸的確定

試車臺(tái)排氣系統(tǒng)主要由一級(jí)引射筒體、二級(jí)引射筒體、排氣塔以及筒體支撐等部分組成。排氣系統(tǒng)的一級(jí)引射筒體前端為固定支撐結(jié)構(gòu)，后端為活動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)。在發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴氣流對(duì)一級(jí)引射筒產(chǎn)生沖擊，同時(shí)產(chǎn)生激波等復(fù)雜流場(chǎng)，從而給引射筒施加一個(gè)復(fù)雜的勺動(dòng)態(tài)載荷。其中，部分發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴口沿軸線下偏一定角度，使一級(jí)引射筒體承受一定的徑向載荷。由于發(fā)動(dòng)排氣波動(dòng)范圍較大，一級(jí)引射筒始終處于振動(dòng)狀態(tài)。在發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)排氣系統(tǒng)中，一級(jí)引射筒體的結(jié)構(gòu)尺寸和位置尺寸是決定排氣系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要參數(shù)，為保證試車臺(tái)排氣系統(tǒng)性能指標(biāo)不發(fā)生改變，一級(jí)引射筒體的位置尺寸與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口位置保持一致。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，排氣口的截面積應(yīng)滿足的公式為

式中：S為排氣筒截面積，m2；Q為發(fā)動(dòng)機(jī)最大排氣量，m3·h-1；V為排氣筒平均氣流速度，m·s-1。排氣消聲裝置內(nèi)的平均氣流流速V應(yīng)不大于14 m·s-1，一般取值為10～11 m·s-1。

根據(jù)計(jì)算得出的排氣口截面積S和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴口的尺寸，將排氣引射筒均化為長(zhǎng)×寬的橫截面。

1.2 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)程要求，從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開始到最后生產(chǎn)交付使用，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)試車工作。試車臺(tái)排氣系統(tǒng)的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫、高速燃?xì)馀湃氪髿狻Ｔ囓嚺_(tái)排氣系統(tǒng)的引射作用，使試車間內(nèi)產(chǎn)生氣體的流動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程類似于引射混合器的工作過程，發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴口氣流作為主流，后端排氣系統(tǒng)的排氣筒體為氣流混合管，發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴口氣流將試車間內(nèi)的常溫空氣引射進(jìn)排氣筒體，兩股氣流在排氣筒體內(nèi)充分混合降溫后進(jìn)入排氣消聲塔，再由排氣消聲塔排向大氣[3]。

根據(jù)計(jì)算取值，結(jié)合試車臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，綜合考慮氣體的膨脹與該發(fā)動(dòng)機(jī)其他型號(hào)的研制，確定總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 排氣引射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

活動(dòng)排氣引射轉(zhuǎn)接頭1 為右下方40°方向排氣（某車臺(tái)有3 個(gè)不同方向的排氣引射轉(zhuǎn)接頭），固定引射筒2 設(shè)計(jì)為帶有公共安裝止口，方便3 個(gè)不同方向的排氣引射轉(zhuǎn)接頭的安裝拆卸。排氣塔4 與固定引射筒2 通過轉(zhuǎn)接筒3 連接，排氣塔4 為圓柱形套筒結(jié)構(gòu)，套筒內(nèi)填充消音棉起消音作用，排氣塔高15 m。本排氣引射系統(tǒng)通過更換不同方向的排氣引射轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)多方向排氣功能。

2 流體力學(xué)計(jì)算及分析

2.1 計(jì)算模型

主要進(jìn)行右下方40°方向排氣引射系統(tǒng)的氣動(dòng)分析，探討發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴口與車臺(tái)排氣管進(jìn)口之間距離對(duì)排氣性能的影響，同時(shí)針對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)未來研制型號(hào)在右下方25°方向排氣的情況進(jìn)行氣動(dòng)分析，更加科學(xué)地評(píng)估設(shè)計(jì)方案的可行性，因此計(jì)算如表1 所示的3 種狀態(tài)。

表1 流體力學(xué)計(jì)算及分析狀態(tài)

計(jì)算模型如圖2 所示，該模型模擬了排氣管道內(nèi)氣流的流場(chǎng)和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴口附近外部氣流的流場(chǎng)，同時(shí)計(jì)算模型引入了發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化外廓模型。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口距離排氣噴口很近，可能存在相互干擾，本計(jì)算模型模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣同時(shí)存在的狀況。

圖2 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算網(wǎng)格

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，3 種狀態(tài)計(jì)算模型的計(jì)算網(wǎng)格均采用了四面體、五面體和六面體網(wǎng)格的混合網(wǎng)格，并且根據(jù)流場(chǎng)情況進(jìn)行合理的疏密設(shè)置。計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目在90 萬～100 萬。圖3 為計(jì)算模型的網(wǎng)格。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格

2.3 計(jì)算軟件及設(shè)置

在建立耦合連接之前，需設(shè)置Fluent 參數(shù)。耦合過程中，單相流在排氣筒中輸送，流場(chǎng)信息不斷更新，因此在Fluent 中選擇瞬態(tài)計(jì)算。流體材料設(shè)定為空氣，由于空氣是可壓縮流體，選擇基于壓力速度的求解器[5]。管道入口設(shè)為速度進(jìn)口條件，管道出口設(shè)為壓力出口條件，壓力與速度耦合求解采用SIMPLE 算法，重力沿流向反方向。湍流模型采用realizable k-ε 模型。

發(fā)動(dòng)機(jī)噴口為質(zhì)量流量邊界條件（Mass-Flow-Inlet），流量為0.99 kg·s-1，總溫為920 K。噴口附近為壓力邊界條件（Pressure-Inlet），管道出口、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓力出口邊界條件，兩者數(shù)值均設(shè)置為大氣壓力和溫度，計(jì)算中通過調(diào)節(jié)背壓使發(fā)動(dòng)機(jī)流量達(dá)到0.99 kg·s-1。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

狀態(tài)1（右下方40°）排氣的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4～圖9 所示。

圖4 狀態(tài)1 排氣時(shí)的速度分布

圖5 狀態(tài)1 排氣時(shí)的靜溫分布

圖6 狀態(tài)1 排氣時(shí)的總壓分布

圖7 狀態(tài)1 排氣時(shí)噴口附近的速度場(chǎng)

圖8 狀態(tài)1 排氣時(shí)管道內(nèi)的流線

圖9 狀態(tài)1 排氣時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)附近的流線

計(jì)算結(jié)果顯示，3 種狀態(tài)都能順利將燃?xì)馀懦觯l(fā)動(dòng)機(jī)噴口附近外部氣流引射進(jìn)去，具體引射量如表2 所示。

表2 引射量 單位：kg·s-1

由表2 可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口與排氣管進(jìn)口距離相同時(shí)，往右下方25°方向排氣更暢，即偏轉(zhuǎn)角度越小，排氣更順暢，引射的外部氣流更多；當(dāng)排氣方向相同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口與排氣管進(jìn)口之間距離增大，引射流量略有下降，但仍然可以將噴口噴出的燃?xì)馊颗懦觯f明噴口與排氣管進(jìn)口之間的距離對(duì)排氣性能影響較小（僅限上述情況）。

3 結(jié)論

第一，運(yùn)用氣動(dòng)力計(jì)算，研究設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求的排氣引射筒幾何尺寸。第二，運(yùn)用Fluent 軟件對(duì)排氣引射系統(tǒng)進(jìn)行建模和氣動(dòng)分析，得出設(shè)計(jì)方案可以順利排出發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)猓野l(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和排氣不存在干擾。同時(shí)，通過對(duì)不同角度和同一角度發(fā)動(dòng)機(jī)噴口與排氣進(jìn)口之間不同距離的排氣氣動(dòng)分析，為將來新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)排氣引射系統(tǒng)的研制提供理論依據(jù)。第三，通過實(shí)際應(yīng)用，得出發(fā)動(dòng)機(jī)各方位排氣引射系統(tǒng)均能很好地將發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庖涑鲈囓囬g，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車要求，與氣動(dòng)分析結(jié)論一致。