航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)適航性設(shè)計改進建議

侯升平

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028 ）

航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)是指由從壓氣機抽取空氣，通過發(fā)動機主流道的內(nèi)側(cè)或外側(cè)各種流動結(jié)構(gòu)元件（孔、管道、封嚴環(huán)和特定結(jié)構(gòu)形成的腔道等），按設(shè)計的流路及參數(shù)（壓力、溫度和流量等）流動并完成規(guī)定的各項功能，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體外部的復雜系統(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?？諝庀到y(tǒng)承擔著發(fā)動機高溫部件冷卻、防冰、卸荷、調(diào)節(jié)軸向力、封嚴等多個重要功能任務。

因此，發(fā)動機空氣系統(tǒng)設(shè)計方法的科學性及分析方法的準確性將對發(fā)動機滿足適航性要求產(chǎn)生很大影響。

本文在分析現(xiàn)有的航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)分析方法基礎(chǔ)上，結(jié)合對CCAR 33部適航條款要求的研究提出了改進建議。為了與工程設(shè)計實際相結(jié)合，本文以某型號發(fā)動機渦輪盤系統(tǒng)為模型，進行了定量計算并結(jié)合適航規(guī)章要求進行了分析，以便為工程設(shè)計人員提供有價值的參考。

由于航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)設(shè)計分析涉及到較多專業(yè)知識，本文立足于對適航性要求的考量，不展開討論專業(yè)設(shè)計的細節(jié)，但為了便于說明問題，首先來簡要介紹一下空氣系統(tǒng)分析方法及其對適航性的影響。

1 航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)適航性要求分析

民用適航規(guī)章CCAR 33部中有多個條款涉及到對航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)的要求，其中直接涉及到空氣系統(tǒng)的條款有33.21“發(fā)動機冷卻”、33.66“引氣系統(tǒng)”、33.68“進氣系統(tǒng)的結(jié)冰”、33.88“發(fā)動機超溫試驗”、33.89“工作試驗”等。還有多個條款雖然沒有直接涉及到空氣系統(tǒng)，但卻間接受到空氣系統(tǒng)設(shè)計的影響。例如：33.17條“防火”（a）要求“渦輪發(fā)動機的設(shè)計和構(gòu)造必須使出現(xiàn)導致結(jié)構(gòu)失效、過熱或其他危險的內(nèi)部著火的可能性減至最低。”渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計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)進行設(shè)計參數(shù)分配，而后基于結(jié)構(gòu)、強度、傳熱等多學科進行優(yōu)化和綜合；33.62條“應力分析”中要求“必須對每型渦輪發(fā)動機進行應力分析，表明每個渦輪發(fā)動機的轉(zhuǎn)子、隔圈和轉(zhuǎn)子軸的設(shè)計安全裕度”發(fā)動機的應力分析包含了熱應力，航空發(fā)動機中高溫部件的熱應力分析的邊界就來源于空氣系統(tǒng)分析（以上只是舉例說明，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)簡化為由元件和節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，其中j、k、l是邊界節(jié)點，i是內(nèi)部節(jié)點，JI, IK, IL是元件。在節(jié)點處建立質(zhì)量、能量守恒方程，在元件處建立動量守恒方程，通過建立網(wǎng)絡(luò)級的質(zhì)量、動量、能量方程和輔助方程來分析得到發(fā)動機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)對于設(shè)計中滿足適航條款中的“超溫”、“應力”、“耐久性”等要求具有重要意義。得到局方認可的科學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)動機冷卻”要求“發(fā)動機的設(shè)計與構(gòu)造必須在飛機預定工作條件下提供必要的冷卻”。要達到此項要求就必須保證引入足夠的冷卻空氣流量，而發(fā)動機設(shè)計時的這個流量就是由發(fā)動機空氣系統(tǒng)設(shè)計來決定的，換句話說，設(shè)計方法的準確性直接影響到這個流量分配的合理性。

CCAR 33.66條“引氣系統(tǒng)”要求“發(fā)動機必須提供引氣而不會對發(fā)動機產(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)計中冷卻空氣引氣流量的大小對發(fā)動機功率或推力產(chǎn)生的較明顯的影響。

CCAR 33.68條“進氣系統(tǒng)的結(jié)冰”要求“發(fā)動機在其整個飛行功率范圍內(nèi)的工作中，在發(fā)動機部件上不應出現(xiàn)影響發(fā)動機工作或引起功率或推力嚴重損失的結(jié)冰情況”。 這一條看似是一個寬泛的要求，其實包含的內(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)動機設(shè)計只是對這部分空氣的功能效果提出要求，并在設(shè)計中轉(zhuǎn)化為對引氣的流量、溫度的要求，而流量、溫度的設(shè)計就是基于空氣系統(tǒng)分析。

綜上所述，這幾個與空氣系統(tǒng)相關(guān)的條款在設(shè)計中能否得到滿足，很大程度上依賴于空氣系統(tǒng)設(shè)計方法的科學性和準確性，而現(xiàn)在設(shè)計廠所采用的空氣系統(tǒng)設(shè)計方法存在如下兩個方面的問題。

3.1 定量分析的準確度得不到保證

空氣系統(tǒng)設(shè)計分析采用基于工程經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和人工劃分的網(wǎng)絡(luò)，而國內(nèi)基礎(chǔ)研究對于試驗或工程分析得到的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的儲備遠遠不夠，人為劃分的網(wǎng)絡(luò)隨意性較大，而劃分網(wǎng)絡(luò)的思路不同又會引起對經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫的要求不同，這就導致了不同人劃分的網(wǎng)絡(luò)采用相同的計算方法反而得到了較大差別的結(jié)果。

3.2 無法確定空氣系統(tǒng)與高溫部件耦合邊界

現(xiàn)在采用的設(shè)計方法將空氣系統(tǒng)分析和熱端部件分析單獨進行，再以彼此分析結(jié)果作為自己的邊界條件進行迭代。但由于空氣系統(tǒng)與發(fā)動機的整機熱分析密切相關(guān)，發(fā)動機的非穩(wěn)態(tài)工作過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、封嚴結(jié)構(gòu)特性也隨之發(fā)生變化，從而也就改變了發(fā)動機內(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)變化過程中，由于空氣系統(tǒng)與沿程熱端部件邊界的相互影響時刻進行并變化，用現(xiàn)有方法無法準確確定兩部分分析的邊界條件，特別是對于如此龐大的系統(tǒng)來說，這種計算方法數(shù)據(jù)傳輸復雜、計算量大且難以保證準確度，顯然對最后的分析結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，進而對滿足適航性要求會產(chǎn)生較大影響。

上述兩個問題決定了現(xiàn)在空氣系統(tǒng)設(shè)計計算難以得到準確結(jié)果，偏差有時甚至超過了工程設(shè)計可接受的范圍，通過上述對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)的多個條款的符合性就難以達到。

要解決第一方面的問題需要形成完備的基礎(chǔ)部件關(guān)聯(lián)式的數(shù)據(jù)庫，這方面國內(nèi)航空發(fā)動機行業(yè)還存在較大的欠缺，短期內(nèi)還難以做到，還需在設(shè)計和試驗過程中大量積累。另外一點是要基于工程實際形成科學的網(wǎng)絡(luò)劃分方法，在網(wǎng)絡(luò)劃分時綜合考慮發(fā)動機空氣系統(tǒng)流路的結(jié)構(gòu)形狀、功能特點等，形成典型部件設(shè)計方法模板。當然，第一方面的問題不是本文討論的重點，在這里不展開討論。

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

4 從適航符合性角度對傳統(tǒng)方法的改進建議

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流換熱熱阻連接固體節(jié)點與流體節(jié)點，從流體入口節(jié)點起，與節(jié)點下游流體元件對應的固體節(jié)點集中到此流體元件的出口節(jié)點，依此類推在所有邊界上把固體節(jié)點與流體節(jié)點對應起來形成整體網(wǎng)絡(luò)，從而將工程分析過程中難以處理的流固相鄰邊界變?yōu)檎麄€系統(tǒng)的一個內(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)果更接近物理實際。

下面將該方法應用到某發(fā)動機型號中，分析一下改進的方法和傳統(tǒng)方法差別，如果差別很大，說明即使設(shè)計過程是按照適航條款要求來做的，但由于分析技術(shù)的缺陷最后設(shè)計出來的發(fā)動機可能仍難以真正達到適航性要求。

5 兩種設(shè)計方法結(jié)果分析及其對適航性影響的討論

首先了解這兩種思路在設(shè)計過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)系通過其物性參數(shù)與溫度的關(guān)系關(guān)聯(lián)起來；采用改進的方法，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衍生浮力對流動的影響，通過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進行迭代。

該方法被應用到一個航空發(fā)動機渦輪盤模型計算中，簡化后的網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，渦輪盤由348個固體元件和264個固體節(jié)點組成，渦輪盤前后腔空氣流路由20個流體元件和21個流體節(jié)點組成，流體和固體之間由100個對流換熱熱阻元件連接。其中節(jié)點265和275為進口節(jié)點，節(jié)點270和295為出口節(jié)點。進出口已知條件如表1所示。為了好標示，采用術(shù)語弱耦合和強耦合來分別表示傳統(tǒng)方法和改進方法，后面分析中也用這兩個術(shù)語來代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法和改進方法。

圖3是兩種耦合計算方法預測的渦輪盤后腔冷氣流量分配，可以看出兩種方法預測結(jié)果趨勢相同，但數(shù)值出現(xiàn)了較大差別，弱耦合方法模擬結(jié)果比強耦合方法模擬結(jié)果大，說明與考慮換熱對流動結(jié)構(gòu)變化影響的強耦合相比，沒有考慮換熱對流動結(jié)構(gòu)影響的弱耦合，過高估測了流到渦輪盤后腔的冷氣流量，而在設(shè)計階段冷卻空氣的過高估計極有可能使發(fā)動機在實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為沒有采用恰當?shù)脑O(shè)計分析方法而在符合性驗證階段出現(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。這一點可以從圖4中反映出來。圖4是兩種方法預測的渦輪盤后表面溫度分布沿徑向的變化規(guī)律，趨勢一致但弱耦合計算的渦輪盤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導致設(shè)計人員盲目地認為冷卻空氣足夠而沒有留出足夠的設(shè)計裕度，最終導致高溫部件其實沒有得到有效冷卻而燒壞，進而影響到發(fā)動機安全。

6 結(jié) 論

對涉及多個適航條款要求、對發(fā)動機適航性設(shè)計有較大影響的空氣系統(tǒng)設(shè)計方法進行總結(jié)，并從提高安全性設(shè)計的角度提出了在現(xiàn)有設(shè)計方法基礎(chǔ)

圖2 空氣子系統(tǒng)和渦輪盤一體化網(wǎng)絡(luò)模型

表1 進出口已知條件

圖3 渦輪盤后腔沿程冷卻空氣流量分配對比

圖4 渦輪盤后表面溫度變化對比上的改進措施，并就某型號發(fā)動機渦輪盤系統(tǒng)進行了定量分析比較，得到了如下結(jié)論。

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

本文主要是提出一個思路，目的是探索如何在設(shè)計階段不斷改進設(shè)計技術(shù)以便更好地滿足適航性要求，為即將開展的滿足適航性要求的航空發(fā)動機研發(fā)提供參考。

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