民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃/滑油換熱計(jì)算分析驗(yàn)證

顏顏，戚學(xué)鋒，王鵬

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院動(dòng)力燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海201210)

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃/滑油換熱計(jì)算分析驗(yàn)證

顏顏，戚學(xué)鋒，王鵬

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院動(dòng)力燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海201210)

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃/滑油換熱系統(tǒng)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作至關(guān)重要。利用Flow Simu?link軟件，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃/滑油熱交換系統(tǒng)進(jìn)行建模，計(jì)算得到滑油系統(tǒng)回油路的溫度值。與發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架運(yùn)行工況、機(jī)上地面運(yùn)行工況、飛行工況下的滑油溫度測量值進(jìn)行的對(duì)比和誤差分析表明，燃/滑油熱分析模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)運(yùn)行工況，尤其是高溫惡劣環(huán)境下，滑油系統(tǒng)的最大溫度低于限制值，該型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)；滑油系統(tǒng)；熱交換系統(tǒng)；換熱分析；機(jī)上地面運(yùn)行工況；飛行工況

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)通過對(duì)滑油的儲(chǔ)存、輸送、增壓、冷卻和過濾，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部軸承、齒輪、花鍵等部件進(jìn)行潤滑和冷卻，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[1]。燃/滑油換熱系統(tǒng)對(duì)滑油進(jìn)行冷卻，可有效避免滑油超溫及超溫引起的發(fā)動(dòng)機(jī)其它故障，對(duì)滑油系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)滑油換熱系統(tǒng)進(jìn)行熱分析建模計(jì)算，是滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)和考核的基礎(chǔ)。世界上先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商，如GE、普惠、羅·羅等公司，均擁有豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)，可對(duì)燃/滑油熱交換模型進(jìn)行不斷修正，從而保證熱模型計(jì)算準(zhǔn)確性。國內(nèi)對(duì)滑油換熱系統(tǒng)的研究主要集中在關(guān)鍵部件方面，對(duì)整個(gè)滑油系統(tǒng)熱分析建模計(jì)算方面的工作較為分散，熱模型計(jì)算準(zhǔn)確性還有待提高。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油換熱系統(tǒng)建模計(jì)算，并使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架運(yùn)行工況、裝機(jī)后地面運(yùn)行工況及飛行工況下的滑油測量數(shù)據(jù)，對(duì)熱分析模型進(jìn)行驗(yàn)證分析。

2 燃/滑油熱分析系統(tǒng)描述

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)多采用燃油與滑油進(jìn)行熱交換

的手段實(shí)現(xiàn)滑油冷卻，換熱過程通過燃/滑油熱交換器實(shí)現(xiàn)[2]。根據(jù)滑油系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)思路，燃/滑油熱交換器可設(shè)置于滑油系統(tǒng)供油路或回油路。本文中發(fā)動(dòng)機(jī)的燃/滑油熱交換器設(shè)置于滑油系統(tǒng)供油路，故供油路溫度將始終小于回油路溫度，下面僅對(duì)溫度較高的回油路溫度進(jìn)行考察、分析。圖1給出了發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的基本組成和油路。

3 燃/滑油熱分析模型

發(fā)動(dòng)機(jī)燃/滑油熱分析模型(圖2)使用Flow Simu?link軟件建模，并按圖3所示流程，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油和滑油系統(tǒng)的流量、壓力、溫度進(jìn)行迭代計(jì)算[3～5]。

4 燃/滑油熱分析計(jì)算結(jié)果及誤差分析原則

使用發(fā)動(dòng)機(jī)燃/滑油熱分析模型，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)地面和空中運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，換熱燃油溫度處于-17.8℃、12.2℃、30.0℃和54.4℃(54.4℃為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口燃油溫度最大限制值[6])時(shí)，滑油系統(tǒng)回油路溫度曲線，如圖4所示。圖中n2為發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速。

對(duì)于燃/滑油熱分析模型計(jì)算準(zhǔn)確性的判斷依據(jù)，引入以下誤差分析原則：將發(fā)動(dòng)機(jī)某工況的模型計(jì)算值與試驗(yàn)測量值的誤差(模型誤差)，疊加至最大極限工況下模型計(jì)算得到的最大滑油溫度上，考

察疊加后的滑油溫度(疊加溫度)是否超過發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的紅線告警溫度155.0℃。

5 燃/滑油熱分析驗(yàn)證

5.1 地面車臺(tái)工況驗(yàn)證

選取發(fā)動(dòng)機(jī)地面車臺(tái)運(yùn)行工況下的測量參數(shù)驗(yàn)證熱分析模型計(jì)算結(jié)果。環(huán)境溫度-2.7℃，換熱燃油溫度4.4℃；n2為62.6%～100.0%，覆蓋從地面慢車至最大起飛推力的整個(gè)運(yùn)行范圍。

圖5給出了發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)回油路溫度測量值與模型計(jì)算值的對(duì)比?？梢?，當(dāng)n2＞80.0%時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，最大模型誤差僅為1.4℃；當(dāng)n2＜80.0%時(shí)，模型誤差隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的減小而增大。在n2最小時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測值的最大模型誤差為-22℃。

根據(jù)誤差分析原則，在圖4所示的地面運(yùn)行工況中，n2＞80.0%狀態(tài)，回油路溫度最大計(jì)算值為150.6℃，則高轉(zhuǎn)速狀態(tài)的疊加溫度為152.0℃。n2＜80.0%狀態(tài)，回油路溫度最大計(jì)算值為148.9℃，則低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的疊加溫度為126.9℃。可見，地面車臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)高、低轉(zhuǎn)速下的疊加溫度，均小于滑油紅線溫度155.0℃，模型誤差處于可接受范圍，該狀態(tài)下滑油換熱系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 機(jī)上地面工況

選取發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)后熱天狀態(tài)下的地面運(yùn)行工況測量參數(shù)驗(yàn)證熱分析模型計(jì)算結(jié)果。試驗(yàn)環(huán)境溫度37.8℃，飛機(jī)停于機(jī)坪，發(fā)動(dòng)機(jī)在地面慢車推力的70.0%n2和最大爬升推力的103.0%n2兩個(gè)工況點(diǎn)運(yùn)行。試驗(yàn)環(huán)境溫度高，飛機(jī)無滑行，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙通風(fēng)冷卻不充分，滑油系統(tǒng)處于惡劣的高溫環(huán)境下，具有典型代表性。

圖6給出了機(jī)上地面工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)回油路溫度測量值與計(jì)數(shù)值的對(duì)比?？梢?，在70.0%n2狀態(tài)(圖中A區(qū)域)，換熱燃油溫度50.0℃，回油路平均測量溫度131.7℃。熱分析模型計(jì)算的相同狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)滑油回油路溫度值為127.8°C(圖中a點(diǎn))，模型誤差為3.9℃。在103.0%n2狀態(tài)(圖中B區(qū)域)，換熱燃油溫度41.7℃，回油路平均測量溫度135.0℃。熱分析模型計(jì)算的相同狀態(tài)下的回油路溫度值為137.8℃(圖中b點(diǎn))，模型誤差為-2.8℃。

根據(jù)誤差分析原則，裝機(jī)地面運(yùn)行狀態(tài)(圖4)下，低轉(zhuǎn)速時(shí)回油路溫度最大計(jì)算值為148.9℃，則低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的疊加溫度為152.8℃。高轉(zhuǎn)速下回油路溫度最大計(jì)算值為150.6℃，則高轉(zhuǎn)速狀態(tài)的疊加溫度為147.8℃。機(jī)上地面運(yùn)行狀態(tài)高、低轉(zhuǎn)速下的疊加溫度，均小于滑油紅線溫度值155.5℃，模型誤差處于可接受范圍，該狀態(tài)下滑油換熱系統(tǒng)也滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 飛行工況

為進(jìn)一步驗(yàn)證燃/滑油熱分析模型的準(zhǔn)確性，選取典型設(shè)計(jì)巡航高度10 668 m下發(fā)動(dòng)機(jī)飛行狀態(tài)滑油系統(tǒng)溫度測量值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。飛機(jī)以馬赫數(shù)0.7巡航，外界環(huán)境溫度為-30℃，圖7給出了滑油系統(tǒng)回油路溫度測量結(jié)果?？梢姡?dāng)飛機(jī)剛爬升至10 668 m高度時(shí)，滑油系統(tǒng)回油路出現(xiàn)最大瞬態(tài)溫度106.7℃，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后滑油系統(tǒng)回油路實(shí)際平均溫度約為101.1℃。對(duì)比圖4(b)中熱分析模型計(jì)算曲線可知，在相同條件下，滑油系統(tǒng)回油路溫度為101.7℃，模型計(jì)算誤差為-0.6℃，飛行中測量值與計(jì)算值吻合。故飛行狀態(tài)下，模型誤差處于可接受范圍，滑油換熱系統(tǒng)仍滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

該型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃/滑油熱分析模型計(jì)算得到的滑油溫度，能有效符合車臺(tái)試車、高溫環(huán)境下機(jī)上地面運(yùn)行、典型巡航高度飛行工況下的滑油溫度測量值，模型誤差處于可接受范圍。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，尤其是高溫惡劣環(huán)境下，滑油系統(tǒng)的最大溫度均低于滑油紅線溫度值，該型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足要求。

[1]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第12冊(cè)——傳動(dòng)及潤滑系統(tǒng)[K].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2]錢汝鼎.工程流體力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1988.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第3卷——機(jī)械零部件設(shè)計(jì)(軸系、支承與其他)[K].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4]李靜，王琦.發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其模擬實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)研究，2008，22：67—71.

[5]Brines G L，Gray D E.Heat Management in Advanced Air?craft Gas Turbine Engines[R].ASME 86-GT-76，1986.

[6]Streifinger H.Fuel/Oil System Thermal Management in Aircraft Turbine Engines[C]//.RTO AVT Symposium on“Design Principles and Methods for Aircraft Gas Turbine Engines”.Toulouse，1998.

Civil Engine Fuel and Oil Heat Exchange Model Analysis and Verification

YAN Yan，QI Xue-feng，WANG Peng
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

The fuel and oil heat exchange system is important for the normal operation of civil engine and engine oil system.A fuel/oil heat exchange model was built using Flow Simulink software to calculate oil scavenge temperatures at different conditions.The comparison and error analysis between calculated and measured results in engine rig test,engine on-board test and flight test were completed.It is verified that the calculation results of fuel/oil heat exchange model are accurate for all engine operation;especially un?der extreme heat ambient condition,oil temperatures are lower than limitation,indicating that the design of civil engine fuel and oil heat exchange system is acceptable.

civil engine；oil system；heat exchange system；heat exchange analysis；on-board ground operation；flight operation

V231.92

：A

：1672-2620(2014)01-0045-04

2012-11-26；

：2013-10-22

顏顏(1983-)，男，安徽蚌埠人，工程師，碩士，從事飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)工作。