航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙燃油泄漏流動(dòng)

吳晶峰,楊 昭,陳義成,王 偉

(1.中國(guó)民用航空適航審定中心，北京 100102；2.中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種熱機(jī)，一旦在飛行過(guò)程中引發(fā)火情，將會(huì)引起嚴(yán)重的后果，歷史上超過(guò)一半的發(fā)動(dòng)機(jī)火情造成了人員傷亡[1]。國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了很多關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)防火試驗(yàn)研究，其中，既有試驗(yàn)研究，也包括仿真研究。他們關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)防火的研究主要集中在部件和新材料的防火上。Neely[2]考慮了燃燒器煙羽與周圍環(huán)境空氣混合的影響，開(kāi)發(fā)了一種新的技術(shù)來(lái)模擬飛機(jī)部件的防火特性；Bheekhun[3]基于計(jì)算流體力學(xué)仿真方法對(duì)ISO2685標(biāo)準(zhǔn)的丙烷-空氣燃燒器火焰溫度分布進(jìn)行了研究；Grange[4]對(duì)航空復(fù)合材料在火災(zāi)應(yīng)力作用下的傳熱數(shù)值研究；Reinhardt[5]模擬了著火狀態(tài)下短艙部件的溫度分布情況；Kreuder[6]通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)和傳熱分析，確定了火焰射流對(duì)平面的對(duì)流和輻射傳熱特性。中國(guó)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件防火試驗(yàn)的研究重點(diǎn)是防火試驗(yàn)方法研究和對(duì)與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的防火、耐火條款進(jìn)行分析，并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)典型部件及相關(guān)組件的防火試驗(yàn)。孫世東等[7]針對(duì)CCAR-25部運(yùn)輸類飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙火焰防護(hù)適航條款的要求進(jìn)行分析，明確發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)的材料和零部件的防火、耐火要求；楊燕等[8]根據(jù)適航條款要求針對(duì)某型民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)開(kāi)展防火設(shè)計(jì)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙典型結(jié)構(gòu)的防火性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；崔建軍等[9]對(duì)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)防火和耐火試驗(yàn)進(jìn)行了研究；柳偉杰等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)燃燒室部件進(jìn)行了甲烷/空氣預(yù)混低旋流燃燒的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及當(dāng)量比對(duì)甲烷低旋流燃燒的影響分析；吳晶峰等[11]依據(jù)CCAR 33.17防火條款要求，對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路和箱體部件進(jìn)行了防火試驗(yàn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫區(qū)域，且燃油管路位于核心艙內(nèi)。持續(xù)不平衡振動(dòng)疊加裝配應(yīng)力會(huì)引發(fā)燃油管路泄漏[12]，核心艙燃油管路泄漏會(huì)使核心艙成為火區(qū)[13]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空燃油泄漏到高溫表面被引燃起火占火災(zāi)總數(shù)的34%[14]。

現(xiàn)針對(duì)大型客機(jī)持續(xù)不平衡問(wèn)題，以某一典型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型為研究對(duì)象，分析發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙空間結(jié)構(gòu)及燃油管路分布，分析燃油管路泄漏流動(dòng)情況。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙

波音737飛機(jī)是民航歷史上最成功的大型客機(jī)系列的代表，也是目前世界上生產(chǎn)數(shù)目較多的機(jī)型?，F(xiàn)選取737NG飛機(jī)配裝的CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙結(jié)構(gòu)及其燃油管路分布，并對(duì)CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙火區(qū)進(jìn)行模擬。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙空間結(jié)構(gòu)

CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)是一種非常先進(jìn)的大涵道比雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，該型號(hào)同早期的CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)相比采用和增加很多新技術(shù)：風(fēng)扇葉片采用后掠寬弦設(shè)計(jì)，壓氣機(jī)及渦輪轉(zhuǎn)、靜子葉片采用三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供了雙環(huán)形燃燒室選擇來(lái)降低污染物排放[15]。CFM56-7的推力為86.84～117.3 kN。CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙位于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道外側(cè)，核心艙包裹著增壓級(jí)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪，核心艙是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。核心艙內(nèi)層是由增壓級(jí)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高低壓渦輪的外機(jī)匣(外壁面)構(gòu)成，核心艙外層構(gòu)成了外涵道的內(nèi)壁面。圖1的黃色區(qū)域是CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)的核心艙。由于核心艙包裹燃燒室，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油油路排布在核心艙內(nèi)。由于核心艙包裹燃燒室，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油油路排布在核心艙內(nèi)。圖2是燃油管路和燃油噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖，燃油噴嘴的安裝座固定在核心艙內(nèi)部，噴嘴伸入燃燒室，燃油管路連接燃油噴嘴，置于核心艙內(nèi)部。

圖1 CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 CFM56-7 engine structure

圖2 燃油管路和燃油噴嘴Fig.2 Fuel line and fuel nozzle

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙燃油管分布

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)油路Fig.3 Engine fuel system fuel line

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)部件位置Fig.4 Engine fuel system component position

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)油路如圖3所示，燃油自油箱流出流入燃油管，經(jīng)過(guò)增壓泵增壓、通過(guò)熱交換器冷卻交流發(fā)電機(jī)和滑油，增加且加熱的燃油通過(guò)燃油管路進(jìn)入燃油流量計(jì)、油濾，過(guò)濾后的計(jì)量燃油一部分流入供油總管最終進(jìn)入噴嘴，另一部分通過(guò)分級(jí)活門流入分級(jí)燃油供油總管最終進(jìn)入分級(jí)燃油噴嘴。圖4給出了燃油系統(tǒng)部件位置的示意圖。通過(guò)圖4位置可知，油濾至供油總管之間的管路位于核心艙內(nèi)部，分級(jí)活門、供油總管、噴嘴端部位于核心艙內(nèi)部，該區(qū)域在圖3中用方框標(biāo)出。

2 核心艙燃油管路泄漏分析

燃油管路由于管路材料及管路安裝等原因，會(huì)導(dǎo)致燃油管出現(xiàn)燃油泄漏的情況。核心艙中的燃油管路泄漏會(huì)使燃油積聚在核心艙區(qū)域內(nèi)部。由于核心艙包裹燃燒室及高壓渦輪，導(dǎo)致核心艙內(nèi)部氣流溫度較高。管路泄漏導(dǎo)致核心艙積聚的燃油在高溫氣流作用下可能會(huì)擴(kuò)散燃燒。核心艙火區(qū)會(huì)引發(fā)飛行事故。表1匯總了燃油管路泄漏引發(fā)的飛行事故[16]。

由事故原因可知，燃油管泄漏的油氣遇高溫氣流引發(fā)火情導(dǎo)致事故發(fā)生。通過(guò)對(duì)管路泄漏的原因進(jìn)行分析，管路泄漏可能是由管路振動(dòng)疊加裝配應(yīng)力導(dǎo)致的[17]。燃油管路的泄漏方式可以分為管路裂紋泄漏和管路安裝泄漏。燃油管路中的油壓較高，因此管路裂紋會(huì)使燃油以噴射的方式進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙；管路安裝泄漏發(fā)生在管路接頭部位，由于連接位置的縫隙導(dǎo)致燃油以滲漏的方式進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙。

表1 燃油管路泄漏引起的事故Table 1 Accident caused by a leaking fuel line

兩種泄漏方式?jīng)Q定了燃油流入核心艙的速度、流量局部相同。在燃油泄漏仿真中分別對(duì)裂紋泄漏和安裝泄漏進(jìn)行仿真。兩種泄漏方式如下。

(1)裂紋泄漏：為了模擬裂紋泄漏時(shí)油氣擴(kuò)散及流動(dòng)情況，在燃油管泄漏處設(shè)置6 mm×6 mm的泄漏口，在管內(nèi)外壓差驅(qū)動(dòng)下噴射到核心艙內(nèi)(管內(nèi)壓力50 atm)。

(2)安裝泄漏：由于密封裝置的存在，即使在相同的管內(nèi)外壓差情況下，燃油泄漏量將大幅降低，在本設(shè)計(jì)中估算泄漏量為0.000 2 kg/s。

燃油管路裂紋可能發(fā)生在燃油管路的任一位置，利用仿真將核心艙燃油管路的上部、下部和兩側(cè)位置作為裂紋泄漏可能發(fā)生的位置，并分析了不同位置發(fā)生裂紋泄漏對(duì)核心艙油氣流場(chǎng)及燃燒場(chǎng)的影響。

燃油管路安裝泄漏只能發(fā)生在管接頭位置，安裝泄漏點(diǎn)設(shè)置于圖4中的接頭位置。

由核心艙燃油泄漏的事故引入，分析了核心艙內(nèi)燃油管路的泄漏形式和泄漏量。燃油管路的裂紋泄漏量較大，且泄漏位置不定，可能發(fā)生在燃油管路的任一位置。所以需要在核心艙仿真中分析裂紋泄漏位置對(duì)核心艙油氣流場(chǎng)及燃燒場(chǎng)的影響。

3 核心艙火區(qū)計(jì)算模型建立

通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方式來(lái)模擬在不同部位燃油管路發(fā)生燃油泄漏時(shí)，燃油油氣在核心艙中的擴(kuò)散和流動(dòng)情況，以及在有點(diǎn)燃源的情況下，燃油油氣在核心艙的燃燒和流動(dòng)情況。使用商業(yè)軟件Fluent15.0建模進(jìn)行進(jìn)算。在冷態(tài)的計(jì)算中，主要使用Energy，Visous-Standardκ-ε和Species-Species Transport這三個(gè)模型[18]。求解方法使用Fluent中基于壓力求解器，使用SIMPLE壓力-速度耦合法求解各個(gè)控制方程。對(duì)于Energy的收斂準(zhǔn)則為10-4，其他為10-3。使用的燃油是C12H23。

圖5 幾何模型示意圖及尺寸Fig.5 Diagram and dimensions of geometric model

根據(jù)機(jī)型CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖，建立核心艙的簡(jiǎn)化幾何模型，并設(shè)置輸油管泄漏口，如圖5所示。幾何模型主要由核心艙、進(jìn)出氣口及泄漏孔組成。為討論燃油管不同位置發(fā)生燃油泄漏時(shí)油氣的擴(kuò)散及流動(dòng)情況，模擬計(jì)算中在距離核心艙前端1 300 mm位置處，分別在核心艙正上方、正下方及左側(cè)(逆時(shí)針90°)處開(kāi)有小孔作為泄漏孔。

使用ANSYS ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙空間是不規(guī)則的，而且包括狹窄的前后端頭，因此不可能將其完全劃分成規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而是以Tet網(wǎng)格為主的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共劃分為1 557 816個(gè)網(wǎng)格。

使用ANSYS FLUENT流場(chǎng)計(jì)算，表2、表3給出了冷態(tài)計(jì)算的邊界條件和初值條件。

表2 燃油管路發(fā)生燃油安裝泄漏時(shí)所設(shè)定的初始條件和邊界條件(冷態(tài))Table 2 Initial and boundary conditions (cold state) in case of fuel installation leakage in fuel line

表3 燃油管路發(fā)生燃油裂紋泄漏時(shí)所設(shè)定的初始條件和邊界條件(冷態(tài))Table 3 Initial and boundary conditions (cold state) in case of fuel crack leakage in fuel line

由于發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙空間是不規(guī)則的，而且包括狹窄的前后端頭，幾何模型的網(wǎng)格劃分主要以Tet網(wǎng)格為主的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，分別對(duì)前后端及中間體進(jìn)行不同程度的加密，得到了108萬(wàn)、155萬(wàn)及268萬(wàn)網(wǎng)格，并在冷態(tài)下計(jì)算燃油泄漏時(shí)，燃油油氣在核心艙中的擴(kuò)散情況。圖6比較了三種網(wǎng)格下燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著y方向的分布，可以看出，在核心艙的外緣處三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果有細(xì)微差別，y=-0.4～4.5，使用155萬(wàn)網(wǎng)格和268萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果幾乎相同，而使用108萬(wàn)網(wǎng)格計(jì)算出的燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在y=0.4～0.5時(shí)，與其他兩種網(wǎng)格有較大偏差，最后綜合考慮后，使用155萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行模擬仿真。

圖6 燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著y方向的變化Fig.6 The mass fraction of fuel along the y direction

4 燃油泄漏時(shí)油氣的擴(kuò)散及流動(dòng)

圖7 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時(shí)，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(Z軸切面)Fig.7 The fuel mass fraction cloud graph (the Z axis plane) with the oil pipeline leaks in different positions

在進(jìn)行油氣泄漏的冷態(tài)計(jì)算時(shí)，燃油管路裂紋可能發(fā)生在燃油管的任一位置，因此首先分析裂紋泄漏形式下，泄漏位置對(duì)冷態(tài)流場(chǎng)的影響。針對(duì)裂紋、安裝兩種泄漏形式，分析油氣擴(kuò)散及流動(dòng)的情況。

圖8 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時(shí)，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(X=0,Y=0)Fig.8 The fuel mass fraction cloud graph (X=0,Y=0) with the oil pipeline leaks at different locations

4.1 裂紋泄漏時(shí)泄漏位置的影響

圖7、圖8所示為輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時(shí)燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖，其中Z軸切面分別為：Z1=0.52 mm,Z2=1.303 mm,Z3=1.7 mm,Z4=2.2 mm,Z5=2.708 mm。由圖7、圖8可見(jiàn)，當(dāng)泄漏口在上方時(shí)，油氣幾乎擴(kuò)散到整個(gè)核心艙空間內(nèi)，即使是核心艙前端上部也會(huì)滯留油氣。而當(dāng)泄漏口在左側(cè)和下側(cè)時(shí)，核心艙前端沒(méi)有油氣。泄漏口在左側(cè)時(shí)，油氣主要擴(kuò)散到核心艙下半部分。但是在正下方時(shí)，除了泄漏口附近有個(gè)泄漏量較少的油區(qū)外，也擴(kuò)散到艙內(nèi)的大部分空間。

圖9、圖10顯示了輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時(shí)燃油的速度云圖，可以看出在內(nèi)外壓差的驅(qū)動(dòng)下，油氣高速噴出，而且在泄漏口處速度非常高，之后油氣的擴(kuò)散變得相對(duì)緩慢。而且在壓力差的驅(qū)動(dòng)下，在空氣的進(jìn)出口處出現(xiàn)速度變大區(qū)域，其相應(yīng)的壓力云圖如圖11、圖12所示?？傊瑹o(wú)論泄漏位置在哪里，都會(huì)在泄漏口出現(xiàn)高速氣流及相應(yīng)的高壓區(qū)域，并與入口空氣發(fā)生摻混和擴(kuò)散，形成不同分布。

4.2 不同泄漏方式油氣擴(kuò)散及流動(dòng)分析

在本節(jié)中，將討論在不同的泄漏方式下(裂紋泄漏和安裝泄漏)，在距離核心艙前端1 300 mm的正上方處發(fā)生泄漏時(shí)，油氣擴(kuò)散及流動(dòng)情況。圖13、圖14給出了核心艙正上方發(fā)生兩種形式泄漏時(shí)，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖，可見(jiàn)裂紋泄漏時(shí)油氣幾乎擴(kuò)散到整個(gè)核心艙空間內(nèi)，即使是核心艙前端上部也會(huì)滯留油氣。而安裝泄漏時(shí)僅僅在管路接口附近有少量油氣，其他空間幾乎沒(méi)有任何油氣。圖15、圖16顯示了兩種泄漏方式時(shí)燃油的速度云圖，發(fā)現(xiàn)油氣在泄漏位置附近相對(duì)速度都很高，之后油氣擴(kuò)散的相對(duì)緩慢。而且在壓力差的驅(qū)動(dòng)下，在空氣的進(jìn)出口處出現(xiàn)速度變大區(qū)域，兩種泄漏方式速度云圖的大小區(qū)域相似，只是安裝泄漏時(shí)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂紋泄漏。其相應(yīng)的壓力云圖如圖17、圖18所示，發(fā)現(xiàn)裂紋泄漏時(shí)核心艙下部的壓力比安裝泄漏時(shí)大，并在下部頭尾部出現(xiàn)相對(duì)高壓區(qū)。如上闡述，裂紋泄漏的流動(dòng)是由于油管內(nèi)外的壓差的驅(qū)動(dòng)作用，泄漏量相對(duì)較大，泄漏速度較快。而安裝泄漏的泄漏量較小，油氣只在泄漏口附近擴(kuò)散。

圖9 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時(shí)，燃油的速度云圖(Z軸切面)Fig.9 The fuel velocity cloud graph (the Z axis plane) with the oil pipeline leaks in different positions

圖10 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時(shí)，燃油的速度云圖(X=0,Y=0)Fig.10 The fuel velocity cloud graph (X=0,Y=0) with the oil pipeline leaks at different locations

圖11 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時(shí)，燃油的壓力云圖(Z軸切面)Fig.11 The fuel pressure cloud graph (the Z axis plane) with the oil pipeline leaks in different positions

圖12 輸油管路在不同位置發(fā)生泄漏時(shí)，燃油的壓力云圖(X=0,Y=0)Fig.12 The fuel pressure cloud graph (X=0,Y=0) with the oil pipeline leaks at different locations

圖13 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時(shí)，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(Z軸切面)Fig.13 The fuel mass fraction cloud graph (the Z axis plane) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖14 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時(shí)，燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(X=0,Y=0)Fig.14 The fuel mass fraction cloud graph(X=0,Y=0) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖15 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時(shí)，燃油的速度云圖(Z軸切面)Fig.15 The fuel velocity cloud graph (the Z axis plane) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖16 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時(shí)，燃油的速度云圖(X=0,Y=0)Fig.16 The fuel velocity cloud graph (X=0,Y=0) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖17 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時(shí)，燃油的壓力云圖(Z軸切面)Fig.17 The fuel pressure cloud graph (the Z axis plane) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

圖18 輸油管路在核心艙正上方發(fā)生不同形式泄漏時(shí)，燃油的壓力云圖(X=0,Y=0)Fig.18 The fuel pressure cloud graph (X=0,Y=0) with the pipeline leakage occurs in different forms directly above the core tank

5 結(jié)論

針對(duì)大型客機(jī)持續(xù)不平衡問(wèn)題，以CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型為研究對(duì)象，分析CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙空間結(jié)構(gòu)及燃油管路分布，分析燃油管路泄漏方式、泄漏流動(dòng)情況，不同裂紋泄漏位置對(duì)核心艙流場(chǎng)的影響，裂紋泄漏和安裝泄漏的流場(chǎng)、燃燒場(chǎng)。

(1)管路泄漏可能是由管路振動(dòng)疊加裝配應(yīng)力導(dǎo)致的。燃油管路的泄漏方式可以分為管路裂紋泄漏和管路安裝泄漏。管路裂紋泄漏可能會(huì)發(fā)生在管路的任一位置，管路裂紋會(huì)使燃油以噴射的方式進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙；管路安裝泄漏發(fā)生在管路接頭部位，由于連接位置的縫隙導(dǎo)致燃油以滲漏的方式進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙。

(2)當(dāng)燃油管路發(fā)生不同方式燃油泄漏時(shí)，由于裂紋泄漏是在油管內(nèi)外的壓差驅(qū)動(dòng)作用下的流動(dòng)，泄漏量相對(duì)較大，泄漏速度較快，并在與空氣的摻混下擴(kuò)散到機(jī)艙內(nèi)不同部分；而安裝泄漏的泄漏量較小，油氣泄漏量較小，只在泄漏口附近擴(kuò)散。

(3)管路裂紋泄漏無(wú)論泄漏位置在何處，都會(huì)在泄漏口出現(xiàn)高速氣流及相應(yīng)的高壓區(qū)域。不同位置泄漏相對(duì)應(yīng)有不同油氣擴(kuò)散分布。