某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)引射系數(shù)研究分析

何敏祥 龍振軍 朱愛(ài)迪 鄧少春 宋瑞民 文強(qiáng)

摘要：基于某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)的臺(tái)架氣動(dòng)參數(shù)，校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)得到的參數(shù)最大相差約5.1%。通過(guò)理論計(jì)算分析某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)引射系數(shù)及排氣筒內(nèi)流場(chǎng)情況，估算出某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在某試車臺(tái)試車時(shí)引射系數(shù)為9.21，試車臺(tái)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(jì)算出無(wú)因次參數(shù)H=0.346<0.6，引射筒內(nèi)會(huì)有環(huán)流區(qū)出現(xiàn)，對(duì)于該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和其它型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣引射系統(tǒng)的研制具有一定的工程應(yīng)用價(jià)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(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);試車臺(tái);引射系數(shù);排氣系統(tǒng)

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

中圖分類號(hào)：V263.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0060-03

0? 引言

試車臺(tái)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)科研、試驗(yàn)和批量生產(chǎn)的重要設(shè)備，其設(shè)計(jì)必須充分考慮氣動(dòng)性能和流場(chǎng)品質(zhì)等方面的要求。排氣引射系統(tǒng)其作為重要組成部分，作用是將試車過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)馀懦鲈囓囬g，其排氣引射性能一方面影響發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能，另一方面若排氣不暢試車間內(nèi)燃?xì)饣亓?，輕則導(dǎo)致推力下降、重則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定。根據(jù)研制工作安排，某型中等涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)將使用平壩601科研綜合試車臺(tái)開(kāi)展整機(jī)試驗(yàn)，需分析評(píng)估該科研綜合試車臺(tái)能否適用于該型中等涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

本文通過(guò)理論計(jì)算方法，基于某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在該科研綜合試車臺(tái)試車時(shí)的臺(tái)架氣動(dòng)參數(shù)校驗(yàn)了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，分析了該型中等涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在科研綜合試車臺(tái)的引射系數(shù)及排氣筒內(nèi)流場(chǎng)情況，評(píng)估了科研試車臺(tái)是否滿足該型發(fā)動(dòng)機(jī)試車要求。

1? 試車臺(tái)的一般技術(shù)要求

《航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50454-2008）、《航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)通用要求》（GJB 5543-2006）、《渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)校準(zhǔn)規(guī)范》（GJB 721-89）和《地面條件下試驗(yàn)用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)通用技術(shù)要求》（OCT1 01021-81）等標(biāo)準(zhǔn)[1-6]中，對(duì)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)的建造和校準(zhǔn)要求等提出了明確的規(guī)定。

①試車臺(tái)的流道阻塞不超過(guò)其橫截面積的10%;試車臺(tái)內(nèi)的進(jìn)氣壓力降不應(yīng)大于490Pa;中小推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)內(nèi)的空氣平均速度不應(yīng)大于10m/s。②為限制發(fā)動(dòng)機(jī)的反向推力，保證推力測(cè)量的準(zhǔn)確性：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣截面與排氣截面之間的靜壓差不應(yīng)大于100Pa。③排氣通道應(yīng)不產(chǎn)生燃?xì)饣亓骰蚺艢夥磯赫袷?。采用垂直式進(jìn)排氣的試車臺(tái)，其排氣通道口應(yīng)高出進(jìn)氣通道口至少2m。

2? 某試車臺(tái)簡(jiǎn)介

試車臺(tái)為U字型結(jié)構(gòu)，垂直進(jìn)氣、垂直排氣、一次進(jìn)氣、一級(jí)引射結(jié)構(gòu)形式。試車臺(tái)的尺寸參數(shù)具體如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝高度（發(fā)動(dòng)機(jī)中心線）：5m;臺(tái)架工藝進(jìn)氣道進(jìn)氣截面至進(jìn)氣柵的距離（某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)）：21.7m;噴管出口截面到排氣筒的距離（某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)）：2.22m。

排氣引射筒的具體尺寸參數(shù)如下：

排氣引射筒直徑：3m;排氣引射筒節(jié)流孔：節(jié)流孔直徑30mm;排氣孔總面積占開(kāi)孔擴(kuò)壓段總面積的30%。

3? 引射系數(shù)計(jì)算及校驗(yàn)

3.1 引射系數(shù)計(jì)算方法

引射系數(shù)是引射的總空氣流量與發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的比值，是室內(nèi)試車臺(tái)的重要參考量，用于判斷廠房?jī)?nèi)部的氣動(dòng)特性，其定義為[7，8]：

引射系數(shù)=（試車臺(tái)總空氣流量-發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量）/發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量。

發(fā)動(dòng)機(jī)引射系數(shù)使用試車臺(tái)內(nèi)流量守恒，動(dòng)量守恒和能量守恒方程式計(jì)算出引射系數(shù)。

流量守恒：m1+m2=m3;動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)噴口排氣氣流;2-引射器被引射流在引射筒進(jìn)口截面氣流;3-引射筒出口氣流。

得出引射系數(shù)為：。

3.2 某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)試車情況

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)某試車臺(tái)氣動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量[9]，測(cè)量的被試發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型為某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

某試車臺(tái)在試驗(yàn)該型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(tái)內(nèi)進(jìn)氣平均流速最大值為5.91m/s，最大狀態(tài)引射系數(shù)為9.75，滿足試車臺(tái)設(shè)計(jì)要求。

3.3 計(jì)算方法校驗(yàn)

查詢相關(guān)文件報(bào)告[9，10]，按照文中的計(jì)算方法，針對(duì)某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)以全加力狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2可知，計(jì)算與試驗(yàn)相比，引射系數(shù)相差約為4.9%，車間內(nèi)氣流速為相差約為5.1%，試車臺(tái)進(jìn)氣流量相差約為4.5%。綜合分析，計(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得的引射系數(shù)，車間內(nèi)氣流速度，車間內(nèi)進(jìn)氣流量等參數(shù)最大相差約5.1%，所以本文件所列的計(jì)算結(jié)果可用于計(jì)算分析試車臺(tái)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)情況。

3.4 某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)流場(chǎng)計(jì)算及分析

3.4.1 某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)流場(chǎng)計(jì)算

針對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，以其最大狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分別選取不同的引射筒出口溫度T3計(jì)算，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

3.4.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣引射影響參數(shù)對(duì)比

排氣引射系數(shù)受很多因素影響，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)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(shù)，噴口出口至引射筒的距離等[11]。唐名揚(yáng)等[7，12～15]學(xué)者通過(guò)排氣引射筒進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)引射筒幾何參數(shù)、噴口至引射筒距離、引射面積比對(duì)引射系數(shù)的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)射筒幾何參數(shù)、噴口至引射筒距離等參數(shù)對(duì)引射系數(shù)影響較小，引射面積比對(duì)引射系數(shù)影響較大，并且引射面積比越小，對(duì)引射系數(shù)影響越大，并且驗(yàn)證文中所用參考公式是可信的，具體見(jiàn)圖1～圖3。

由表4可知，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)與該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)的排氣引射參數(shù)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(shù)不變，噴口至引射筒距離相差不大，因而可認(rèn)為文中渦噴最大狀態(tài)與該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)的主要引射參數(shù)，除面積比外基本相同，引射系數(shù)隨面積比的變化趨勢(shì)基本一致。

3.4.1.2 某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)引射參數(shù)估算

趙斌等學(xué)者[12-15]采用數(shù)值模擬的手段對(duì)試車臺(tái)的流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)引射筒直徑比D0/d9與引射系數(shù)n之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明試車臺(tái)引射系數(shù)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(shù)增大趨勢(shì)變緩，具體如圖4所示（其中D0為試車臺(tái)引氣筒直徑，d9為發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口直徑）。

由圖4分析可知文中渦噴最大狀態(tài)與該型渦扇最大狀態(tài)的引射系數(shù)隨面積比的變化趨勢(shì)基本一致，所用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在試車臺(tái)時(shí)的最大狀態(tài)引射直徑比5.77，引射系數(shù)為8.91，引射直徑比與引射系數(shù)的關(guān)系與圖4曲線十分接近，該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，引射直徑比為6.88，參考文中渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)最大態(tài)時(shí)引射直徑比與引射系數(shù)的關(guān)系及圖4中曲線，則可估算該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，引射系數(shù)約為9～9.5之間，對(duì)應(yīng)于表3中引射筒出口溫度324K時(shí)參數(shù)，此時(shí)引射系數(shù)為9.21，試車臺(tái)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(qū)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫s為88kPa，排氣筒的氣流在減速擴(kuò)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(fā)動(dòng)機(jī)引射筒環(huán)流區(qū)判斷

某試車臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口射流可認(rèn)為是管內(nèi)射流，管道射流在一定條件下會(huì)出現(xiàn)回流區(qū)，對(duì)于該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)，引射筒出口溫度320K時(shí)，判別發(fā)動(dòng)機(jī)是否有環(huán)流區(qū)出現(xiàn)。對(duì)于不可壓等直徑管道射流，用無(wú)因次參數(shù)H作為判斷是否出現(xiàn)環(huán)流區(qū)的條件[16]：

當(dāng)值H小于臨界值HL時(shí)，出現(xiàn)環(huán)流，HL=0.46～0.6，對(duì)于該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，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(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)時(shí)噴口處為臨界狀態(tài)，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(tái)引射筒內(nèi)可能會(huì)有環(huán)流區(qū)出現(xiàn)。該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在601試車臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于試車臺(tái)引射筒與發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管直徑比達(dá)到6.88，引射直徑比較大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口射流擴(kuò)展到管壁之前，所有外流的流體均被抽吸，可能會(huì)有環(huán)流區(qū)出現(xiàn)，而環(huán)流區(qū)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致引射筒內(nèi)部產(chǎn)生堵塞，并有可能會(huì)引起試車臺(tái)引射系數(shù)發(fā)生變化，引射筒內(nèi)部氣流振蕩，引射筒振動(dòng)加大等，應(yīng)當(dāng)引起重視。由于引射筒直徑3m，引射直徑比過(guò)大，導(dǎo)致H<0.6，引射筒內(nèi)可能有環(huán)流區(qū)出現(xiàn)，假設(shè)引射筒直徑減小為2m時(shí)，H=1.39>0.6，引射筒內(nèi)不會(huì)有環(huán)流區(qū)出現(xiàn)，所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口直徑過(guò)小，可以考慮通過(guò)其它裝置適當(dāng)堵塞引射筒以防止引射筒內(nèi)出現(xiàn)環(huán)流區(qū)。

4? 結(jié)論

采用數(shù)值計(jì)算的方法，通過(guò)某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，并應(yīng)用于某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車情況計(jì)算分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)試車情況，主要結(jié)論如下：①采用數(shù)值計(jì)算的方法，并結(jié)合某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在某試車臺(tái)試驗(yàn)情況和試驗(yàn)結(jié)果，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，計(jì)算表明計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)得到的參數(shù)最大相差約5.1%，計(jì)算方法可用，計(jì)算結(jié)果可信;②通過(guò)計(jì)算得出某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車情況，發(fā)動(dòng)機(jī)在某試車臺(tái)最大狀態(tài)時(shí)，引射系數(shù)為9.21，引射氣體可以順利從排氣塔排出;③計(jì)算出某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)，無(wú)因次參數(shù)H=0.346<0.6，試車臺(tái)引射筒內(nèi)可能會(huì)有環(huán)流區(qū)出現(xiàn)，導(dǎo)致引射筒內(nèi)部產(chǎn)生堵塞。

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