前輸出軸渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺進(jìn)氣裝置設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

夾福年， 劉 濤， 楊彩瓊， 冷林濤， 蔡 云

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽 621000)

近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)規(guī)模越來越大、試驗(yàn)功能越來越強(qiáng)和試驗(yàn)內(nèi)容越來越科學(xué)完備，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為直升機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，在研制過程中必須開展高空模擬試驗(yàn)進(jìn)行性能和功能的驗(yàn)證和考核。我國目前在用、在研的航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)大部分采用帶自由渦輪、動(dòng)力輸出軸前輸出的構(gòu)型[2]。這類發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)時(shí)，需要考慮測功器的安裝及其對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的影響，以及艙內(nèi)氣動(dòng)布局對測功器功率測量的影響[3-4]。對于前輸出軸向進(jìn)氣渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣裝置，其與渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量管不同，需要采用環(huán)形進(jìn)氣導(dǎo)流盆，易產(chǎn)生流場畸變問題[5]。早期高空臺試驗(yàn)時(shí)一般采用敞開式進(jìn)氣、排氣隔離的布局方式。但是此種布局方式有明顯的弊端。首先，由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處于較大的容腔內(nèi)(進(jìn)氣前室)，溫度平衡時(shí)間長，模擬條件變化時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度時(shí)間過長，尤其是溫度與環(huán)境溫度差別越大，則溫度調(diào)節(jié)時(shí)間越長；其次，試驗(yàn)艙內(nèi)的水力測功器、電氣設(shè)備、測試設(shè)備等均處在高溫或低溫環(huán)境下，其在極限溫度條件下的工作性能會影響發(fā)動(dòng)機(jī)可試的進(jìn)口溫度范圍，且這些設(shè)備或管線處在這樣的工作環(huán)境溫度中，也存在一定的安全隱患，尤其是測功器完全置于進(jìn)氣前室，測功器的正常使用環(huán)境溫度范圍會制約發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的溫度范圍，從而導(dǎo)致超出測功器試驗(yàn)環(huán)境溫度范圍內(nèi)的試驗(yàn)點(diǎn)無法開展試驗(yàn)，而渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)要求進(jìn)行不同高度條件下的溫度特性試驗(yàn)，此種試驗(yàn)方式極大地限制了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的可試內(nèi)容[6]。

為了解決某前輸出軸向進(jìn)氣渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)進(jìn)氣問題，結(jié)合高空臺進(jìn)氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套進(jìn)氣裝置，采用三維數(shù)值仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，證明了該進(jìn)氣裝置在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場品質(zhì)要求的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量的測量。

1 高空臺介紹

高空臺具有氣源系統(tǒng)、空氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、進(jìn)排氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、試車工藝系統(tǒng)、排氣擴(kuò)壓器、測功器系統(tǒng)、排氣冷卻器、冷卻水系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。高空艙布局示意圖如圖1所示。通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓和總溫模擬飛行速度，通過抽氣調(diào)節(jié)艙內(nèi)環(huán)境壓力模擬高度。

圖1 高空艙布局示意圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣裝置借鑒國外渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺試驗(yàn)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，如圖2所示。結(jié)合高空艙進(jìn)氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用直連式結(jié)構(gòu)[7-8]，從前室引氣至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口。為了避免測功器空間干涉，采用兩根進(jìn)氣導(dǎo)管左右對稱繞過測功器，供入進(jìn)氣穩(wěn)流裝置，穩(wěn)流裝置內(nèi)安裝導(dǎo)流盆，導(dǎo)流盆與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口連接。高空艙進(jìn)氣裝置布局示意圖如圖3所示。

圖2 國外渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺試驗(yàn)布局

圖3 高空艙進(jìn)氣裝置布局示意圖

2.2 仿真分析

根據(jù)圖3進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，基于ANSYS幾何建模工具SCDM建立參數(shù)化的三維幾何模型，孔板效應(yīng)可基于多孔介質(zhì)模型建立5 mm厚度的圓柱型環(huán)形板加以替代?；贏NSYS Meshing模塊劃分網(wǎng)格，本次網(wǎng)格規(guī)模約200多萬個(gè)四面體混合單元，平均網(wǎng)格質(zhì)量0.55872，最小質(zhì)量4.42e-002，網(wǎng)格分布和質(zhì)量均可以滿足計(jì)算要求。在出口通道和關(guān)鍵部件增加了10層附面棱柱層網(wǎng)格，主要用于精細(xì)捕捉彎曲壁面分離和變量梯度，如圖4所示。根據(jù)工程使用經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算沒有考慮網(wǎng)格無關(guān)性研究對比。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)高度和速度特性，選取高空小流量和低空大流量作為計(jì)算邊界條件，選擇理想氣體模型、總能量方程、SST湍流模型，計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況

工況1計(jì)算云圖(無整流裝置)如圖5所示。從圖5中的子午面計(jì)算結(jié)果可以看出，在導(dǎo)管和穩(wěn)流裝置拐角處，由于彎管曲率造成氣流分離。氣體進(jìn)入穩(wěn)流裝置后，流道面積變大，流速降低，再從穩(wěn)流裝置進(jìn)入導(dǎo)流盆后，流通面積變小，流速增加，但在導(dǎo)流盆進(jìn)口處，由于前段氣流的分離，形成渦流，造成流場內(nèi)部流場紊亂，導(dǎo)流盆出口壓力和溫度不均勻性增加。根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得出，出口壓力不均勻性指標(biāo)在2%左右，出口溫度不均勻性指標(biāo)在4.3%，不滿足設(shè)計(jì)不均勻度均在1%[9]以內(nèi)的要求，因此需要對進(jìn)氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)

(2)

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化一(增加整流裝置)

根據(jù)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在穩(wěn)流裝置內(nèi)增加整流裝置[10]，如圖6所示。整流裝置整體采用蜂窩式結(jié)構(gòu)，由大小不同的圓孔組成，正對導(dǎo)管出口采用直徑為7 mm的小孔，其余部分采用10 mm大孔，孔距為20 mm，錯(cuò)開排列。

圖6 整流裝置結(jié)構(gòu)圖

增加整流裝置前后4種工況下的計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，增加整流裝置后，進(jìn)氣通道內(nèi)部的流場明顯改善，出口壓力和溫度不均勻度均滿足要求。增加整流裝置后工況1計(jì)算云圖如圖7所示，與圖5所示的無整流裝置計(jì)算云圖相比，內(nèi)部的流場明顯得到改善，出口壓力和溫度分布更均勻。

圖7 工況1計(jì)算云圖(增加整流裝置)

表2 增加整流裝置前后計(jì)算工況

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化二(增加整流裝置+倒圓)

增加整流裝置后，雖然氣流經(jīng)過進(jìn)氣裝置后更均勻，但壓力損失增大。增加整流裝置前壓力損失為2.6 kPa，增加整流裝置后壓力損失為5.7 kPa?？紤]到壓力損失增大會給進(jìn)氣調(diào)節(jié)帶來滯后效應(yīng)增長，為了降低壓損，在進(jìn)氣導(dǎo)管與穩(wěn)流裝置結(jié)合處進(jìn)行光滑過渡即倒圓，減小流速梯度變化，優(yōu)化后模型如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后模型

優(yōu)化后的模型在工況4條件下，經(jīng)仿真計(jì)算，壓力損失減小了約30%，導(dǎo)流盆出口壓力不均勻度為0.90%，溫度不均度為0.83%。模型優(yōu)化后出口流場不均勻度有所增加，但在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。圖9為工況4有無倒圓速度、壓力、溫度云圖對比，從圖9中可以看出，倒圓后氣流從導(dǎo)管至穩(wěn)流裝置中心氣流壓力梯度變化較小，減小了中心流的損失。

圖9 工況4有無倒圓速度、壓力、溫度云圖對比

3 進(jìn)氣裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

在某試驗(yàn)臺對結(jié)構(gòu)優(yōu)化二的進(jìn)氣裝置進(jìn)行進(jìn)氣吹風(fēng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴[11]，常溫氣吹風(fēng)，吹風(fēng)校準(zhǔn)試驗(yàn)示意圖如圖10所示。機(jī)組供氣經(jīng)由調(diào)節(jié)閥2→穩(wěn)壓箱→音速噴嘴→調(diào)節(jié)閥3和調(diào)節(jié)閥4→調(diào)節(jié)閥5進(jìn)入試驗(yàn)件，通過調(diào)節(jié)閥2和調(diào)節(jié)閥1完成進(jìn)入試驗(yàn)件與放空管路的流量分配，保證進(jìn)氣測量段的流量、壓力滿足試驗(yàn)狀態(tài)要求。

圖10 吹風(fēng)校準(zhǔn)試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)件進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)流量We由音速噴嘴進(jìn)行測量，其值由音速噴嘴前被測參數(shù)溫度Te、壓力Pe、氣體常數(shù)R和噴嘴自身相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到，即

(3)

式中：Ae為喉部面積；F為流函數(shù)；Cd為流出系數(shù)；Z為可壓縮系數(shù)。

進(jìn)氣導(dǎo)管流量測量、導(dǎo)流盆處流量測量利用靜壓、總壓、總溫參數(shù)計(jì)算獲得測量段理論流量，然后通過流量系數(shù)法獲得進(jìn)氣裝置實(shí)際流量，計(jì)算公式為

(4)

Wa,tr=CD·Wa,id

(5)

式中：CD為流量系數(shù)；Wa,id為理論計(jì)算流量；Wa,tr為實(shí)際流量。

3.1 不均勻度驗(yàn)證

仿真計(jì)算結(jié)果顯示，進(jìn)氣裝置導(dǎo)流盆測量截面Ma為0.15～0.2。吹風(fēng)試驗(yàn)按照Ma進(jìn)行，流量范圍控制在3.3～4.8 kg/s。導(dǎo)流盆出口截面壓力及溫度不均勻度如圖11所示?？倝翰痪鶆蚨茸畲鬄?.489%，總溫不均勻度最大為0.086%，壓力及溫度不均勻度均在1%以內(nèi)，結(jié)果顯示吹風(fēng)試驗(yàn)過程中導(dǎo)流盆進(jìn)氣流場均勻穩(wěn)定。

圖11 導(dǎo)流盆出口截面壓力及溫度不均勻度

3.2 流量系數(shù)驗(yàn)證

以導(dǎo)流盆測量段理論流量(Wa,id)為橫坐標(biāo)，音速噴嘴測量流量(We)為縱軸，采用最小二乘法進(jìn)行過零直線擬合獲得導(dǎo)流盆流量系數(shù)為0.9621，如圖12所示。圖12中趨勢線R2為0.9992，說明理論流量與音速噴嘴流量相關(guān)性很好，幾乎一致。

圖12 擬合參數(shù)

3.3 流量測量驗(yàn)證

為了證明導(dǎo)流盆內(nèi)流量測量的準(zhǔn)確性，在進(jìn)氣導(dǎo)管上增加流量測量段，如圖3所示。吹風(fēng)試驗(yàn)后，兩導(dǎo)管流量相加與導(dǎo)流盆流量最大差值在1%以內(nèi)，流量測量結(jié)果對比如圖13所示。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)流盆與進(jìn)氣導(dǎo)管所測流量吻合，驗(yàn)證了進(jìn)氣裝置設(shè)計(jì)合理，能夠滿足某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高空試驗(yàn)進(jìn)氣流場品質(zhì)要求，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量精確測量的功能。

圖13 流量測量結(jié)果對比

3.4 不確定度分析

設(shè)導(dǎo)流盆流量測量段自身相對不確定度為B，它反映了流量系數(shù)、測量界面尺寸、流場等因素對測量精度的影響[12]，計(jì)算方法如下。

① 音速噴嘴不確定度。音速噴嘴自身的精度是0.25%，考慮到壓力和溫度測量的不確定度，則音速噴嘴總的標(biāo)準(zhǔn)不確定度δWe為

(6)

式中：δPe為壓力絕對不確定度，其與掃描閥、大氣壓力計(jì)和通道自身不確定度有關(guān)；δTe為溫度絕對不確定度，其與傳感器、通道量程和通道精度有關(guān)，在此不再敘述。

經(jīng)計(jì)算，音速噴嘴所測流量的最大相對不確定度為0.19%，對應(yīng)音速噴嘴總的標(biāo)準(zhǔn)不確定度δWe為0.0064 kg/s。

② 導(dǎo)流盆流量測量的不確定度。導(dǎo)流盆流量測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度δWa,tr為

(7)

式中：P*為導(dǎo)流盆處測量總壓；T*為導(dǎo)流盆處測量總溫；q(λ)為流量函數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)流盆實(shí)際流量測量的最大相對不確定度為3.26%，對應(yīng)導(dǎo)流盆流量測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度δWa,tr為0.1116 kg/s。

③ 導(dǎo)流盆流量測量段相對偏差的不確定度。根據(jù)計(jì)算公式可計(jì)算出|We-Wa,tr|的理論不確定度?ΔW為

(8)

將導(dǎo)流盆流量測量段不確定度按照正態(tài)分布處理，當(dāng)置信概率為95%時(shí),包含因子k近似等于2，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度的關(guān)系應(yīng)有2δΔW>|We-Wa,tr|，則有

(9)

若式(9)根號下的值小于0，則取B=0。所有校準(zhǔn)點(diǎn)處的B值的最大值為整個(gè)流量范圍內(nèi)的B值。

根據(jù)式(6)～式(9)，經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)流盆流量測量段自身最大相對不確定度為0%。

4 結(jié)論

本文主要針對前輸出軸渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)進(jìn)氣裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

① 通過仿真計(jì)算和吹風(fēng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了在穩(wěn)流裝置內(nèi)增加整流裝置可以有效改善流道內(nèi)流場品質(zhì)，降低導(dǎo)流盆出口壓力和溫度不均勻度，滿足壓力和溫度不均勻度在1%以內(nèi)的要求。

② 通過在進(jìn)氣導(dǎo)管與穩(wěn)流裝置結(jié)合處增加光滑過渡的方式，進(jìn)氣裝置壓力損失降低了30%，有利于試驗(yàn)過程中進(jìn)氣控制調(diào)節(jié)。

③ 將導(dǎo)管流量與導(dǎo)流盆流量進(jìn)氣對比，證明了導(dǎo)流盆測流量方案的合理性，為前輸出軸渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)儲備，并可在此類渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺試驗(yàn)中推廣運(yùn)用。