某民用涡扇发动机飞行包线内吸雨量计算分析

代晓晴*,张翔,李森,郑建弘

某民用涡扇发动机飞行包线内吸雨量计算分析

代晓晴*,张翔,李森,郑建弘

分析吸雨对发动机工作性能的影响,首要的是确定能被发动机吸入的雨量。通过综合考虑适航规章要求的大气雨水分布、环境温度、飞行速度、发动机功率和聚集效应对发动机吸雨的影响,结合完整的推力调节计划,计算分析了某民用大涵道比涡扇发动机在不同推力等级下全飞行包线内风扇进口水气比(WAR)。结果表明:在同一马赫数下,风扇进口水气比在6 100 m处达到最大;在该高度以下,水气比随着高度的增加而增大;在该高度以上,水气比随着高度的增加而减小;飞行马赫数越大、环境温度越高,水气比也越大;并且标准天空中慢车推力下的风扇进口水气比最大可达到7.38%。该计算方法可为民用涡扇发动机吸雨适航取证的关键点分析提供参考。

发动机;吸雨;聚集效应;水气比;适航

现代飞机要求具备恶劣天气下安全飞行的能力,而恶劣的天气状况如雷雨、强风等,对飞行安全极具威胁。作为一种较为常见的恶劣天气现象,降雨会降低能见度、使跑道变得湿滑,导致飞机失控,影响飞行安全[1-2]。尤为严重的是,当飞机在极端云雨气象条件下飞行时,气流中的雨水会被吸入发动机。这将会改变发动机的压缩部件、燃烧室、涡轮等的工作状态,导致一系列发动机异常情况,如喘振、功率损失以及熄火等[3-7]。

历史上曾发生过多起由发动机吸雨导致的飞行事故。1977年4月4日,美国南方航空一架装配有两台Pratt&Whitney JT9D-7A发动机的DC-9型客机在飞行途中遇上特大暴雨及冰雹[8]。大量的雨水和冰雹被吸入发动机,使其短暂性失去动力,飞行高度降低。发动机恢复效能后,机组收到塔台指示,要求爬升以避开最严重的暴雨区。但是,在加速爬升过程中发动机压气机发生喘振,导致金属叶片暴裂,两台发动机全部失效,而飞机在迫降的过程中撞到加油站而爆炸,造成72人遇难。1980年6月12日,一架配备2台Garrett TPE331发动机的客机,在穿过暴雨区时发动机吸入大量的雨水,导致双发失效;飞机因此而坠毁,造成13人遇难[9]。2002年1月16日,印尼航空421号航班的一架Boeing 737-300客机在飞行途中,遇强雷雨天气,两台CFM56-3B1发动机因吸入大量的雨水和冰雹而熄火,多次重启失败后,飞机紧急迫降,造成机体严重损伤,并有1人遇难[10]。

为保障民航安全,美国联邦航空局 (FAA)、欧洲航空安全局 (EASA)、中国民航局(CAAC)均就航空发动机吸雨制定了适航标准,并随着飞行经验的积累和航空科技的发展作了多次修订,目前已逐步达成一致[11-13]。国外OEM公司经过许多发动机型号的取证,已发展了成熟的发动机吸雨适航符合性验证试验技术。而目前国内对发动机吸雨的研究较少,也鲜有公开发表的相关文献,尤其是对发动机持续吸雨适航条款的符合性验证试验研究基本处于空白。

发动机持续吸雨适航条款符合性验证必须通过发动机吸雨试验来完成。而在试验前,需要通过试验和理论分析确定发动机工作包线内由于吸雨导致其工作性能裕度(如喘振和失速裕度、燃油控制降转裕度和燃烧室熄火裕度等)最低的点,即关键点,然后在该点进行发动机吸雨试验以验证其足以经受极度降雨条件[14]。发动机吸雨关键点分析是在考虑降雨环境条件、发动机排水状况,如可调放气活门和放气阀控制等的基础上,根据如雨滴运动轨迹等方法计算得到进入核心机的雨量,进而研究雨水的吸入对发动机工作性能的影响。为此,首先需在发动机整个工作包线范围内综合考虑雨水分布、飞行状态、发动机状态等的影响,得到被吸入发动机的雨量,确定发动机吸雨的入口条件,以从其中选择关键点。

《航空发动机适航规定》(CCAR-33R2)附录B给出了合格审定标准大气降雨浓度和尺寸分布,持续吸雨适航条款要求发动机遭遇到该审定标准的雨量时,在其整个规定的工作包线范围内仍有可接受的工作能力[13]。依据图表中规定的合格审定大气雨水浓度分布,以及进入发动机的空气质量流量即可计算得到发动机吸入的雨量。但是,一些工况下,如低转速和高飞行速度,气流在发动机进口会有部分溢出,而水滴颗粒相对较大,惯性也较大,大部分不会随着气流溢出,而被发动机捕获。这增大了进入发动机的雨水和空气的质量流量之比,表明发动机吸雨存在聚集效应[15-18]。吸雨聚集效应与发动机进口的结构、飞行状况以及发动机功率,如起飞、巡航、慢车等紧密相关。因此,为分析某一特定型号发动机进口的吸雨量,必须结合其全飞行包线的推力管理计划,对其最大起飞、最大巡航、空中慢车等各个推力水平逐一展开研究。

本文根据CCAR-33R2附录B规定的合格审定标准雨水浓度分布,并考虑了环境温度、飞行状况、发动机功率和聚集效应对发动机吸雨的影响,对某民用大涵道比涡扇发动机计算分析了最大起飞、最大爬升、最大巡航、最大连续、50%最大连续、空中慢车等推力下全飞行包线内风扇进口水气比。

1 计算方法

1.1 风扇进口空气流量

本文以某民用大涵道比涡扇发动机为研究对象,运用燃气轮机总体性能分析软件Gasturb,计算得到最大起飞、最大爬升、最大巡航、最大连续、50%最大连续、空中慢车等推力下气流在风扇进口处的质量流量。

该发动机的推力管理调节计划使用Flat rating方法,如图1所示(OAT为周围大气温度),有以下特点:存在一个能保持该推力等级下全推力/功率状态的最高大气温度,即拐点温度TCP;在拐点温度左边,大气温度减小,可保持推力恒定,则低压换算转速N1R也恒定;在拐点温度右边,大气温度增大,需降低N1R以保持排气温度(EGT)恒定。拐点温度与国际标准大气温度间的温差ΔTISA与推力等级相关[19]。对于最大起飞、最大连续、最大爬升和最大巡航等高功率状态,将风扇换算转速N1R作为其推力管理调节计划的被控参数。对于空中慢车等低功率状态,将被控参数设为高压转子换算转速N2R。

在确定了该民用大涵道比涡扇发动机推力管理调节计划后,还需确定计算高度和马赫数,得到不同高度和马赫数下的风扇进口空气流量,用于计算水气比。作为风扇进口水气比的自变量,飞行高度和马赫数的取值对拟合结果至关重要。通过对该型号发动机全飞行包线内不同高度和马赫数下风扇进口水气比的大量计算,发现风扇进口水气比的分布受马赫数的影响相对较大。经过验证,最终确定飞行高度取值间距为1 000 m,马赫数的取值间距为0.01,如对于最大巡航推力等级,在飞行包线0～12 000 m的高度范围内,每隔1 000 m选取1个高度,共取13个值,在其中某高度处飞行包线内的马赫数范围为0.34～0.9,则每隔0.01选取1个马赫数,共取57个值进行计算。对于各给定的高度和马赫数,运用Gasturb软件,根据该发动机的推力管理调节计划确定被控参数的数值,以此计算环境温度为国际标准大气温度(ΔTISA=0)时风扇进口的空气流量。对于最大起飞和空中慢车推力等级,同时计算了ΔTISA=-15 K和ΔTISA=15 K时风扇进口的空气流量。

1.2 雨水吸入流量

进气道捕获气流流管在整个发动机功率和飞行速度范围内变化。在高转速及低飞行速度情况下,流入进气道的实际空气质量流量大于以自由流参数流过捕获面积的空气质量流量,将会使得流量超过发动机进口截面自由捕获量的雨水跟随气流被吸入发动机。而在低转速及高飞行速度情况下,与可得到的冲压空气相比,要求吸入的空气质量流量较小。因此,进气道前大部分空气溢出,并且随着发动机转速的降低及飞行速度的增加,捕获空气流管面积减小,进气道气流外溢增强。对于大雨滴,由于其质量较大,惯性也较大,相对而言不受气流溢出的影响,将会被进气道捕获,增大了进入发动机的水气比。

综上所述,在发动机整个工作包线范围内,被吸入发动机的雨水的质量流量MW应为发动机可能吸入的最大雨量。因此,MW应取跟随气流被吸入发动机的雨量MW1与以自由流被短舱唇口捕获的雨量MW2二者中较大的值,即有

MW=max(MW1,MW2) (1)1.2.1 随气流的雨水吸入流量MW1

CCAR-33R2附录B规定的合格审定标准雨水浓度分布图给出了数个高度上大气中的雨水含量LWC(单位为g/m3),其他高度H(单位为m)上雨水含量的值可以由线性内插的方法确定,即

根据1.1节计算得到的空气流量,结合适航规章规定的合格审定大气雨水浓度分布,可计算得到跟随气流被吸入发动机的雨量MW1为

在高校协同创新成为国家战略的背景下，大学生创业教育作为高等教育的重要内容和办学理念，也应该成为协同创新体系中的重要内容之一。协同创新是开放式的创新模式，强调组织内和组织外资源的挖掘和整合，具有开放、合作、共享等特点。基于协同创新内涵梳理，我们可以这样理解：协同是手段，创新是目的。创业教育协同就是把与创业教育相关的主体联动起来，把相关资源整合起来，共同服务于创业教育的根本目标——创新。

式中:MA为风扇进口空气流量;ρA为空气密度。1.2.2 以自由流被短舱唇口捕获的雨水吸入流量MW2

将发动机短舱进气道口集雨面积Ah与集气面积Ac之比定义为聚集因子SF,即SF=Ah/Ac(如图2所示)。集雨面积Ah为短舱进气道入口面积,集气面积Ac为通过进气道入口的空气流量所对应的自由流流管面积。目前理论分析中应用的一些经验聚集因子与颗粒形状、颗粒之间以及颗粒与发动机之间的多次碰撞有关,但是在有些情况下,这些经验系数适用性不好,因此建议发动机进口雨水的吸入应能体现最为危险的状况,即雨水的捕获面积等于短舱唇口面积[20],进一步忽略雨水的溢出(这一假设会高估吸雨量,因此能体现发动机吸雨最为苛刻的状况),此时被吸入发动机的雨量与以自由流参数流过短舱唇口的雨量相等,则MW2为式中:S为短舱唇口面积;V为飞行速度。

给定飞行高度H和马赫数Ma,标准大气的温度TISA、压力p、空气密度ρA、当地音速C、飞行速度V的计算表达式为

式中:R=287.06 J/(kg·K)为空气的气体常数;γ=1.4为空气的比热比。

根据式(3)和式(4)分别算出MW1和MW2,然后根据式(1)取两者之中较大的值,即为风扇进口吸雨量。

1.3 风扇进口吸雨水气比

风扇进口吸雨水气比(WAR)为被吸入发动机的雨水和空气的质量流量之比,即

当推力水平较高、飞行速度较小时,在飞行包线内一般有 MW1＞MW2,此时 MW=MW1,则WAR=WAR1=MW1/MA;当推力水平较低、飞行速度较大时,在飞行包线内一般有MW2＞MW1,此时MW=MW2,则 WAR=WAR2=MW2/MA(如图3所示)。

2 计算结果和讨论

本文对某大涵道比民用涡扇发动机,计算分析了最大起飞、最大连续、最大爬升、最大巡航、50%最大连续、空中慢车等推力下全飞行包线内风扇进口空气流量、吸雨量以及相应的水气比。

2.1 标准大气下风扇进口水气比

图4给出了国际标准大气温度下最大连续、最大爬升、最大巡航、50%最大连续、空中慢车推力下风扇进口水气比在不同飞行高度和马赫数下的分布等值线图。从图中可以看出,对于任意推力等级,风扇进口水气比随飞行高度和马赫数的变化趋势相同。在同一飞行高度处,当飞行马赫数较小时,风扇进口水气比不随飞行速度的变化而变化,这是由于此时进入进气道的实际空气质量流量大于以自由流参数流过捕获面积的空气质量流量,吸雨量的计算采用式(3),而在一定高度上,合格审定大气的雨水浓度为一常数,因此水气比不随飞行马赫数的变化而变化;当马赫数较大时,风扇进口水气比随着飞行马赫数的增大而增大,这是由于随着飞行速度的增大,短舱进口截面捕获的雨水的质量流量增大(吸雨量的计算采用式(4)),虽然空气流量也在增大,但是气流溢出量也较大。水气比增大,表明吸雨的聚集效应越来越显著。在同一马赫数下,风扇进口水气比在6 100 m处达到最大;在该高度以下,水气比随着高度的增加而增大;在该高度以上,水气比随着高度的增加而减小。航空发动机适航规章规定的合格审定标准的大气雨水浓度在6 100 m及以下时为一恒定值,即20 g/m3,而在该高度以上时雨水含量降低。在6 100 m以上高度飞行时,在同一马赫数下,随着飞行高度的增加,空气的质量流量和每立方米空气中的雨水浓度均减小,但是被吸入发动机的雨水流量的减少幅度大于气流,因此风扇进口的水气比降低。在6 100 m以下高度飞行时,在同一马赫数下,随着飞行高度的增大,空气流量降低,而考虑到聚集效应的影响,被吸入发动机的雨水流量大致相当,使得进入发动机的雨水与空气的流量之比增大,直至高度增大到6 100 m时达到最大。

在6 100 m飞行高度处,各推力等级下的风扇进口水气比随着马赫数的增大而增大。相同环境条件下,最大连续、最大爬升、最大巡航、空中慢车的推力或功率水平是依次递减的,导致空气的溢流依次递增,因此吸雨的聚集效应也相应地依次增强,聚集因子依次增大(如图5所示)。飞行环境条件一致时,最大连续、最大爬升、最大巡航、空中慢车推力下风扇进口水气比依次递增;对于同一推力等级,当推力水平降低时,聚集效应增强,风扇进口水气比增大,如对于最大连续推力等级,当推力降低50%时,风扇进口最大水气比由4.75%增大到5.48%。

2.2 温度对风扇进口水气比的影响

大气温度可通过空气密度和发动机转速来影响风扇的空气流量。大气温度升高,其密度会减小(式(7))。如图1所示,当大气温度低于拐点温度时,发动机的换算转速不变,随着大气温度的升高流入发动机的空气流量减少;而当大气温度高于拐点温度时,发动机需降低转速以保证涡轮前温度不超过限制值,因此额外地减少了流入发动机的空气流量。在高功率低飞行速度状态下,跟随气流被吸入发动机的雨水流量减少,但减小幅度小于空气;而在低功率高飞行速度状态下,以自由流被短舱唇口捕获的雨水流量基本不变,这2种情况均会使得水气比增大。在此研究了大气温度低于拐点温度时对发动机吸雨水气比的影响。

2.2.1 空中慢车

图6给出了与国际标准大气温差ΔTISA=15,-15 K时空中慢车推力下全飞行包线内风扇进口水气比在不同飞行高度和马赫数下的分布等值线图。从图中可以看出,环境温度不同时,空中慢车推力下风扇进口水气比在全飞行包线内变化趋势基本一致,只是值的大小有差异。计算结果表明由于空中慢车推力水平较低,因此在飞行包线内,以自由流被短舱唇口捕获的雨量大于跟随气流被吸入发动机的雨量,发动机吸雨表现出较强的聚集效应。在同一高度、同一马赫数下,吸雨量随环境温度的增大而增大,而环境温度越高流入发动机的空气流量越低,因此水气比越大。当ΔTISA分别为-15、0、15 K时,空中慢车推力下风扇进口水气比最大可分别达到6.97%、7.38%、7.87%。

2.2.2 最大起飞

图7给出了最大起飞推力下ΔTISA=-15,0,15 K时风扇进口水气比在不同飞行高度和马赫数下的分布等值线图。从图中可以看出,起飞包线内不同温度下的风扇进口水气比变化趋势一致,只是值的大小有差异。在同一高度处,当马赫数较小时,不同温度下的风扇进口水气比不随马赫数的变化而变化;而当马赫数较大时,风扇进口水气比随着飞行马赫数的增大而增大,且在同一马赫数下,环境温度越高,风扇进口水气比越大。由于最大起飞的推力水平较大,与最大连续、最大爬升推力下的吸雨情况一致,当飞行马赫数较小时,雨水跟随气流被吸入发动机,而在最大起飞包线高度内,合格审定大气的雨水浓度均为20 g/m3,因此进入发动机的雨水与空气的流量之比不变。当飞行马赫数较大时,发动机吸雨表现出聚集效应,并且随着马赫数的增大,聚集效应越来越显著,因此水气比也增大。

此外,从图中可以看出,在同一马赫数下,风扇进口水气比随着高度的增大而增大。同一马赫数下,高度越高,发动机转速一般越大,进入发动机的空气的体积也越大,由于起飞包线内合格审定标准的大气雨水浓度均为20 g/m3,因此被吸入发动机的雨水也较多;但是由于空气密度较小,质量流量反而较低,因此风扇进口水气比随着高度的增大而增大。

3 结 论

1)本文根据航空发动机吸雨适航规定,给出了发动机吸雨量的计算方法,得到了风扇进口水气比在飞行包线内的变化规律,计算结果表明对于不同的推力等级,风扇进口水气比随飞行高度和马赫数的变化趋势大致相同。

2)在同一高度处,当飞行马赫数较大时,随着飞行马赫数的增大风扇进口水气比增大,吸雨聚集效应增强;在同一马赫数下,风扇进口水气比在6 100 m处达到最大;在该高度以下,水气比随着高度的增加而增大;在该高度以上,水气比随着高度的增加而降低。

3)同一飞行条件下,随着最大连续、最大爬升、最大巡航、空中慢车的推力或功率水平的依次递减,吸雨聚集因子依次增大,聚集效应依次增强。当环境温度不同时,各推力等级下风扇进口水气比的变化趋势也是一致的,且温度越高水气比越大。

[1] LUERS J,HAINES P.Heavy rain influence on airplane accidents[J].Journal of Aircraft,1983,20(2):187-191.

[2] 陈光.雨水对飞机发动机的影响[J].航空发动机,2013,39(4):1-4.

CHEN G.Influence of rain on aeroengine[J].Aeroengine,2013,39(4):1-4(in Chinese).

[3] MURTHY S N B.Dynamic performance of high bypass ratio turbine engines with water ingestion:NASA-CR-4703[R].Washington,D.C.:NASA,1996.

[4] 刘波,曹志鹏,高嵩,等.来流含水对航空发动机风扇/压气机特性的影响[J].航空动力学报,2005,20(6):1041-1047.

LIU B,CAO Z P,GAO S,et al.Influence of inlet water ingestion on aero-engine fan-compressor performance[J].Journal of Aerospace Power,2005,20(6):1041-1047(in Chinese).

[5] MATHIOUDAKIS K,ROUMELIOTIS I.Evaluation of interstage water injection effect on compressor and engine performance[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2006,128(4):849-856.

[6] ROUMELIOTIS I,MATHIOUDAKIS K.Water ingest-ion effects on compressor stage operation[J].Journal of Engineering for Gas Turbine and Power,2007,129(3):778-784.

[7] 黄天豪,张翔,邱昇,等.航空发动机高压压气机吸雨特性分析[J].节能技术,2016,34(4):339-344.

HUANG T H,ZHANG X,QIU S,et al.Rain ingestion characteristics analysis of aero-engine high pressure compressor[J].Energy Conservation Technology,2016,34(4):339-344(in Chinese).

[8] National Transportation Safety Board.Aircraft accident report:Southern Airways Inc.:NTSB-AAR-78-3[R].Washington,D.C.:National Transportation Safety Board,1978.

[9] National Transportation Safety Board.Aircraft accident report:Air Wisconsin Inc.:NTSB-AAR-80-15[R].Washington,D.C.:National Transportation Safety Board,1980.

[10] National Transportation Safety Board.Safety recommendation:In reply refer to:A-05-19 and-20[R].Washington,D.C.:National Transportation Safety Board,2005.

[11] Federal Aviation Administration.CFR final rule:Airworthiness standards;Rain and hail ingestion standards[S].Washington,D.C.:Federal Aviation Administration,1998.

[12] European Aviation Safety Agency.Certification specifications and acceptable means of compliance for engines:CSE amendment 4[S].Cologne:European Aviation Safety Agency,2015.

[13] 中国民用航空局.航空发动机适航规定:33R2[S].北京:中国民用航空局,2011.

Civil Aviation Administration of China.China civil aviation regulations:33R2[S].Beijing:Civil Aviation Administration of China,2011(in Chinese).

[14] Federal Aviation Administration.Turbine engine powerloss and instability in extreme conditions of rain and hail:33.78-1[S].Washington,D.C.:Federal Aviation Administration,2000.

[15] KENNEDY J B,ROBERTS J.Rain ingestion in a gas turbine engine[C]//4th Annual Conference ILASS-AMERICAS Institute of Liquid Atomization and Spray Systems.Hartford:ILASS-AMERICAS,1990:154-162.

[16] NIKOLAIDIS T.Water ingestion effects on gas turbine engine performance[D].Cranfield:Cranfield University,2008.

[17] DAY I,WILLIAMS J,FREEMAN C.Rain ingestion in axial flow compressors at part speed[J].Journal of Turbomachinery,2008,130:011024.

[18] MORAVEC B,PATNOE M.Recommended values of rain and hail concentrations to be considered in the design of turbine engines[C]//1997 World Aviation Congress.Reston:AIAA,1997.

[19] 王玉东.民用涡扇发动机推力管理引气修正方法[J].民用飞机设计与研究,2013(S2):73.WANG Y D.Bleed modification method on power management control of civil turbofan engine[J].Civil Aircraft Design&Research,2013(S2):73(in Chinese).

[20] Advisory Group for Aerospace Research and Development.Recommended practices for the assessment of the effects of atmospheric water ingestion on the performance and operability of gas turbine engines:332[R].Neuillysur-Seine:Advisory Group for Aerospace Research and Development,1995.

Calculation and analysis of fan inlet rain ingestion of a civil turbofan engine throughout the flight envelope

DAl Xiaoqing*,ZHANG Xiang,Ll Sen,ZHENG Jianhong

AECC Commercial Aircraft Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200241,China

To evaluate the influence of rain ingestion on the performance of an aircraft engine,the amount of rain ingested into the engine should be determined first.ln this paper,the effects of liquid water concentration profiles defined by China Civil Aviation Regulations,environment temperature,flight speed,engine power,and scoop factor on water ingestion of engine,combined the full power management schedules,the fan inlet water air ratio(WAR)throughout a civil turbofan engine's operating envelope at different thrust levels is calculated and analysed.The results at all power levels show that at any constant Mach number,fan inlet water air ratio increases with altitude until it peaks at 6 100 m.Above 6 100 m,WAR decreases with the increase of altitude.Furthermore,the higher the Mach number and the ambient temperature,the larger the WAR.For flight idle on a standard day,the maximum WAR can reach as high as 7.38%.The calculating and analyzing method presented in this paper can provide the inlet boundary condition for analysis of rain ingestion critical point in engine airworthiness compliance test.

engine;rain ingestion;scoop factor effect;water air ratio;airworthiness

2016-12-26;Revised:2017-01-11;Accepted:2017-02-28;Published online:2017-03-23 16:36

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170323.1636.006.html

Shanghai Science and Technology Committee under Grants(14DJ1400300)

中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 200241

V235

A

1000-6893(2017)07-121076-09

10.7527/S1000-6893.2017.121076

2016-12-26;退修日期:2017-01-11;录用日期:2017-02-28;网络出版时间:2017-03-23 16:36

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170323.1636.006.html

上海市科学技术委员会科研计划(14DJ1400300)

*通讯作者.E-mail:daixiaoqing12@163.com

代晓晴,张翔,李森,等.某民用涡扇发动机飞行包线内吸雨量计算分析[J].航空学报,2017,38(7):121076.DAl X Q,ZHANG X,Ll S,et al.Calculation and analysis offan inlet rain ingestion of a civil turbofan engine throughout the flight envelope[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2017,38(7):121076.

(责任编辑:王娇)

*Corresponding author.E-mail:daixiaoqing12@163.com