偏流板对发动机进口温升影响研究

2019-05-18崔金辉丁冠东

燃气涡轮试验与研究 2019年2期

崔金辉，孙丹，韩磊，丁冠东

(1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.中国航空发动机集团有限公司，北京100097)

1 引言

偏流板是航空母舰甲板上的一种保护装置，具有耐高温、耐磨擦和耐腐蚀的特点，其主要作用是在舰载机起飞时保护尾喷流方向上的其他设备、飞机和人员不受高温气流的危害。飞机起飞前，偏流板竖起并与航空母舰甲板成一定角度，使发动机喷流偏折到上方或偏流板两侧，于是高温喷气流会在飞机与偏流板之间形成一个较大区域的温度场。部分高温气流受外界风的影响或偏流板的反射，会扩散到发动机进口位置并在发动机进口形成严重的温度畸变，若畸变程度超出发动机承受能力将诱发发动机喘振。因此，有必要开展发动机与偏流板之间的适配性研究，获得不同发动机推力状态、不同偏流板使用条件下发动机进口温升，为发动机在航空母舰上的使用提供指导意见，同时也能够为降低发动机喘振故障率、改善进气温度畸变提供参考。

国内外针对偏流板均开展过一些研究，但考虑的影响因素不够全面——根据公开文献，主要是未能考虑发动机推力状态对进口温升的影响。如，郭涛[1]通过数值模拟计算了偏流板与周围安全区域的关系，并根据对周围环境的影响得出了最佳倾角及最佳距离；Gehring[2]通过开展偏流板内部通道腐蚀性研究，对Mark 7偏流板的设计和腐蚀防护进行了评估；张群峰等[3]通过数值计算，得出了不同环境风速和偏流板倾角下回流对进气道温升的影响；毕玉泉等[4]利用解析方法建立偏流板的角位移、角速度和角加速度数学模型，完成了偏流板机构的运动学仿真；马彩东等[5]通过仿真计算手段，分析了不同偏流板偏转角对周围流场的影响，得出了4个不同偏转角下周围设备的保护程度；Moskowitz[6]通过开展舰机适配研究，评估了在海洋环境下偏流板上金属防滑涂层的适应能力；徐凯[7]利用仿真计算手段，比较了偏流板与发动机的距离、偏流板角度对适配性的影响，对偏流板进行了综合最优选择。

鉴于对偏流板研究所考虑因素不够全面这一现状，本文主要借助计算流体动力学方法开展发动机与偏流板的适配性研究，重点研究偏流板角度、发动机与偏流板距离、发动机推力状态对发动机进口温升的影响，以期为发动机在航空母舰上的安全应用及发动机与偏流板之间的匹配提供指导。

2 计算模型

2.1 发动机选型

计算所采用的发动机模型为F-35C舰载战斗机的发动机F135-PW-400[8]。选用该机型作为计算对象主要是因为F135-PW-400发动机各项参数便于查阅，并且是单台配装，采用常规推进方式，便于建模和计算。

2.2 偏流板构型

计算所采用的偏流板为MK7铝合金偏流板，不考虑偏流板厚度和表面涂层影响。偏流板高4.2 m，长10.8 m；偏流板与甲板表面的夹角即板位角θ可调，调节范围为0°～90°，如图1所示。偏流板底部边缘(甲板固定铰链处)与发动机出口面在甲板上的投影之间的距离L，定义为偏流板与发动机的距离。

2.3 计算模型与区域边界设置

图1 飞机与偏流板位置Fig.1 Location of aircraft and JBD

由于三维流场关于飞机机体对称面呈现左右对称，因此将整个计算模型简化后只计算流场的一半即可。流场计算区域的对称面如图2所示，发动机进口面在甲板水平方向上的投影位置设为水平方向0坐标，远场边界沿甲板水平方向的取值范围为-10.0～22.4 m，偏流板固定铰链在甲板上的位置坐标为6.5 m。尾喷流流场计算不考虑发动机内部构型和工作原理，仅需给出发动机喷管的边界条件即可。

发动机喷管进口采用质量流量进口条件，给定流量和总温，用以区别不同发动机推力状态；来流边界条件设置为压力远场；发动机进口设置为压力出口条件；甲板设置为壁面边界条件；计算区域网格全部采用结构化网格。

3 计算方法及验证

3.1 流场计算

流场采用计算流体动力学软件Fluent[9]计算。计算时，假定尾喷流为定常、理想的可压缩气体，使用密度基耦合算法求解器，湍流模型采用标准的k-ε两方程模型，控制方程采用二阶迎风模式离散。

3.2 计算方法验证

为验证尾喷流流场数值计算方法的准确性，对文献[10]中在低落压比下进行试验的喷管流场进行了数值仿真，并将仿真结果与试验测得数据进行对比。仿真计算时所采用的总温总压边界条件与试验的一致，落压比取4.0。图3为沿喷流方向静压 ps(已通过进口壁面处总压 pt做无量纲化处理)计算结果和试验结果的对比，可见仿真结果与试验结果基本吻合。

图3 喷流方向静压分布Fig.3 Distribution of static pressure along the jet flow

4 计算结果与分析

主要计算不同的发动机推力状态、板位角、偏流板与发动机距离对流场和发动机进口温升的影响。计算过程中，只改变其中一种影响因素，其他两种影响因素不变。进口温升ΔT定义式[11]为：

式中：Tin表示发动机进口平均温度；Tamb表示环境大气温度，文中取288 K。

4.1 发动机推力状态的影响

喷管进口流量和总温决定发动机推力状态大小。F135发动机喷管进口最大流量W7=139 kg/s，喷管进口最大总温T7=2 050 K。通过对发动机进行节流共给出7种推力状态，W7和T7具体参数设置见表1。设定θ=45°，L=1.8 m，不计外界风的影响。

表1 不同推力状态参数设置Table 1 Parameters in different thrust states

7种推力状态下，甲板表面总温沿水平方向的分布及发动机进口温升分别如图4、表2所示。从图表中可得出：

(1)对于任一发动机推力状态，从偏流板底边位置(约6.5 m)开始沿水平负方向到发动机进口位置(0 m)，甲板表面总温无明显变化且温度已达到最大值；继续沿负方向延伸到计算区域最左侧(-10.0 m)温度逐渐下降，但下降趋势并不完全相同，对于状态1～状态4温度下降梯度小，状态5～状态7温度下降趋势较明显，未到区域最左侧温度已降到环境温度。这说明偏流板将高温燃气折返，在甲板上方形成一个高温温度场，且发动机推力状态不同温度场衰减程度不同，发动机推力状态越高，尾喷流被偏流板折返后向发动机进口方向扩散的区域越大。

图4 不同推力状态下甲板表面总温沿水平方向的分布Fig.4 Distribution of total temperature on deck plane along horizontal direction in different thrust states

表2 不同推力状态下的进口温升Table 2 ΔTin different thrust states

(2) 发动机进口位置(0 m)，状态1～状态7对应的温度逐渐减小，说明发动机推力状态对发动机进口温升起到决定性作用。

(3)随着发动机推力状态的降低，进口温升逐渐减小，因此可根据发动机实际能够承受的进口温升确定发动机的工作状态。

4.2 板位角的影响

在保持发动机推力状态不变的情况下对流场进行数值计算。W7=90 kg/s，T7=1 300 K，L=1.8 m，θ分别为 30°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°。经计算得到图5所示的甲板表面总温分布结果和表3所示的发动机进口温升。从图表中可得出：

(1)随着θ的增大，发动机进口位置(0 m)对应的甲板表面总温逐渐增大。当θ=30°时总温为1 230 K，当θ≥40°时总温为1 300 K且随着θ的增大总温不再变化，说明发动机进口位置温度场的形成与θ有关。

(2)随着θ的增大，高温温度场所能达到的区域变大，即高温区沿甲板表面向发动机进口方向延伸得更远。当θ＜50°时，甲板表面温度在发动机进口前2.0～3.0 m可以逐渐衰减到环境温度；但是当θ＞55°时，即使在计算区域最左侧甲板表面温度也不能降为环境温度。

图5 不同板位角下甲板表面总温沿水平方向的分布Fig.5 Distribution of total temperature on deck plane along horizontal direction in differentθ

表3 不同板位角下的进口温升Table 3 ΔTin differentθ

(3)随着θ的增大，偏流板后方高温区面积越来越小，即安全区域面积越来越大。当θ=30°时，偏流板后方11.0 m处温度才降为环境温度；但当θ=45°时，在偏流板后方3.5 m处温度已降为环境温度。

(4)随着θ的增大，进口温升逐渐增大，说明θ对进口温升有较大影响。虽然θ的增大扩大了安全区域面积，但也会引起进口温升的快速增大，更容易诱发温度畸变。从计算结果看，θ＞45°时偏流板后方安全区域的面积不再明显变化，因此在实际使用过程需综合考虑温度畸变和安全区域的关系，进而选择θ大小。对于文中算例，θ在40°～45°之间较为合适。