民用飞机实验室发动机低温启动试验可行性分析

马建军

民用飞机实验室发动机低温启动试验可行性分析

马建军

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065）

大涵道比发动机在实验室开门时，对在室内展开发动机低温启动/慢车试验的可行性进行了分析。分析了通过管道的排气量与实验室升温速率之间的关系，设计了将发动机内涵和外涵排气分割处理的排气方式，只将内涵排气通过管道排出实验室，减少室外空气的引入量，降低实验室升温速率。针对两种不同管道入口距离对发动机的影响进行了CFD仿真分析。结果表明，排气管道入口在尾椎末端时，对发动机性能影响甚微，实验室可在打开门的情况下，进行发动机启动试验，单次试验时间不超过3.5 min，实验室温度上升不超过5 ℃。

气候实验室；发动机开车；尾气排放；CFD

1 引言

飞机实验室低温试验是以一架可飞行的全状态飞机为试验对象，在气候实验室中对其施加低温，考核其在低温环境下的功能和性能。飞机实验室低温试验与外场高寒试验都是高度动态的，飞机启动APU或发动机[1]，操作各飞机系统，检查飞机各系统功能是否正常、性能是否出现衰减等，发动机的低温启动和工作试验是一项重要试验。发动机启动或运行时，一方面必须将发动机高温尾气安全地排出实验室；另一方面，必须向实验室内补充等量的经温度处理的新鲜空气，以维持试验条件和室内压力，保障试验安全[2]。在实验室不具备主动向室内补充经温度处理的新鲜空气能力的情况下，则可打开实验室的大门，被动向实验室内补充室外的空气，以维持实验室内的压力。美国麦金利实验室早期在不具备主动补气的能力时，将实验室大门打开，进行短暂的发动机启动和运行试验，但实验室会在短时间内产生较大的温升[3]。被动补气时，需要分析实验室的温升情况是否超出极限，以确定发动机低温启动或工作试验的可行性。

2 排气方式确定

飞机主发类型包括涡喷、涡扇（大涵道比和小涵道比）、涡轴和涡桨等，对于涡扇发动机特别是大涵道比发动机，发动机尾气包括内涵高温燃气和外涵低温空气，通常内涵排气量较小，如果设计一套排气装置，只将内涵的高温气体排出实验室，同时从室外引入常温空气补偿室内的空气消耗，则可在一定程度上在实验室内展开发动机启动/慢车试验。

美国麦金利实验室的大涵道比发动机开车试验的排气装置也是将发动机内涵、外涵气流分割处理，CS100、C-5M飞机发动机开车试验排气装置如图1和图2所示，尾气排气管道直径仅覆盖发动机内涵出口，内涵高温燃气被排出实验室，外涵低温空气重新进入实验室，这种尾气排气方式可以大大减少空气补偿量，利于室内温度和压力的稳定。

图1 CS100飞机发动机开车试验排气装置

图2 C-5M飞机发动机开车试验排气装置

3 不同排气量下实验室温升分析

如果在气候实验室内启动发动机，发动机的排气处理是关键问题。理想状态下，在不影响发动机性能参数的前提下，从实验室内向室外的排气量应尽可能少，以尽可能减少从室外引入的常温空气，维持实验室内的温度。主发动机启动时，APU已经在工作，假设满足以下几个条件：①实验室的新风系统可以满足APU废气排放需求，且新风系统完全用于APU工作；②循环风系统能平衡实验室维护结构的散热量和发动机机匣的散热量；③室外引入的空气与室内空气完全混合。

图3 实验室排气和进气示意图

实验室压力变化很小，取101 325 Pa。空气的密度仅与温度有关，按照理想气体计算：

式（1）中：为K氏温度。

同时，进气的体积流量与排气的体积流量相等，如下式所示：

将式（1）代入式（2）得：

外界的湿空气进入温度极低的室内时，会出现过饱和，气态的水产生相变释放出大量的热，考虑最严酷的状态：水冷凝后不会再次吸热蒸发，且忽略水相变后继续降温释放的热量。由于补气量相对于实验室巨大的体积来说较小，外界湿空气进入实验室后，其温度及湿度将迅速降至与室内环境一致，此时，补充进实验室的焓值按下式计算：

实验室内部的焓值变化率计算如下：

式（6）中：为实验室的体积，为100 000 m3。

将式（3）和式（6）代入式（5）得：

式（7）中有两个未知量2和2，由于极端低温下空气的绝对含湿量较低，当有外界湿空气进入实验室后，实验室内的湿度很容易达到饱和，因此假定2为温度2对应的饱和湿度焓值。

单位质量的空气的焓值计算如下：

=1.01（－273.15）+[2 500+1.84（－273.15）] （8）

式（8）中：为空气的绝对含湿量。

的计算公式为：

式（9）中：q为水蒸汽分压。

对于饱和空气，其饱和蒸汽分压qb按式（10）和式（11）计算。

空气温度为0～200 ℃时（公式中为K氏温度）：

ln（qb）=﹣5 800.220 6/+1.139 149 93－0.048 602 39+

0.417 647 68×10﹣42－0.144 520 93×10﹣73+

6.545 967 3ln（） （10）

空气温度为﹣100～0 ℃时：

ln（qb）=﹣5 674.535 9/+6.392 524 7－0.967 784 3×

10﹣2+0.622 157 01×10﹣62+0.207 478 25×10﹣83－

0.948 402 4×10﹣124+4.163 501 9ln（） （11）

通过式（8）～（11）即可计算出温度2对应的饱和湿度焓值2。对式（7）采用差分方法进行计算，对于时刻和时刻－1有：

夏季和冬季时，不同的排气流量对应的实验室温升情况如图4所示。

4 发动机尾气排放CFD仿真

实验室向外排出的空气质量流量是关键参数，而排气量的多少主要取决于尾气排放管道的设计。某型发动机的外形如图5所示，将外涵道和内涵道出口简化为一个平面，其中外涵出口半径为1 028 mm，外涵出口处内涵外轮廓半径为692 mm，外涵出口到尾椎为1 605 mm；内涵出口半径为485 mm，内涵出口处尾椎外轮廓半径为338 mm，内涵出口到尾椎为825 mm，发动机底部离地高度为650 mm。环境温度为﹣40 ℃时，发动机慢车状态的入口质量流量为139.56 kg/s，外涵出口流量为128.31 kg/s，温度为﹣38.24 ℃，内涵出口流量为8.07 kg/s，温度为367.52 ℃。

图5 发动机外形示意图

在发动机尾部布置一个直径为1 000 mm的排气管道，根据管道入口与内涵出口的距离，分析了两种工况，如图6所示。

Case 1为管道入口与内涵出口的距离为825 mm（即尾椎末端处）；Case 2为管道入口与内涵出口的距离为200 mm（管道侵入尾椎）。

图6 排气管道位置

将发动机置于40 m×10 m×10 m的计算空间内，如图7所示，方向0点为发动机尾椎末端。

网格划分整体上采用六面体网格，局部采用四面体网格，六面体网格和四面体网格交界面设置为interface对，网格划分如图8所示，网格数量为392万。

选用K-w SST湍流模型[4-6]，空气物性中密度采用ideal gas计算，粘性采用Sutherland公式计算。边界条件的设置如下：①发动机进口为速度入口，速度为24.38 m/s，湍流强度和耗散率分别为5%和10%，总温为﹣40 ℃。②外涵道出口为总压入口，压力为1 320 Pa，湍流强度和耗散率分别为5%和10%，总温﹣38.24 ℃。③内涵道出口为总压入口，压力为500 Pa，湍流强度和耗散率分别为5%和10%，总温为367.52 ℃；周围大气为总压入口，压力为0 Pa，湍流强度和耗散率分别为2%和2%，总温为﹣40 ℃；管道出口为压力出口，压力为0 Pa，湍流强度和耗散率分别为2%和2%，温度为﹣40 ℃；地面为绝热壁面。

图8 网格划分

两种工况下的速度场与压力场分布分别如图9和图10所示。

图9 Case 1速度和压力分布

图10 Case 2速度和压力分布

可见两种不同的管道入口距离下，管道均成功将尾气进行了分割，内涵的高温气流完全进入管道，达到了将高温内涵尾气与低温外涵尾气分离的目的。但Case 2管道侵入了发动机尾椎，管道与尾椎共同作用，压缩了内涵气流的流通面积，内涵排气速度衰减变慢，尾椎附近出现明显负压。

自然状态、Case 1和Case 2三种工况下的计算结果对比如表1所示。可见Case 1管道距离较远时，管道的存在对发动机影响很小，对外涵和内涵排气有轻微的阻力，外涵流量仅减小了0.1 kg/s（﹣0.07%），内涵流量减小了0.09 kg/s （﹣1.1%），通过管道的排气量为28.50 kg/s，其中包括外涵尾气20.55 kg/s，是内涵尾气的2.58倍。

Case 2管道侵入发动机尾椎时，对发动机的影响较大，与Case 1对发动机排气产生阻力不同，Case 2实际上更利于发动机排气，内涵和外涵排气口的压力均出现显著下降，在500 Pa的内涵总压入口条件下，内涵流量增大到了9.60 kg/s（+19.4%），同时通过管道的排气量减少到21.50 kg/s，其中包括外涵尾气11.9 kg/s，仅是内涵尾气的1.23倍。

表1 计算结果对比

工况外涵出口内涵出口排气量/（kg/s） 总压/Pa流量/（kg/s）静压/Pa总压/Pa流量/（kg/s）静压/Pa 自然状态1 320128.94﹣404.185008.0481.70/ Case 11 320128.93﹣403.985007.9591.1528.50 Case 21 320128.94﹣404.135009.60﹣105.2521.50

Case 2内涵排气量上升是由边界条件决定，3种工况下内涵均为压力入口条件，总压500 Pa，Case 2由于管道侵入发动机尾椎，管道入口距离内涵出口较近，管道入口气流加速引起的低压区降低了内涵出口的排气阻力，相当于变相提高了内涵排气口的压力，导致流量增加。

进一步分析管道距离对发动机的影响，选择三条特征线，如图11所示，LINE1始于尾椎末端，LINE2始于外涵出口中线，LINE3始于内涵出口中线。

图11 特征线

3条特征线在3种计算工况下的速度、压力和温度分布分别如图12、图13、图14所示。

由图12~图14可知，尾椎末端之前（坐标小于0），Case 1工况下，3条特征线的速度、压力和温度分布与自然状态下几乎重合。而Case 2工况下，3条特征线则呈明显偏离自然状态。尾椎末端之后（坐标大于0），无论是Case 1还是Case 2，3条特征线都呈偏离自然状态。

结合表1数据可说明，Case 1对发动机的影响几乎可以忽略，而Case 2更利于发动机排气。

图12 特征线速度分布

图13 特征线压力分布

图14 特征线温度分布

5 结论

通过以上分析，可以得出以下结论：①发动机开车试验被动补气时，从实验室中排出的空气流量及室外温湿度对实验室的温度趋势有显著影响，应尽可能减少排气量，并尽可能选在冬季进行试验；②在发动机尾喷口处一定距离设置一排气管道可以将内涵排出的高温燃气完全排出室外，同时不影响发动机性能参数，排气管道侵入发动机尾椎将利于发动机排气；③实验室可在打开门的情况下，进行发动机低温启动试验，要求室温上升不超过5 ℃，夏季可进行单次3.4 min试验，冬季可进行单次7.2 min试验。

［1］CLENDON L H.Flight testing under extreme climatic conditions［R］.AFFTC-TIH-88-004，1988.

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D922.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.010

2095－6835（2020）02－0035－05

马建军（1989—），男，安徽阜阳人，毕业于中国航空研究院，中航工业飞机强度研究所31室工程师，主要从事飞机气候环境试验技术研究。

〔编辑：张思楠〕