民用航空發動機燃/滑油換熱計算分析驗證

顏顏，戚學鋒，王鵬

(上海飛機設計研究院動力燃油系統設計研究部，上海201210)

民用航空發動機燃/滑油換熱計算分析驗證

顏顏，戚學鋒，王鵬

(上海飛機設計研究院動力燃油系統設計研究部，上海201210)

民用航空發動機的燃/滑油換熱系統，對于發動機滑油系統及發動機的正常工作至關重要。利用Flow Simu?link軟件，對某型發動機燃/滑油熱交換系統進行建模，計算得到滑油系統回油路的溫度值。與發動機地面臺架運行工況、機上地面運行工況、飛行工況下的滑油溫度測量值進行的對比和誤差分析表明，燃/滑油熱分析模型計算結果準確。在發動機各個運行工況，尤其是高溫惡劣環境下，滑油系統的最大溫度低于限制值，該型發動機滑油換熱系統設計合理。

民用航空發動機；滑油系統；熱交換系統；換熱分析；機上地面運行工況；飛行工況

1 引言

發動機滑油系統通過對滑油的儲存、輸送、增壓、冷卻和過濾，對發動機內部軸承、齒輪、花鍵等部件進行潤滑和冷卻，保證發動機的正常工作[1]。燃/滑油換熱系統對滑油進行冷卻，可有效避免滑油超溫及超溫引起的發動機其它故障，對滑油系統和發動機正常運行至關重要。對滑油換熱系統進行熱分析建模計算，是滑油系統設計和考核的基礎。世界上先進的航空發動機生產廠商，如GE、普惠、羅·羅等公司，均擁有豐富的發動機試車數據，可對燃/滑油熱交換模型進行不斷修正，從而保證熱模型計算準確性。國內對滑油換熱系統的研究主要集中在關鍵部件方面，對整個滑油系統熱分析建模計算方面的工作較為分散，熱模型計算準確性還有待提高。本文對發動機滑油換熱系統建模計算，并使用發動機臺架運行工況、裝機后地面運行工況及飛行工況下的滑油測量數據，對熱分析模型進行驗證分析。

2 燃/滑油熱分析系統描述

民用航空發動機多采用燃油與滑油進行熱交換

的手段實現滑油冷卻，換熱過程通過燃/滑油熱交換器實現[2]。根據滑油系統初始設計思路，燃/滑油熱交換器可設置于滑油系統供油路或回油路。本文中發動機的燃/滑油熱交換器設置于滑油系統供油路，故供油路溫度將始終小于回油路溫度，下面僅對溫度較高的回油路溫度進行考察、分析。圖1給出了發動機滑油系統的基本組成和油路。

3 燃/滑油熱分析模型

發動機燃/滑油熱分析模型(圖2)使用Flow Simu?link軟件建模，并按圖3所示流程，對發動機燃油和滑油系統的流量、壓力、溫度進行迭代計算[3～5]。

4 燃/滑油熱分析計算結果及誤差分析原則

使用發動機燃/滑油熱分析模型，計算得到發動機地面和空中運轉狀態下，換熱燃油溫度處于-17.8℃、12.2℃、30.0℃和54.4℃(54.4℃為發動機進口燃油溫度最大限制值[6])時，滑油系統回油路溫度曲線，如圖4所示。圖中n2為發動機核心機相對轉速。

對于燃/滑油熱分析模型計算準確性的判斷依據，引入以下誤差分析原則：將發動機某工況的模型計算值與試驗測量值的誤差(模型誤差)，疊加至最大極限工況下模型計算得到的最大滑油溫度上，考

察疊加后的滑油溫度(疊加溫度)是否超過發動機滑油系統的紅線告警溫度155.0℃。

5 燃/滑油熱分析驗證

5.1 地面車臺工況驗證

選取發動機地面車臺運行工況下的測量參數驗證熱分析模型計算結果。環境溫度-2.7℃，換熱燃油溫度4.4℃；n2為62.6%～100.0%，覆蓋從地面慢車至最大起飛推力的整個運行范圍。

圖5給出了發動機滑油系統回油路溫度測量值與模型計算值的對比。可見，當n2＞80.0%時，計算值與實測值基本吻合，最大模型誤差僅為1.4℃；當n2＜80.0%時，模型誤差隨發動機轉速的減小而增大。在n2最小時，計算值與實測值的最大模型誤差為-22℃。

根據誤差分析原則，在圖4所示的地面運行工況中，n2＞80.0%狀態，回油路溫度最大計算值為150.6℃，則高轉速狀態的疊加溫度為152.0℃。n2＜80.0%狀態，回油路溫度最大計算值為148.9℃，則低轉速狀態的疊加溫度為126.9℃。可見，地面車臺運行狀態高、低轉速下的疊加溫度，均小于滑油紅線溫度155.0℃，模型誤差處于可接受范圍，該狀態下滑油換熱系統滿足設計要求。

5.2 機上地面工況

選取發動機裝機后熱天狀態下的地面運行工況測量參數驗證熱分析模型計算結果。試驗環境溫度37.8℃，飛機停于機坪，發動機在地面慢車推力的70.0%n2和最大爬升推力的103.0%n2兩個工況點運行。試驗環境溫度高，飛機無滑行，發動機短艙通風冷卻不充分，滑油系統處于惡劣的高溫環境下，具有典型代表性。

圖6給出了機上地面工況下的發動機滑油系統回油路溫度測量值與計數值的對比。可見，在70.0%n2狀態(圖中A區域)，換熱燃油溫度50.0℃，回油路平均測量溫度131.7℃。熱分析模型計算的相同狀態下的發動機滑油回油路溫度值為127.8°C(圖中a點)，模型誤差為3.9℃。在103.0%n2狀態(圖中B區域)，換熱燃油溫度41.7℃，回油路平均測量溫度135.0℃。熱分析模型計算的相同狀態下的回油路溫度值為137.8℃(圖中b點)，模型誤差為-2.8℃。

根據誤差分析原則，裝機地面運行狀態(圖4)下，低轉速時回油路溫度最大計算值為148.9℃，則低轉速狀態的疊加溫度為152.8℃。高轉速下回油路溫度最大計算值為150.6℃，則高轉速狀態的疊加溫度為147.8℃。機上地面運行狀態高、低轉速下的疊加溫度，均小于滑油紅線溫度值155.5℃，模型誤差處于可接受范圍，該狀態下滑油換熱系統也滿足設計要求。

5.3 飛行工況

為進一步驗證燃/滑油熱分析模型的準確性，選取典型設計巡航高度10 668 m下發動機飛行狀態滑油系統溫度測量值與計算值進行對比驗證。飛機以馬赫數0.7巡航，外界環境溫度為-30℃，圖7給出了滑油系統回油路溫度測量結果。可見，當飛機剛爬升至10 668 m高度時，滑油系統回油路出現最大瞬態溫度106.7℃，發動機運行穩定后滑油系統回油路實際平均溫度約為101.1℃。對比圖4(b)中熱分析模型計算曲線可知，在相同條件下，滑油系統回油路溫度為101.7℃，模型計算誤差為-0.6℃，飛行中測量值與計算值吻合。故飛行狀態下，模型誤差處于可接受范圍，滑油換熱系統仍滿足設計要求。

6 結束語

該型民用航空發動機的燃/滑油熱分析模型計算得到的滑油溫度，能有效符合車臺試車、高溫環境下機上地面運行、典型巡航高度飛行工況下的滑油溫度測量值，模型誤差處于可接受范圍。在發動機運行工況，尤其是高溫惡劣環境下，滑油系統的最大溫度均低于滑油紅線溫度值，該型發動機滑油換熱系統的設計滿足要求。

[1]航空發動機設計手冊編委會.航空發動機設計手冊：第12冊——傳動及潤滑系統[K].北京：航空工業出版社，2002.

[2]錢汝鼎.工程流體力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，1988.

[3]機械設計手冊編委會.機械設計手冊：第3卷——機械零部件設計(軸系、支承與其他)[K].2版.北京：機械工業出版社，2000.

[4]李靜，王琦.發動機潤滑系統網絡系統的設計及其模擬實驗[J].實驗研究，2008，22：67—71.

[5]Brines G L，Gray D E.Heat Management in Advanced Air?craft Gas Turbine Engines[R].ASME 86-GT-76，1986.

[6]Streifinger H.Fuel/Oil System Thermal Management in Aircraft Turbine Engines[C]//.RTO AVT Symposium on“Design Principles and Methods for Aircraft Gas Turbine Engines”.Toulouse，1998.

Civil Engine Fuel and Oil Heat Exchange Model Analysis and Verification

YAN Yan，QI Xue-feng，WANG Peng
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

The fuel and oil heat exchange system is important for the normal operation of civil engine and engine oil system.A fuel/oil heat exchange model was built using Flow Simulink software to calculate oil scavenge temperatures at different conditions.The comparison and error analysis between calculated and measured results in engine rig test,engine on-board test and flight test were completed.It is verified that the calculation results of fuel/oil heat exchange model are accurate for all engine operation;especially un?der extreme heat ambient condition,oil temperatures are lower than limitation,indicating that the design of civil engine fuel and oil heat exchange system is acceptable.

civil engine；oil system；heat exchange system；heat exchange analysis；on-board ground operation；flight operation

V231.92

：A

：1672-2620(2014)01-0045-04

2012-11-26；

：2013-10-22

顏顏(1983-)，男，安徽蚌埠人，工程師，碩士，從事飛機發動機系統集成設計工作。