偏流板對發動機進口溫升影響研究

崔金輝，孫 丹，韓 磊，丁冠東

(1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015；2.中國航空發動機集團有限公司，北京100097)

1 引言

偏流板是航空母艦甲板上的一種保護裝置，具有耐高溫、耐磨擦和耐腐蝕的特點，其主要作用是在艦載機起飛時保護尾噴流方向上的其他設備、飛機和人員不受高溫氣流的危害。飛機起飛前，偏流板豎起并與航空母艦甲板成一定角度，使發動機噴流偏折到上方或偏流板兩側，于是高溫噴氣流會在飛機與偏流板之間形成一個較大區域的溫度場。部分高溫氣流受外界風的影響或偏流板的反射，會擴散到發動機進口位置并在發動機進口形成嚴重的溫度畸變，若畸變程度超出發動機承受能力將誘發發動機喘振。因此，有必要開展發動機與偏流板之間的適配性研究，獲得不同發動機推力狀態、不同偏流板使用條件下發動機進口溫升，為發動機在航空母艦上的使用提供指導意見，同時也能夠為降低發動機喘振故障率、改善進氣溫度畸變提供參考。

國內外針對偏流板均開展過一些研究，但考慮的影響因素不夠全面——根據公開文獻，主要是未能考慮發動機推力狀態對進口溫升的影響。如，郭濤[1]通過數值模擬計算了偏流板與周圍安全區域的關系，并根據對周圍環境的影響得出了最佳傾角及最佳距離；Gehring[2]通過開展偏流板內部通道腐蝕性研究，對Mark 7偏流板的設計和腐蝕防護進行了評估；張群峰等[3]通過數值計算，得出了不同環境風速和偏流板傾角下回流對進氣道溫升的影響；畢玉泉等[4]利用解析方法建立偏流板的角位移、角速度和角加速度數學模型，完成了偏流板機構的運動學仿真；馬彩東等[5]通過仿真計算手段，分析了不同偏流板偏轉角對周圍流場的影響，得出了4個不同偏轉角下周圍設備的保護程度；Moskowitz[6]通過開展艦機適配研究，評估了在海洋環境下偏流板上金屬防滑涂層的適應能力；徐凱[7]利用仿真計算手段，比較了偏流板與發動機的距離、偏流板角度對適配性的影響，對偏流板進行了綜合最優選擇。

鑒于對偏流板研究所考慮因素不夠全面這一現狀，本文主要借助計算流體動力學方法開展發動機與偏流板的適配性研究，重點研究偏流板角度、發動機與偏流板距離、發動機推力狀態對發動機進口溫升的影響，以期為發動機在航空母艦上的安全應用及發動機與偏流板之間的匹配提供指導。

2 計算模型

2.1 發動機選型

計算所采用的發動機模型為F-35C艦載戰斗機的發動機F135-PW-400[8]。選用該機型作為計算對象主要是因為F135-PW-400發動機各項參數便于查閱，并且是單臺配裝，采用常規推進方式，便于建模和計算。

2.2 偏流板構型

計算所采用的偏流板為MK7鋁合金偏流板，不考慮偏流板厚度和表面涂層影響。偏流板高4.2 m，長10.8 m；偏流板與甲板表面的夾角即板位角θ可調，調節范圍為0°～90°，如圖1所示。偏流板底部邊緣(甲板固定鉸鏈處)與發動機出口面在甲板上的投影之間的距離L，定義為偏流板與發動機的距離。

2.3 計算模型與區域邊界設置

圖1 飛機與偏流板位置Fig.1 Location of aircraft and JBD

由于三維流場關于飛機機體對稱面呈現左右對稱，因此將整個計算模型簡化后只計算流場的一半即可。流場計算區域的對稱面如圖2所示，發動機進口面在甲板水平方向上的投影位置設為水平方向0坐標，遠場邊界沿甲板水平方向的取值范圍為-10.0～22.4 m，偏流板固定鉸鏈在甲板上的位置坐標為6.5 m。尾噴流流場計算不考慮發動機內部構型和工作原理，僅需給出發動機噴管的邊界條件即可。

發動機噴管進口采用質量流量進口條件，給定流量和總溫，用以區別不同發動機推力狀態；來流邊界條件設置為壓力遠場；發動機進口設置為壓力出口條件；甲板設置為壁面邊界條件；計算區域網格全部采用結構化網格。

3 計算方法及驗證

3.1 流場計算

流場采用計算流體動力學軟件Fluent[9]計算。計算時，假定尾噴流為定常、理想的可壓縮氣體，使用密度基耦合算法求解器，湍流模型采用標準的k-ε兩方程模型，控制方程采用二階迎風模式離散。

3.2 計算方法驗證

為驗證尾噴流流場數值計算方法的準確性，對文獻[10]中在低落壓比下進行試驗的噴管流場進行了數值仿真，并將仿真結果與試驗測得數據進行對比。仿真計算時所采用的總溫總壓邊界條件與試驗的一致，落壓比取4.0。圖3為沿噴流方向靜壓 ps(已通過進口壁面處總壓 pt做無量綱化處理)計算結果和試驗結果的對比，可見仿真結果與試驗結果基本吻合。

圖3 噴流方向靜壓分布Fig.3 Distribution of static pressure along the jet flow

4 計算結果與分析

主要計算不同的發動機推力狀態、板位角、偏流板與發動機距離對流場和發動機進口溫升的影響。計算過程中，只改變其中一種影響因素，其他兩種影響因素不變。進口溫升ΔT定義式[11]為：

式中：Tin表示發動機進口平均溫度；Tamb表示環境大氣溫度，文中取288 K。

4.1 發動機推力狀態的影響

噴管進口流量和總溫決定發動機推力狀態大小。F135發動機噴管進口最大流量W7=139 kg/s，噴管進口最大總溫T7=2 050 K。通過對發動機進行節流共給出7種推力狀態，W7和T7具體參數設置見表1。設定θ=45°，L=1.8 m，不計外界風的影響。

表1 不同推力狀態參數設置Table 1 Parameters in different thrust states

7種推力狀態下，甲板表面總溫沿水平方向的分布及發動機進口溫升分別如圖4、表2所示。從圖表中可得出：

(1)對于任一發動機推力狀態，從偏流板底邊位置(約6.5 m)開始沿水平負方向到發動機進口位置(0 m)，甲板表面總溫無明顯變化且溫度已達到最大值；繼續沿負方向延伸到計算區域最左側(-10.0 m)溫度逐漸下降，但下降趨勢并不完全相同，對于狀態1～狀態4溫度下降梯度小，狀態5～狀態7溫度下降趨勢較明顯，未到區域最左側溫度已降到環境溫度。這說明偏流板將高溫燃氣折返，在甲板上方形成一個高溫溫度場，且發動機推力狀態不同溫度場衰減程度不同，發動機推力狀態越高，尾噴流被偏流板折返后向發動機進口方向擴散的區域越大。

圖4 不同推力狀態下甲板表面總溫沿水平方向的分布Fig.4 Distribution of total temperature on deck plane along horizontal direction in different thrust states

表2 不同推力狀態下的進口溫升Table 2 ΔTin different thrust states

(2) 發動機進口位置(0 m)，狀態1～狀態7對應的溫度逐漸減小，說明發動機推力狀態對發動機進口溫升起到決定性作用。

(3)隨著發動機推力狀態的降低，進口溫升逐漸減小，因此可根據發動機實際能夠承受的進口溫升確定發動機的工作狀態。

4.2 板位角的影響

在保持發動機推力狀態不變的情況下對流場進行數值計算。W7=90 kg/s，T7=1 300 K，L=1.8 m，θ分別為 30°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°。經計算得到圖5所示的甲板表面總溫分布結果和表3所示的發動機進口溫升。從圖表中可得出：

(1)隨著θ的增大，發動機進口位置(0 m)對應的甲板表面總溫逐漸增大。當θ=30°時總溫為1 230 K，當θ≥40°時總溫為1 300 K且隨著θ的增大總溫不再變化，說明發動機進口位置溫度場的形成與θ有關。

(2)隨著θ的增大，高溫溫度場所能達到的區域變大，即高溫區沿甲板表面向發動機進口方向延伸得更遠。當θ＜50°時，甲板表面溫度在發動機進口前2.0～3.0 m可以逐漸衰減到環境溫度；但是當θ＞55°時，即使在計算區域最左側甲板表面溫度也不能降為環境溫度。

圖5 不同板位角下甲板表面總溫沿水平方向的分布Fig.5 Distribution of total temperature on deck plane along horizontal direction in differentθ

表3 不同板位角下的進口溫升Table 3 ΔTin differentθ

(3)隨著θ的增大，偏流板后方高溫區面積越來越小，即安全區域面積越來越大。當θ=30°時，偏流板后方11.0 m處溫度才降為環境溫度；但當θ=45°時，在偏流板后方3.5 m處溫度已降為環境溫度。

(4)隨著θ的增大，進口溫升逐漸增大，說明θ對進口溫升有較大影響。雖然θ的增大擴大了安全區域面積，但也會引起進口溫升的快速增大，更容易誘發溫度畸變。從計算結果看，θ＞45°時偏流板后方安全區域的面積不再明顯變化，因此在實際使用過程需綜合考慮溫度畸變和安全區域的關系，進而選擇θ大小。對于文中算例，θ在40°～45°之間較為合適。

4.3 偏流板與發動機距離的影響

在保持發動機推力狀態和板位角不變的情況下對流場進行數值計算。W7=70 kg/s，T7=700 K，θ=45°，L 分別為1.8、3.0、4.0、5.0、6.0 m。經計算得到圖6所示的甲板表面總溫分布結果和表4所示的發動機進口溫升。從圖表中可得出：

(1)隨著L的增大，發動機進口位置(0 m)氣流溫度降低。當L=1.8 m時，發動機進口位置最高溫度為699 K；當L=5.0 m時，發動機進口位置最高溫度降為300 K，稍微大于環境溫度。因此，L對發動機進口位置溫度場的影響明顯。

圖6 不同偏流板與發動機距離下甲板表面總溫沿水平方向的分布Fig.6 Distribution of total temperature on deck plane along horizontal direction in differentL

表4 不同偏流板與發動機距離下的進口溫升Table 4 ΔTin differentL

(2)隨著L的增大，進口溫升越來越小，當L=6.0 m時發動機進口溫升僅為2 K。這主要是由于L增大使得高溫尾噴流不足以返回到發動機進口位置，說明增加L可以減小發動機進口溫升，改善溫度畸變。

當然，由于艦面空間有限，受起飛跑道長度、艦面剎車裝置、偏流板后方等候起飛飛機的限制，偏流板與發動機距離不可任意增加，該距離增大會縮短跑道長度，同時也會使偏流板對艦面設備的保護作用減弱。

5 結論

發動機推力狀態、偏流板板位角、發動機與偏流板距離，都會影響尾流溫度場分布和進口溫升大小，通過分析得出以下主要結論：

(1)隨著發動機推力狀態的降低，發動機進口溫升逐漸減小，因此降低推力狀態有利于改善溫度畸變，但推力的降低程度需考慮起飛推力的限制。

(2)偏流板板位角增大擴大了偏流板后方安全區域面積，但也會引起發動機進口溫升快速增大，更容易誘發溫度畸變，在實際使用過程需結合航空母艦甲板表面各個系統的安全需求和發動機抗畸變能力確定板位角。

(3)偏流板與發動機距離的增大，能夠很大程度上減小進口溫升，但受艦面多種因素制約，距離設定需結合其他因素才能做出判斷。

(4)艦載機起飛時所面臨的主要問題是進氣溫度/壓力組合畸變對發動機穩定性的影響，進行發動機與偏流板適配性研究時必須考慮進氣畸變影響，這也對后續工作中改善發動機抗溫度畸變能力提出了更高的要求。