渦軸發動機外部管路防火試驗傳熱仿真方法研究

趙尊盛 吳 楠 鄧 維 謝榮華

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

航空發動機作為典型的熱力機械，長時間工作在高溫高壓環境下，燃油、滑油管路錯綜復雜，容易引發火災。一旦在飛行過程中引發著火，后果十分嚴重，歷史上的半數飛行中火情造成了人員傷亡，而導致火災的起因不盡相同。據統計，航空燃油泄漏到高溫表面被引燃起火占火災總數的34%，高速碎片擊穿油箱或打斷油管起火占24%，燃油泄漏被吸入發動機引起喘振“回火”而起火占16%，發動機燃氣裝置損壞或密封失效導致燃氣外泄起火占5%，電器線路絕緣損壞或短路起火和燃油、滑油和液壓系統導管被破壞起火占5%，遭遇雷擊或靜電起火占8%，發動機超溫或燃油箱超壓爆破占3%，其余不明原因的火災占3%[1]。

鑒于發動機著火的危害性，國外航空管理部門在研制規范和適航標準中都有明確的防火要求，因此，防火試驗是航空發動機適航審定的一項重要試驗。由于我國對航空發動機防火試驗缺乏較為豐富的數據和經驗，防火試驗難以一次成功，影響航空發動機適航取證工作進度，因此有必要研究針對防火試驗過程相應的零件傳熱仿真方法，對零件在防火試驗過程的傳熱過程提前進行預測，獲得零件防火試驗條件的詳細溫度分布，有利于在發動機設計過程中指導或優化零件的結構設計，提高防火試驗成功率。

通過解析航空發動機適航規定CCAR33R2第33.17條款[2]和AC33.17-1A，燃油系統外部管路、接頭以及附件的防火等級為耐火。滑油系統部件在發動機停車后由于持續轉動（風車狀態）會繼續供油，燃油系統外部管路、接頭以及附件的防火等級為防火。

本文通過開展渦軸發動機外部管路防火試驗過程的傳熱仿真方法研究，以期獲得防火零件在試驗過程中的瞬態溫度及分布，為滑油管路接口結構設計、改進及封嚴選型提供技術支持。

1.發動機防火試驗傳熱仿真方法

防火試驗采用的標準火焰按照ISO2685標準規定的參數要求確定，防火試驗實施的主要過程是采用標準火焰對試驗件相應考核部位進行加熱，觀察試驗件在耐受15分鐘過程中是否產生可燃流體泄漏，防止出現泄漏流體進一步擴大火勢等安全問題，因此，防火試驗過程的傳熱仿真可以通過在火焰加熱條件下的試驗件傳熱仿真分析實現，主要包括以下3個主要步驟：首先根據標準火焰參數確定火焰對零件的加熱邊界條件，即火焰溫度及其與試驗件表面之間的換熱系數，以及確定零件的火焰加熱部位；其次計算試驗件內部或外部冷卻條件，即內部滑油、燃油、空氣或外部大氣對試驗件相應表面的對流冷卻換熱系數及溫度；最后采用熱分析軟件ANSYS計算零件的三維溫度場，即可得到防火試驗過程中零件溫度隨時間的變化。

根據上述分析，確定防火傳熱仿真流程如圖1所示。

圖1 防火仿真分析流程圖

2.防火試驗傳熱邊界確定

2.1 標準火焰參數

按照ISO 2685標準的要求，試驗火焰溫度為1100℃±80℃，熱流密度為116kW/m2±10kW/m2，熱流密度根據規定的熱流標定方法確定。對于防火試驗和耐火試驗，火焰持續燃燒時間分別為15min和5min。

火焰對試驗件表面的傳熱過程主要是對流換熱，對于數值分析，需要獲得火焰氣流溫度和火焰與零件表面之間的換熱系數，由于火焰溫度在標準中已經給定為1100℃，因此只需研究確定火焰換熱系數，換熱系數可以根據火焰熱流標定方法計算確定。

2.2 火焰熱流標定方法

采用標定設備[3]確定火焰熱流，在熱交換管上方1.52m處安裝恒定流量定壓水，在排氣管前面安裝標準的6.35mm計量閥，以調整水流量。

在測量前應做以下準備工作：

（1）水溫應在10℃～21℃；

（2）水流量應調整到225kg/h；

（3）打開防火試驗燃燒器將火焰調整到1100℃±50℃。火焰溫度測量點應位于距離燃燒器筒身外延100mm處。

（4）水流過設備后，應有3min預熱時間以在開始測量溫度前獲得穩定的試驗條件。預熱之后，應在3min過程內每隔0.5min用進口和出口溫度計測量溫度，進出口水溫度差乘以水流量等于水流吸熱量，該值表征了試驗中火焰部分的嚴酷程度。

AS401B標準燃燒器噴口名義直徑L=178mm，被加熱的銅管通徑d=10mm，外徑D=12mm，壁厚1mm，銅管導熱系數λc=390W/(m2·K)。根據以上參數，火焰對銅管的加熱量為：

銅管內部水流量m=225kg/h，入口溫度T0=20℃，水比熱cp=4200J/(kg·K)，因此，銅管內部水流出口溫度為：

水流進口溫度設為20℃，其動力粘μ=0.00101Pa·s，普朗特數Pr=0.72，導熱系數為0.6 W/(m·K)，因此，銅管內部水流雷諾數Re、努塞爾數Nu、換熱系數h分別計算如下：

根據水流吸熱量與管內壁換熱量相等，可計算水管內壁溫度如下：

式中，Th為水流進出口的平均溫度21.5℃。

根據銅管內外壁導熱平衡方程，可得管外壁溫度如下：

最終，根據火焰與銅管外壁換熱量與水流吸熱量平衡，計算火焰與銅管外壁之間的平均換熱系數為：

式中，Tg為火焰溫度1100℃。

通過式（8）計算獲得了火焰換熱系數，將作為零件防火傳熱分析的火焰外換熱邊界條件。

2.3 流體冷卻邊界條件分析

試驗件內部設有流體通道，其中通有燃油、滑油或空氣等流體工質，在防火試驗過程中起到冷卻作用。因此，需根據流體的流動參數計算試驗件內部冷卻側的換熱情況，包括換熱系數和流體溫度，一般來說，可以采用經典管流換熱經驗關系式計算內部換熱系數。由于試驗件的功能、類型等差異，其結構差別很大，需要根據具體試驗件的結構確定冷卻邊界條件。

針對本文研究的兩種管道，根據發動機設計的滑油參數，在防火試驗前5min內，計算得出的內部滑油換熱系數如表1所示。

表1 管路內部滑油參數及計算的換熱條件

3.管道防火傳熱有限元建模

當燃燒火焰對管道進行加熱時，管道壁面從火焰吸收熱量從而溫度上升，管壁溫度升高繼而對內部滑油加熱，使得滑油溫度升高。作為冷卻介質，滑油溫度升高也會導致管道壁溫上升，因此，滑油溫度和管道壁溫形成耦合換熱關系，需要建立流體與固體耦合傳熱分析模型。

本文基于ANSYS軟件研究了一維流體與三維固體耦合傳熱分析方法，由于管道截面為圓形，內部滑油可簡化為一維流動處理，其溫度在工程上可認為僅沿流向變化。管道固體直接采用三維有限元建模，管道內壁表面建立表面效應單元，其與表示滑油流動的一維流線單元建立耦合換熱關系，從而實現滑油在管道內部的吸熱溫升和對管壁冷卻的綜合效應分析，以提高傳熱分析準確度，滑油換熱系數來自2.3節分析結果。管道外壁火焰加熱采用第三類換熱邊界給定，具體數值見2.1節和2.2節分析結果。

根據上述耦合換熱方法建立的A管接頭有限元模型如圖2所示，限于篇幅，未列出B管道有限元模型。

圖2 A管接頭有限元模型

4.管道防火傳熱仿真分析

防火試驗共計15min，由于后10min零件內部滑油不流動，內部冷卻邊界分析涉及油液蒸發、兩相流等，目前暫無合適的分析手段，因此，本文針對防火試驗前5min的火焰加熱過程進行傳熱仿真研究，旨在獲得防火試驗傳熱仿真的基本方法。

4.1 A管接頭防火傳熱分析

火焰加熱至5min時，A管接頭溫度場如圖3所示。管接頭最高溫度為399℃，位于遠離滑油通道的法蘭安裝邊，與滑油接觸的內壁面溫度為275℃，同時滑油經過該管接頭后溫升為1.3℃。管接頭3處特征點的壁溫瞬態變化如圖4所示，可以看出，壁溫與時間基本呈線形變化關系。

圖3 A管接頭金屬壁溫分布（單位：℃）

圖4 A管接頭特征點瞬態溫度變化

4.2 B管道防火傳熱分析

火焰加熱區域為法蘭邊起始往管路方向擴展90mm（法蘭邊在火焰中央）。滑油從右端進入，由法蘭邊流出。火焰加熱5min后，B管道表面和內部滑油溫度場見圖5所示。管道最高溫度為615℃，為遠離滑油通道的法蘭安裝邊，與滑油接觸的內壁面溫度約180℃～558℃。同時滑油在管道內部的溫升為6.3℃（左）、10.7℃（右），如圖6所示。

圖5 B管道金屬壁溫分布（單位：℃）

圖6 B管道內部滑油沿程溫度（單位：℃）

5.結論

本文系統地研究了針對防火試驗的傳熱仿真模擬方法，并以渦軸發動機典型外部滑油管為研究對象，應用傳熱仿真分析方法，預測了管路試驗件及內部滑油在5min內的瞬態溫度變化及分布。得出主要研究結論如下：

（1）根據防火試驗ISO2685標準要求，解讀了火焰熱流標定程序，應用熱平衡原理分析了火焰氣體與銅管壁之間的平均換熱系數為111W/(m2·K)，確定了防火傳熱仿真所需的外換熱邊界條件。

（2）以ANSYS軟件為平臺，研究了一維流體與三維固體耦合傳熱分析方法，建立了耦合分析模型并進行傳熱仿真，預測了5min防火管路試驗件及內部滑油的溫度分布，獲得了不同維度模型之間耦合傳熱仿真方法。

（3）通過傳熱仿真，A管接頭最高溫度為399℃，位于遠離滑油通道的法蘭安裝邊；與滑油接觸的內壁面溫度為275℃；同時滑油經過該管接頭后溫升為1.3℃。

（4）通過傳熱仿真，B管道最高溫度為615℃，為遠離滑油通道的法蘭安裝邊；與滑油接觸的內壁面溫度約180℃～558℃；同時滑油在管道內部的溫升為6.3℃、10.7℃。

本文研究獲得防火傳熱仿真方法具有較好的工程實用性和普適性，可應用于各型航空發動機防火零件傳熱仿真分析研究，其成果可為航空發動機防火設計及試驗驗證提供技術支持。