航空發動機試車臺多方位排氣引射系統設計與分析

鄭永清 巫 坤 趙佳偉

（中國航發南方工業有限公司，株洲 412002）

排氣引射系統是航空發動機試車臺的重要組成部分，作用是將試車過程中發動機產生的燃氣排出試車間，其排氣引射性能直接影響發動機的性能參數。若排氣不暢，試車間內可能產生燃氣回流，使發動機的部分燃氣重新被發動機吸入。燃氣回流將造成發動機溫度升高，推力下降，若繼續試車，燃氣反復回流，將導致發動機溫度不斷增加，后果十分危險[1-2]。

為解決某航空發動機試車臺右下方40°排氣問題，并兼顧以后發展型號的不同角度排氣問題，計算和設計排氣引射筒的幾何尺寸。采用Fluent 軟件對改造設計后的排氣引射系統進行氣動分析，通過氣動分析驗證此排氣引射系統設計的可行性。此次的計算設計對該發動機其他型號排氣引射系統的研制以及其他多方位排氣引射系統的應用具有理論指導作用和實際意義。

1 總體設計

1.1 排氣引射筒結構尺寸和位置尺寸的確定

試車臺排氣系統主要由一級引射筒體、二級引射筒體、排氣塔以及筒體支撐等部分組成。排氣系統的一級引射筒體前端為固定支撐結構，后端為活動支撐結構。在發動機試車過程中，發動機尾噴氣流對一級引射筒產生沖擊，同時產生激波等復雜流場，從而給引射筒施加一個復雜的勺動態載荷。其中，部分發動機的尾噴口沿軸線下偏一定角度，使一級引射筒體承受一定的徑向載荷。由于發動排氣波動范圍較大，一級引射筒始終處于振動狀態。在發動機試車臺排氣系統中，一級引射筒體的結構尺寸和位置尺寸是決定排氣系統性能指標的重要參數，為保證試車臺排氣系統性能指標不發生改變，一級引射筒體的位置尺寸與發動機排氣口位置保持一致。根據文獻[3]，排氣口的截面積應滿足的公式為

式中：S為排氣筒截面積，m2；Q為發動機最大排氣量，m3·h-1；V為排氣筒平均氣流速度，m·s-1。排氣消聲裝置內的平均氣流流速V應不大于14 m·s-1，一般取值為10～11 m·s-1。

根據計算得出的排氣口截面積S和發動機排氣噴口的尺寸，將排氣引射筒均化為長×寬的橫截面。

1.2 總體結構布局設計

根據航空發動機的研制進程要求，從發動機設計開始到最后生產交付使用，需要進行大量的試驗試車工作。試車臺排氣系統的作用是將發動機產生的高溫、高速燃氣排入大氣。試車臺排氣系統的引射作用，使試車間內產生氣體的流動。在發動機地面試車臺中，發動機排氣過程類似于引射混合器的工作過程，發動機的尾噴口氣流作為主流，后端排氣系統的排氣筒體為氣流混合管，發動機的尾噴口氣流將試車間內的常溫空氣引射進排氣筒體，兩股氣流在排氣筒體內充分混合降溫后進入排氣消聲塔，再由排氣消聲塔排向大氣[3]。

根據計算取值，結合試車臺現場實際狀況，綜合考慮氣體的膨脹與該發動機其他型號的研制，確定總體結構如圖1 所示。

圖1 排氣引射系統總體結構

活動排氣引射轉接頭1 為右下方40°方向排氣（某車臺有3 個不同方向的排氣引射轉接頭），固定引射筒2 設計為帶有公共安裝止口，方便3 個不同方向的排氣引射轉接頭的安裝拆卸。排氣塔4 與固定引射筒2 通過轉接筒3 連接，排氣塔4 為圓柱形套筒結構，套筒內填充消音棉起消音作用，排氣塔高15 m。本排氣引射系統通過更換不同方向的排氣引射轉接頭實現多方向排氣功能。

2 流體力學計算及分析

2.1 計算模型

主要進行右下方40°方向排氣引射系統的氣動分析，探討發動機排氣噴口與車臺排氣管進口之間距離對排氣性能的影響，同時針對該發動機未來研制型號在右下方25°方向排氣的情況進行氣動分析，更加科學地評估設計方案的可行性，因此計算如表1 所示的3 種狀態。

表1 流體力學計算及分析狀態

計算模型如圖2 所示，該模型模擬了排氣管道內氣流的流場和發動機排氣噴口附近外部氣流的流場，同時計算模型引入了發動機的簡化外廓模型。由于發動機的進氣口距離排氣噴口很近，可能存在相互干擾，本計算模型模擬了發動機的進排氣同時存在的狀況。

圖2 計算模型

2.2 計算網格

根據文獻[4]，3 種狀態計算模型的計算網格均采用了四面體、五面體和六面體網格的混合網格，并且根據流場情況進行合理的疏密設置。計算網格數目在90 萬～100 萬。圖3 為計算模型的網格。

圖3 計算模型網格

2.3 計算軟件及設置

在建立耦合連接之前，需設置Fluent 參數。耦合過程中，單相流在排氣筒中輸送，流場信息不斷更新，因此在Fluent 中選擇瞬態計算。流體材料設定為空氣，由于空氣是可壓縮流體，選擇基于壓力速度的求解器[5]。管道入口設為速度進口條件，管道出口設為壓力出口條件，壓力與速度耦合求解采用SIMPLE 算法，重力沿流向反方向。湍流模型采用realizable k-ε 模型。

發動機噴口為質量流量邊界條件（Mass-Flow-Inlet），流量為0.99 kg·s-1，總溫為920 K。噴口附近為壓力邊界條件（Pressure-Inlet），管道出口、發動機進口壓力出口邊界條件，兩者數值均設置為大氣壓力和溫度，計算中通過調節背壓使發動機流量達到0.99 kg·s-1。

2.4 計算結果及分析

狀態1（右下方40°）排氣的流場計算結果如圖4～圖9 所示。

圖4 狀態1 排氣時的速度分布

圖5 狀態1 排氣時的靜溫分布

圖6 狀態1 排氣時的總壓分布

圖7 狀態1 排氣時噴口附近的速度場

圖8 狀態1 排氣時管道內的流線

圖9 狀態1 排氣時發動機附近的流線

計算結果顯示，3 種狀態都能順利將燃氣排出，并將發動機噴口附近外部氣流引射進去，具體引射量如表2 所示。

表2 引射量 單位：kg·s-1

由表2 可知，當發動機噴口與排氣管進口距離相同時，往右下方25°方向排氣更暢，即偏轉角度越小，排氣更順暢，引射的外部氣流更多；當排氣方向相同時，發動機噴口與排氣管進口之間距離增大，引射流量略有下降，但仍然可以將噴口噴出的燃氣全部排出，說明噴口與排氣管進口之間的距離對排氣性能影響較小（僅限上述情況）。

3 結論

第一，運用氣動力計算，研究設計滿足設計要求的排氣引射筒幾何尺寸。第二，運用Fluent 軟件對排氣引射系統進行建模和氣動分析，得出設計方案可以順利排出發動機的燃氣，且發動機的進氣和排氣不存在干擾。同時，通過對不同角度和同一角度發動機噴口與排氣進口之間不同距離的排氣氣動分析，為將來新型號發動機試車臺排氣引射系統的研制提供理論依據。第三，通過實際應用，得出發動機各方位排氣引射系統均能很好地將發動機燃氣引射出試車間，滿足發動機地面試車要求，與氣動分析結論一致。