不同構(gòu)型航母偏流板對發(fā)動機進口溫度畸變的影響

田曉平，李 密

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

航空母艦上的飛機在起飛之前需要事先起動發(fā)動機，然后發(fā)動機在大狀態(tài)進行暖機、起飛。航空發(fā)動機噴出的高溫、高速氣流會對其后的人員、設備和艦載機產(chǎn)生損害，因此航母上飛機后面會升起一塊偏流板(Jet Blast Deflector，JBD)，來將飛機發(fā)動機產(chǎn)生的高溫、高速尾氣導流至上空，達到保護機后人員、設備的目的[1-8]，如圖1所示。

在進行科研試飛時，某型艦載機在起飛過程中，發(fā)動機油門從慢車狀態(tài)推至起飛加力狀態(tài)時，多次出現(xiàn)發(fā)動機喘振現(xiàn)象，該問題引起了科研人員的高度關(guān)注。經(jīng)過分析，初步認為，起飛前發(fā)動機慢車狀態(tài)時，發(fā)動機吸入的尾氣較少，進口溫度較低。起飛時，發(fā)動機油門桿在較短的時間內(nèi)由慢車推至最大狀態(tài)，大量高溫高速尾氣經(jīng)偏流板發(fā)射，向上的部分排向高空，向下的部分尾氣沿著甲板被吸入發(fā)動機，導致發(fā)動機進口溫度畸變和溫升率大幅增加，從而導致發(fā)動機不穩(wěn)定工作，甚至喘振。

為了驗證上述分析是否合理，本文通過數(shù)值模擬研究，針對該型艦載機在起飛前的狀態(tài)進行了建模，分析了偏流板升起后，發(fā)動機尾噴口燃氣回流，吸入進氣道，引氣發(fā)動機入口溫度畸變[9-13]。該溫度畸變可能導致發(fā)動機工作不穩(wěn)定，甚至引起發(fā)動機喘振，因此在原有的直型偏流板的基礎上提出了偏流板改進方案，將原有的單個直板，改為有多個小直板組成的類圓弧型偏流板。這種類圓弧型偏流板通過鉸鏈鏈接，升起時，小直板組成類似于圓弧的型面，放下時可以完全鋪開，不影響航母甲板的平整性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示該方案既可以有效的利用航母的有限空間，又可以最大化的降低發(fā)動機進口總溫畸變和溫升率，可為后續(xù)艦載機偏流板改進提供參考。

1 溫度畸變及其理論說明

畸變指數(shù)是用來定量地衡量畸變程度的一組參數(shù)，它提供了一個發(fā)動機進口畸變和發(fā)動機性能定量相關(guān)并進行信息交流的手段。目前國際上尚沒有得出一個通用的畸變指數(shù)?；冎笖?shù)的定義涉及面較寬，有相當?shù)膹碗s性，但從實際使用上看，不希望過于繁瑣，對測試和數(shù)據(jù)處理方面則要求簡單實用?；冎笖?shù)的確定一般需通過大量的試驗和分析，還需要有一定的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，國外各航空先進國家均已發(fā)展了一系列的畸變指數(shù)定義。由于發(fā)展的歷史過程以及設計和試驗的經(jīng)歷不同，因而各國、各公司的畸變指數(shù)定義各不相同，即使對于同一個公司來說，隨著研制過程的發(fā)展，相容性評定工作的深入，其畸變指數(shù)也在不斷地改進和完善。

有關(guān)進氣道/發(fā)動機相容性評定中畸變指數(shù)的統(tǒng)一問題，需建立公認的標準，這一點對于畸變指數(shù)來說更為重要，是統(tǒng)一標準的出發(fā)點。我國相關(guān)標準中提出了相應的定義規(guī)定，該規(guī)定采用的是俄羅斯定義的溫度畸變指數(shù)。本文即采用這種類型的溫度畸變指數(shù)，它是由溫度畸變強度和溫升率來描述溫度畸變。

1.1 溫度畸變強度

溫度畸變強度是溫度畸變幅值的數(shù)值表征，用面平均相對溫升來表示：

(1)

式中：ΔTFAV為面平均溫升，(K)；T0為0時刻面平均溫度。

1.2 溫升率

表示單位時間內(nèi)高溫區(qū)最高溫度的變化值，其表示式為：

(2)

式中：(ΔTimax)max為高溫區(qū)內(nèi)最高溫度的最大變化值；Δtm為由溫度擾動開始到高溫區(qū)最高溫度達到最大值的時間。

2 艦載機建模

根據(jù)艦載機、偏流板和偏流板后設備的相對位置，建立了如圖2所示的模型。計算模型中尾噴管與偏流板之間的水平距離為600 mm，偏流板與里面之間的夾角為50°，兩個尾噴管之間的距離為1500 mm，尾噴管的偏角為5°。

為了簡化模型和節(jié)省計算資源，將上述模型進行對稱處理，簡化后的網(wǎng)格如圖3所示。網(wǎng)格數(shù)為820萬，兩尾噴管之間的平面為對稱面，外圍為壓力遠場，尾噴管設置為壓力進口，進氣道出口設置為壓力出口。

3 數(shù)值計算結(jié)果

分別進行了發(fā)動機慢車和全加力狀態(tài)下的數(shù)值模擬，圖4和圖5分別為發(fā)動機慢車狀態(tài)和全加力狀態(tài)下的計算流場內(nèi)部總溫分布圖。

機身對稱面溫度分布云圖和流線圖如圖6所示，從圖中可以看出機身下部區(qū)域的氣流溫度較高，而且有較多的尾氣被吸入進氣道，很有可能導致進氣道入口和發(fā)動機入口溫度上升較多，進而產(chǎn)生了較大的溫度畸變和較高的溫升率。

圖7為發(fā)動機慢車狀態(tài)下的進氣道進、出口總溫云圖，圖8為發(fā)動機全加力狀態(tài)下，進氣道進、出口總溫云圖。

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，進氣道和發(fā)動機入口氣流的溫度較高，總溫畸變較為明顯，關(guān)于進氣道進、出口的總壓畸變和溫升率詳見表1。由表1可以看出，進氣道出口溫度畸變強度達到了27.6%，局部最大溫升率達到了267.2 ℃/s。

表1 平面偏流板數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)相關(guān)文獻研究，當溫升率較小時，發(fā)動機進口溫升隨時間的變化較緩慢地上升，而燃油控制系統(tǒng)有足夠的時間改變對發(fā)動機的供油，所以換算轉(zhuǎn)速沿工作線向下移動。當溫升率較大時，壓氣機工作線偏離穩(wěn)態(tài)工作線向喘振邊界移動。這是由于發(fā)動機供油和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化跟不上溫度上升的變化速率;空氣密度和換算轉(zhuǎn)速的下降，渦輪前溫度迅速上升，渦輪前形成“熱”阻塞，若溫升率更高時，燃燒室熱節(jié)流效應的壓力瞬時值增加，使壓氣機氣流流動受阻，喘振邊界線瞬時下移，由于進口溫度急劇上升，壓氣機氣動參數(shù)不協(xié)調(diào)(如導向葉片可調(diào)機構(gòu)、轉(zhuǎn)差、涵道比等)。這時壓氣機相當于不可調(diào)的壓氣機，從而加劇了壓氣機工作點向喘振邊界移動。

據(jù)統(tǒng)計，武器發(fā)射時發(fā)動機進口面平均溫升5%～30%。如果發(fā)動機進口相對溫升為10%，假設發(fā)動機溫度畸變敏感系數(shù)3%，這時導致發(fā)動機穩(wěn)定裕度損失為30%。但壓氣機在設計時可用穩(wěn)定裕度一般為20%左右。顯然發(fā)動機溫度畸變一項降穩(wěn)因子都足以使發(fā)動機喘振。

4 優(yōu)化設計

針對以上問題，我們對航母上的偏流板進行了改進，將平面偏流板改為由5個平面組成的類圓弧形的曲面偏流板，最終氣流沿曲面偏流板流出的角度和改進前的一致，為50°，如圖9所示。該偏流板升起時為類圓弧型曲面，放下時為平面，不會影響航母上甲板的平整度。

對改進后的偏流板進行數(shù)值模擬，計算結(jié)果如下，圖10為安裝曲面偏流板時的流場計算全貌。圖11為安裝曲面偏流板時的進氣道入口和出口總溫云圖。

從圖11中可以看出，安裝改進的偏流板后，進氣道入口和出口的總溫明顯降低，進氣道入口的最高溫度下降了152.3 ℃，平均溫度下降了112.6 ℃。進氣道出口的最高溫度下降了131.2 ℃，平均溫度下降了89.8 ℃。

表2 類圓弧型偏流板數(shù)值模擬結(jié)果

進氣道出口溫度畸變由25.3%減小為4.7%，溫升率由267.2 ℃/s減小為51.4 ℃/s?？梢妰?yōu)化后的偏流板對發(fā)動機入口的氣流溫度場品質(zhì)明顯改善。

圖12給出了改進偏流板后的對稱面溫度云圖和流線圖，相比改進前，改進后機身下部區(qū)域的總溫明顯降低，吸入進氣道的尾氣也明顯減少。

圖13對比了偏流板改進前后，偏流板和地面溫度分布云圖，從圖中可以看出，改進后偏流板上的溫度和機身下部地面溫度降低了很多，而且偏流板后面物體表面的溫度也降低了，由原來的344 ℃減低為311 ℃，這可能是曲面偏流板的倒流效果比平面偏流板的效果好，導致絕大部分氣流順著偏流板流向上空，而不是繞過偏流板到達后方物體。

為了評估優(yōu)化后偏流板的效果，在原來平面偏流板的模型上，將飛機前移，即增加飛機尾噴口與平面偏流板之間的距離L(如圖14所示，正常情況下該距離為0.6 m左右)，計算不同前移距離下，發(fā)動機進口處的總溫畸變強度、溫升率等參數(shù)。計算結(jié)果如圖15和圖16所示。

為了簡化模型和節(jié)省計算資源，將上述模型進行對稱。

從圖15中可以看出，隨著艦載機與偏流板之間距離的增加，平均溫升率和局部最大溫升率都有所下降。艦載機在距離類圓弧型偏流板0.6 m處時的溫升率與平面偏流板4.7 m處的溫升率相當。即，相對于類圓弧型偏流板，應用平面偏流板時，艦載機的位置得向前再移動4 m多，得浪費較大的空間。因此，應用類圓弧型偏流板不但可以降低發(fā)動機喘振的可能，也可以使得航空母艦的空間利用更加高效。

5 結(jié)論

1)類圓弧型偏流板可以有效地降低進氣道入口和出口的氣流溫度，避免發(fā)動機吸入較多的尾氣，能有效減小周向溫度畸變和溫升率，從而最大可能的避免溫度畸變引起的發(fā)動機喘振現(xiàn)象。

2)類圓弧型偏流板可以很好地將發(fā)動機尾氣導入空中，減少尾氣在偏流板后的擾流，從而降低偏流板后的溫度，達到更好地保護偏流板后物體的作用。

3)在不引起發(fā)動機大狀態(tài)喘振的情況下，類圓弧型偏流板可以節(jié)省空間，使得航空母艦的甲板利用更加高效。