李 悅,劉沖沖,竇志偉

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

發(fā)動機(jī)是直升機(jī)的“心臟”,由于現(xiàn)代作戰(zhàn)需要,直升機(jī)的動力需求不斷提升,發(fā)動機(jī)功率不斷提高。更高的發(fā)動機(jī)功率意味著更高的發(fā)動機(jī)艙溫度。要保證發(fā)動機(jī)、各附件、輔助設(shè)備能夠正常工作,發(fā)動機(jī)艙的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1-3]。直升機(jī)通常采用空氣冷卻的方式對發(fā)動機(jī)艙進(jìn)行通風(fēng)冷卻,利用發(fā)動機(jī)排氣引射的作用,使冷空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙,達(dá)到冷卻目的。影響發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻性能的主要因素包括通風(fēng)口的設(shè)置和排氣引射能力。石嵩等[4]針對直升機(jī)發(fā)動機(jī)艙冷卻系統(tǒng)的3處冷卻孔的進(jìn)氣性能開展優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬了直升機(jī)不同前飛速度下冷卻口的進(jìn)氣流場。王忠義等[5]研究了排氣引射器對燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)箱內(nèi)通風(fēng)冷卻的作用,結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)的排氣引射系統(tǒng)對引射系數(shù)有一定的影響。

AC313A鐵鳥機(jī)進(jìn)行三發(fā)并車試驗(yàn)時,并車穩(wěn)定于飛行狀態(tài)時,監(jiān)測到1#、3#發(fā)動機(jī)表面溫度快速上升,機(jī)組反饋出現(xiàn)濃重的焦糊味。關(guān)車后,機(jī)務(wù)人員進(jìn)行發(fā)動機(jī)艙的檢查工作,發(fā)現(xiàn)1#、3#發(fā)動機(jī)艙部分橡膠件、活動整流罩、線纜及防磨網(wǎng)套損壞,部分傳感器脫落。經(jīng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),1#、3#發(fā)動機(jī)艙所有溫度測點(diǎn)處數(shù)據(jù)均已超過限制值。根據(jù)排查分析,認(rèn)為發(fā)動機(jī)引射能力不足是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)艙超溫的原因。在三發(fā)并車低距飛行和三發(fā)地慢并車時,單臺發(fā)動機(jī)的輸出扭矩和功率變小,排氣流量較小,引射效果變差,發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)散熱不足,造成了熱聚積升溫。本文主要針對發(fā)動機(jī)艙超溫問題,提出了兩種不同結(jié)構(gòu)的排氣引射管,通過數(shù)值仿真手段對比分析排氣引射能力,以及其對發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻的影響,探索優(yōu)化方向,從而更好地提升發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻能力。

1 方法描述

1.1 控制方程

假設(shè)發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣為不可壓縮、牛頓粘性流體,流動為穩(wěn)態(tài)湍流,發(fā)動機(jī)艙內(nèi)氣密性良好,且考慮艙內(nèi)輻射換熱。選用RNGK-ε模型[6]。與標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型相比,RNGK-ε模型修正了湍流動力粘性系數(shù),考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動情況,使模型對瞬變流和流線彎曲的影響能更好地做出預(yù)測。RNGK-ε模型在其ε方程增加了一項(xiàng),提高了高速流動的準(zhǔn)確性。

連續(xù)性方程:

(1)

能量方程:

(2)

動量方程:

(3)

(4)

(5)

K方程(湍流能量傳遞方程):

(6)

ε方程(湍流能量耗散率方程):

(7)

1.2 物理模型

由于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)發(fā)動機(jī)表面布置了復(fù)雜的油路、管線、傳感器等附件,大大增大了建模的困難程度,因此需要對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕：喕蟮陌l(fā)動機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。由于直升機(jī)的對稱性,取直升機(jī)的左側(cè)物理模型用于計(jì)算,如圖2所示;同時為了保證數(shù)值計(jì)算更好地收斂,對直升機(jī)機(jī)體架構(gòu)也進(jìn)行了一定程度的簡化。為了保證關(guān)注的區(qū)域與遠(yuǎn)場邊界之間不會產(chǎn)生數(shù)值上的不合理影響,避免出現(xiàn)偽物理現(xiàn)象,外流域取23 m*5.6 m*10 m。

圖1 發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化模型

圖2 機(jī)身結(jié)構(gòu)簡化模型

排氣引射管原方案為常規(guī)的擴(kuò)張型噴管,噴管出口截面積大于噴管入口截面積。圖3中:方案A為收斂型噴管,出口截面積小于入口截面積;方案B為波瓣噴管,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,是一種具有高效混合特性的異形噴管結(jié)構(gòu)[7]。3種排氣引射管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 排氣引射管結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻性能參數(shù)對比

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

由于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)不對稱且?guī)缀文Ｐ蛷?fù)雜,網(wǎng)格劃分時采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分如圖4所示,網(wǎng)格總單元數(shù)為187萬左右。

圖4 網(wǎng)格劃分

計(jì)算采用發(fā)動機(jī)H=5020 W/m2/K下的表面溫度,實(shí)際換熱系數(shù)采用H=20 W/m2/K;發(fā)動機(jī)排氣流量采用飛慢狀態(tài),質(zhì)量流量為3.095 kg/s,發(fā)動機(jī)排氣溫度為465 ℃;計(jì)算采用全溫模型,考慮重力,輻射模型為P1模型,湍動能方程選用RNGK-ε模型;整流罩壁面采用絕熱壁面,發(fā)動機(jī)壁面為換熱模型。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 指標(biāo)定義

1)排氣引射管壓損為

(8)

式中:Pin為排氣引射管入口截面表壓,Pout為排氣引射管出口截面表壓,Pambient為大氣壓力。

2)引射比為

(9)

式中:ms為引射質(zhì)量流量,mp為發(fā)動機(jī)排氣質(zhì)量流量。

2.2 發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻性能對比

2.2.1 發(fā)動機(jī)艙整流罩及發(fā)動機(jī)主要成附件溫度分布對比

針對原方案、方案A和方案B三種排氣引射管結(jié)構(gòu),計(jì)算了前飛速度、下洗流速度為0,環(huán)境溫度30 ℃,排氣流量3.095 kg/s,排氣溫度465 ℃時發(fā)動機(jī)艙的通風(fēng)冷卻情況。圖5和圖6分別對比了采用3種排氣引射管結(jié)構(gòu)整流罩和發(fā)動機(jī)主要成附件的溫度分布。由圖可以看出:采用原方案時,整流罩最高溫度達(dá)到238 ℃,發(fā)動機(jī)主要成附件表面最高溫度達(dá)到291 ℃,已超過限制值;方案A收斂型噴管發(fā)動機(jī)艙整流罩壁面最高溫為188 ℃,發(fā)動機(jī)主要成附件最高溫234 ℃;方案B波瓣噴管發(fā)動機(jī)艙整流罩壁面最高溫為194℃,發(fā)動機(jī)主要成附件最高溫248℃。由此可見,兩種改進(jìn)方案均提高了發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻性能。這是由于對于同一混合管而言,方案A減小了引射管出口截面積,導(dǎo)致引射唇口面積增大,引射流量增大,引射比φ增大;方案B中波瓣噴管的出口截面積雖然沒有明顯的減小,但由于其特殊的異形結(jié)構(gòu),引氣唇口面積較于原方案增大,引射流量增大,引射比φ增大。

圖6 發(fā)動機(jī)主要成附件溫度分布

2.2.2 總壓損失對比

表3分別對比了3種方案的入口、出口表壓力以及總壓損失。結(jié)果表明,方案A和方案B總壓損失均相較于原方案增大,且方案A增幅更大。這是由于方案A出口截面面積最小,在入口截面不變的情況下,出口截面越小壓力損失越大。

表3 總壓損失對比

方案A和方案B的發(fā)動機(jī)艙整流罩和發(fā)動機(jī)主要成附件的溫度分布大致相同,但由于方案A的總壓損失比方案B高35%,因此方案B最佳,最終選用波瓣噴管作為最終方案。

3 結(jié)論

本文針對AC313A民用直升機(jī)發(fā)動機(jī)排氣引射管3種方案開展發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法數(shù)值仿真了3種排氣引射管對發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻的影響,對比分析了發(fā)動機(jī)艙整流罩及發(fā)動機(jī)主要成附件的溫度分布、引射比以及總壓損失?，F(xiàn)總結(jié)以下結(jié)論:

1)通過改變排氣引射管的結(jié)構(gòu),可以改變引射比,從而改變發(fā)動機(jī)艙通風(fēng)冷卻情況,改變發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度分布。

2)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,方案A和方案B在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度分布的表現(xiàn)基本相同,但方案A收斂型噴管總壓損失高于方案B波瓣噴管超過35%,最終選擇總壓損失較小的方案B。