某型涡扇发动机进气加温模拟装置仿真与试验研究

柳国印; 闫卫青; 陈彦锋; 吴志昌; 张帅

doi:10.11729/syltlx20220141

某型涡扇发动机进气加温模拟装置仿真与试验研究

中国航空发动机集团有限公司沈阳发动机研究所，沈阳　110015

详细信息

作者简介:
柳国印: （1991—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，工程师。研究方向：航空发动机整机性能优化及试验技术。通信地址：辽宁省沈阳市沈河区万莲路1号（110015）。E-mail：1520898041@qq.com

通讯作者:
柳国印: E-mail：1520898041@qq.com

中图分类号: V235.1
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出版历程
- 收稿日期: 2022-12-11
- 修回日期: 2023-03-14
- 录用日期: 2023-03-19
- 网络出版日期: 2023-06-04

Simulation and experimental study of inlet heating simulator for a turbofan engine

Shenyang Engine Research Institute, Aero Engine Corporation of China, Shenyang　110015, China

摘要

摘要: 由于现有进气加温试验装置温场条件不能满足某型发动机的指标要求，因此开展了新型进气加温装置结构设计、测试方案、温场评估方法及加温条件下稳态与过渡态的试验方案等研究，确保发动机进口温场满足要求。本文基于某型发动机4种进气条件，以温场周向不均匀度为表征方法，进行进气加温模拟装置出口温场均匀性数值仿真分析，仿真结果表明新设计的试验装置温场周向不均匀度满足≯1%的指标要求。同时开展某型涡扇发动机与进气加温装置的多工况联合试验，稳态试验表明发动机最高转速下温场周向不均匀度为0.4395%，温场分布与仿真结果表现基本一致；过渡态试验结果表明进口温场不均匀度与发动机进口温度变化速率有关，不同发动机工况下进口温度调节方法是温场周向不均匀度满足要求的关键。仿真分析及联合试验结果表明，新设计的进气加温装置能够满足发动机多工况试验时对进口温场周向不均匀度的要求。
- 进气加温模拟装置 /
- 涡扇发动机 /
- 数值仿真 /
- 试验 /
- 温场周向不均匀度
Abstract: Since the temperature field conditions of the existing intake heating test device cannot meet the index requirements of a certain engine, the structural design, test scheme, temperature field evaluation method, and steady-state and transition state test scheme of the new intake heating device are carried out to ensure that the engine inlet temperature field meets the requirements. This paper makes a numerical simulation analysis of the temperature field uniformity using four engine inlet conditions and using the circumferential non-uniformity method. The simulation results show that the circumferential non-uniformity of the temperature field ≯1%. At the same time, the combined tests of a turbofan engine and the intake heating device under multiple operating conditions were carried out. The steady-state tests show that the circumferential non-uniformity of the temperature field at the highest engine speed was 0.4395%, and the temperature field distribution was consistent with the simulation results. The results of the transition state test show that the inlet temperature field unevenness is related to the engine inlet temperature change rate, and the inlet temperature regulation method is the key to meet the requirements of temperature field circumferential unevenness under different engine working conditions. The results of simulation analysis and joint test show that the newly designed inlet heating device can meet the requirements of circumferential unevenness of the inlet temperature field in the multi-condition engine test.
- inlet heating device /
- turbofan engine /
- numerical simulation /
- test /
- circumferential unevenness of temperature field

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0 引　言

在地面试车台上，仅模拟高速飞行时发动机进口空气温度，而不模拟其他条件的试车，称为进口空气加温试车^[1]，本文简称“进气加温试车”。航空发动机进气加温试车是考核其热端部件寿命的一种方法，在发动机研制的各个阶段发挥了重要作用，它是联系发动机地面试验与空中试飞、性能达标与结构可靠、整机耐久考核与部件寿命分析的重要纽带。进气加温试验模拟装置是发动机进气加温试车的关键设备，由于设备结构复杂且是发动机进气的必经通道，其气动性能直接影响着发动机的进气稳定性。而涡扇发动机使用过程中常遇到的问题之一是压缩系统的气动不稳定性。在20世纪90年代初期, 美、俄等航空大国均在温度畸变领域开展了大量的试验研究^[2-4]。我国也在该领域进行了大量的课题研究，如涡轮喷气、涡轮风扇发动机进行的温度畸变，压力及温度组合畸变、进气加温装置的气动性能分析等。相关研究表明，发动机进口温度场与压力场的流场品质对发动机的气动稳定性有很大的影响^[5-16]。发动机进口温度畸变会引起发动机熄火，降低发动机的稳定工作裕度，引起发动机性能恶化^[17-19]。因此，该装置不仅要准确模拟发动机进口温度，还要保证发动机进口温场的均匀性，不能产生较大畸变，否则直接影响发动机的工作安全。

本文针对新型进气加温模拟装置，以保证发动机进口温场均匀性满足要求为目标，开展基于数值仿真的模拟装置结构优化设计。以某发动机进口气流温度场关键指标为试验目标，进行多工况下进气加温模拟装置和发动机联合的试验验证。摸索进气加温模拟装置的工作能力以及发动机进口温场的均匀性情况，为后续发动机试验提供参考。

1 进气加温试验条件

1.1 进气加温试验装置

针对某型发动机地面试车台进气加温试验需求，开展进气加温模拟试验装置设计，结构包括：供/排气管道、稳压箱、蜂窝、整流网、进气道和测控系统等组成，具备高温气流量调节、发动机进口温度模拟、整流稳压、温场参数监控等功能。进气加温试验装置原理如图1所示。

图 1 进气加温试验原理图

Fig. 1 Schematic diagram of inlet heating test

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进气加温模拟装置要重点保证发动机进口温度场均匀性等指标均满足要求，采取的控制方法如下：

1）掺混器：采用环形喷嘴周向均布喷射热空气与常温空气掺混的结构，如图2所示。在发动机主动吸气条件下，冷空气沿掺混器轴向进入掺混区。热空气先进入环形集气腔，再通过直管进入环形管，经环形管上喷嘴喷射出与冷空气进行充分掺混，其中喷嘴直径可调节，当发动机进口温场局部不均匀时可适当调节同角向位置的喷嘴直径大小来进一步优化温场。

图 2 掺混器结构模型

Fig. 2 Mixer structure model

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2）稳压箱：高通径比的稳压箱结构设计，减小压力损失，保证掺混器出口的气流具有足够的掺混距离；保证掺混器与稳压箱中心在同一水平面内，改善流场、降低压力损失，如图3所示。预留出足够的空间，用以安装蜂窝、整流网等结构，通过整流蜂窝和整流网对气流进行整流（图4），整流蜂窝可使气流紊流度下降，气流方向更接近于流道轴线，使气流速度分布更趋均匀，进一步保证发动机进口温度场的均匀性。

图 3 稳压箱结构

Fig. 3 Stable pressure box structure

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3）壁面保温：对稳压箱、进气道外壁面以及结构连接处增加保温层，降低环境温度变化对稳压箱和进气道内壁面温度的影响，进一步减小发动机进口温场的径向温差，提高发动机进口温场的均匀性。

进气加温试验发动机进口温度调节原理：发动机进气流量相对固定条件下，通过调节供热气流量，改变冷热气掺混比例来满足发动机进口要求的温度。通过增大（减小）供气调节阀的开度，减小（增大）排气调节阀的开度，实现发动机进口温度的高低调节。

图 4 整流段结构示意图

Fig. 4 Schematic diagram of rectifier section structure

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1.2 测试方案

根据发动机进口气动截面的确定原则^[20]及现有动态快速响应温度传感器使用经验，本文评估稳压箱出口与发动机进口温场均匀性的测量截面为：稳压箱截面与进气道截面，测量参数见表1所示，典型测量截面和测试耙布局见图5所示。

表 1 进气加温试验测量参数表

Table 1 Measurement parameters of inlet heating test

参数符号	截面	单位	支和点	测量精度	时间常数	布置方式
T_w	稳压箱总温	℃	12 × 8	± 1℃	≯0.1 s	周向均布，径向等环面
T₁	进气道总温	℃	8 × 8	± 1℃	≯0.1 s	周向均布，径向等环面

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图 5 测量截面和测试耙布局示意图

Fig. 5 Schematic diagram of measurement section and test rake layout

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1）稳压箱测量截面：布置在距进气道唇口前0.5D处，用于稳压箱出口温度T_w的测量及温场均匀性的评估，D为稳压箱直径（图5）；

2）进气道T₁截面测量：在距发动机进口测量截面前0.2d，评估发动机进口温场均匀性，d为进气道直径（图5）。

1.3 温度场评估方法

热空气经稳压箱进入进气道不可避免在过渡段使发动机进口温场产生变化，本文根据GJB/Z 211温场评定方法开发计算程序对试验数据进行计算评估^[21]。其中，发动机进口温场用不同工况下的温场周向不均匀度$\Delta \bar T_2 $等参数表征，相关参数的公式如下：

温度畸变强度是温度畸变幅值的数值表征，用面平均相对温升$\delta T_{{\rm{2FAV}}}$为：

$$ \delta T_{{\rm{2FAV}}}=\frac{\Delta T_{{\rm{2FAV}}}}{T_{0}} $$

(1)

式中：$\Delta T_{{\rm{2FAV}}}=T_{{\rm{2FAV}}}-T_{0}$为面平均温（K）。

面平均温度$T_{{\rm{2FAV}}}$定义为：

$$ T_{{\rm{2FAV}}}=\frac{1}{2 {{{\pi}}}} \int_{0}^{2 {{{\pi}}}} T_{r}(\theta) {\rm{d}} \theta $$

(2)

径向平均温度定义为：

$$ T_{r}(\theta)=\frac{1}{1-\bar{r}_{h}^{2}} \int_{\bar r_h}^{1} T(\bar{r}, \theta) 2 \bar{r} {\rm{d}} \bar{r} $$

(3)

式中：$T_{r}(\theta)$为径向平均温度(K)；$ T_{0} $自由流总温(K)；$ \bar{r}_{h} $为轮毂相对半径，轮毂半径与轮缘半径之比。

“高温区”周向范围根据气动界面上不同半径处测得的面积加权的径向平均值沿周向的分布来确定“高温区”周向范围。温度场有两个以上“高温区”，其周向范围应等于实际温度场所有局部高温区范围之和，即：

$$ \theta^{ + }=\sum \theta_{i}^{ + } $$

(4)

式中：$ \theta^{ + } $为等效温度场周向范围（°）；$ \theta_{i} $为第i个高温区周向范围（°）。

高温区内气流温度的平均值为：

$$ T_{{\rm{HAV}}}=\frac{1}{\theta^{ + }} \int_{\theta^{ + }} T_{r}(\theta) {\rm{d}} \theta $$

(5)

式中：$ T_{r}(\theta) $为当地不同半径处的气流温度平均值(K)。

温度场周向不均匀度定义为高温区平均温度与面平均温度的相对增量公式为

$$ \Delta \bar{T}_{2}=\frac{T_{ {{\rm{HAV}}}}-T_{{\rm{2FAV}}}}{T_{{\rm{2FAV}}}} $$

(6)

式中：$T_{\text {HAV}}$为高温区内气流温度的平均值（K）。

发动机处于进气加温状态，选用Tw作为温度畸变强度计算的自由流总温T₀，T_h为环境温度。

2 发动机进口温场数值仿真

2.1 模型建立

构建进气加温装置供气管路、掺混器、稳压箱和进气道等部件组合下的三维几何模型，并以掺混器出口为基准定义3个掺混效果的评估截面，如图6所示。

图 6 三维模型示意图

Fig. 6 Schematic diagram of 3D model

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2.2 网格划分

利用Ansys Workbench软件对模型进行网格划分，考虑到计算器能力及计算效率，对加温装置中的蜂窝和整流网进行简化，同时由于喷嘴数量很大不利于网格划分，因此计算模型边界条件采用多孔介质对其替代，数值模拟计算域的网格为自动生成的非结构网格。为保证能够模拟比较复杂的流场细节，在几何结构比较关键的部位划分为结构化网格。

根据现有同类设备的工程仿真经验，当网格单元数在300～500万的范围内开展仿真计算时，网格数量对仿真结果的影响在可接受范围内。因此，本文通过调整不同区域网格大小，得到三种数量不同的网格，开展发动机最高状态下（考虑到工程计算成本，只选取一种工作状态进行定性分析）的进口温场不均匀度仿真计算，仿真计算结果表2所示。

表 2 不同网格数量仿真计算对比

Table 2 Comparison of simulation calculation with different grid numbers

发动机状态	网格总数（个）	$\Delta \bar{T}_{{\rm{2max}}}/\%$
n_1cor = 81.8%	3600575	0.6714
W₁ = 67.61%	4207864	0.4992
T₁ = 100%	4986632	0.4796

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表2表明，随着网格总数的增加发动机进口温场的不均匀度降低，但变化量不大，都在≯1%的指标要求内。因此本文借鉴现有同类设备仿真经验,最终选择总的网格数为4300717，总的网格节点数为812688，网格Element Quality最大0.99843，最小0.77072，平均为0.89434的网格划分，网格质量总体较好如图7所示。

图 7 计算模型网格分布

Fig. 7 Calculation model grid distribution

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2.3 数值计算方法

数值求解中无粘对流通量采用基于MUSCL插值的Roe格式进行离散，粘性通量采用二阶中心差分格式进行离散，时间推进采用点隐式方法^[16]。湍流模型选择可靠、收敛性好的双方程模型即κ-ε模型，同样采用二阶格式离散，保证较高的计算精度。

2.4 边界条件

根据发动机部件特性，经评估得到对应发动机n_1r状态下的T₁、进口空气流量W₁。因此应用冷热空气掺混能量方程估算出所需热气供气流量$ {{W}}_{2} $，其中冷热空气掺混能量方程为：

$$ {W}_{1}{C}_{p}{T}_{1}={T}_{0}{C}_{p}{W}_{0} + {W}_{2}{C}_{p}{T}_{2} $$

(7)

根据流量连续可知$ {W_1} = {W_0} + {W_2} $，其中T₀为大气温度，单位为K；W₀为常温供气流量，单位为kg/s；W₂为热气流量，单位为kg/s；T₂为热气温度，单位为K。

因此，计算域中热气进口、冷气进口、稳压箱出口分别采用流量进口、压力进口、压力出口边界条件，壁面为无滑移绝热固壁边界条件。

选用表3中某型发动机4种稳态点的进口温度T₁、相对换算转速n_1cor、进口流量W₁、发动机进口相对压力的预估参数（其中T₁为实际温度与发动机当次试验的最高温度的百分比，n_1cor为实际温度时相对换算转速与最高温度时相对换算转速的百分比，W₁无量纲方式同n_1cor，相对压力为发动机进口静压与标准海平面压力的比值，均为百分比）作为仿真计算输入条件。

表 3 发动机不同状态点进口流量和温度

Table 3 Inlet flow and temperature at different engine state points

n_1cor/%	W₁/%	T₁/%	相对压力/%
81.8	67.61	100	99.26
86.8	83.58	88.94	97.43
88.1	88.02	86.28	96.38
90.7	97.92	80.53	94.57

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仿真计算时设置掺混器冷气进口温度288.15 K和绝对压力101325 Pa；热气进口温度为600 K，根据公式（7）计算得到热气流量W₂，得到热气进口条件；稳压箱出口边界条件设置相对压力（表3），来模拟发动机的吸气作用。仿真计算时调整稳压箱出口相对压力的大小，实现稳压箱出口流量W₁和温度T₁的近似匹配模拟。

2.5 稳态仿真计算结果

表4可知，通过开展发动机4种状态下的T₁温场周向不均匀度$ \Delta \bar{T}_{2} $和面平均温度$T_{{\rm{2FAV}}}$仿真计算，结果表明4种状态下$ \Delta \bar{T}_{2}$最大0.983%，满足试验装置出口温场周向不均匀度≯1%的指标要求。

表 4 仿真计算结果

Table 4 Simulation results

n_1cor/%	$\Delta {T}_{{\rm{1max}}}$%	$T_{{\rm{2{FAV} }}}$%	$\Delta \bar{T}_{{\rm{2max}}}$/%
81.8	100.6	99.78	0.483
86.8	89.38	88.63	0.691
88.1	87.01	85.73	0.831
90.7	81.92	80.02	0.983

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根据发动机在n_1cor=90.7%状态下的温度场仿真计算和温度分布图结果（图8），表明冷空气沿掺混器轴向进入与喷嘴喷射出的热空气能够充分混合，掺混器出口的温场较为均匀，掺混效果较好。

图 8 掺混器仿真分析

Fig. 8 Simulation analysis of mixer

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表5为距掺混器出口不同距离截面的温场不均匀度仿真结果，表明随着掺混器后部稳压段轴向长度的增加，气流掺混充分，流场温度不均匀性逐渐改善，如图9所示。

表 5 不同截面温场周向不均匀度仿真结果

Table 5 Simulation results of different sections

n_1cor(%)	距掺混器出口6 m (%)	距掺混器出口13 m (%)	发动机进口(%)
81.8	2.75	1.07	0.483
86.8	1.92	1.21	0.691
88.1	3.61	2.22	0.831
90.7	2.82	1.90	0.983

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图 9 掺混器仿真分析

Fig. 9 Simulation analysis of mixer

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3 试验方案

发动机稳定状态工作时进口气流相对稳定，进口流量变化较小，进口温场的不均匀度变化不剧烈。过渡态时发动机进口流量变化大，进口温度的调整导致进口温场的不均匀度大，影响发动机工作安全。为得到进气加温试验时发动机状态变化与进口温度变化对$ \Delta \bar{T}_{2}$的影响，按照图10试验程序中①～⑤五种工况分别开展稳态和过渡态试验，获得稳态与过渡态下发动机进口温场周向不均匀度最大值。由于进气加温试验时发动机进口温度调节时间都以分钟计，温度测量采用小惯性传感器（表1），故本文不考虑温度测量传感器的响应时间。

图 10 试验程序示意图

Fig. 10 Test procedure diagram

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根据某型发动机试飞剖面中巡航和中间两种典型状态，确定此状态下发动机进口对应温度T₁₁与T₁₂。试验程序中MC、XH、ZJ为发动机慢车、巡航、中间（转速最大）三种转速状态简称，转速单位为%；PLA代表发动机状态变化，单位为（°）；T₁₁与T₁₂为发动机进口两种目标温度，单位为℃；①为稳态试验，②～⑤为过渡态试验。

1）工况①：保持发动机油门杆PLA角度不变，调节热气供气流量，缓慢升高发动机进口温度，确定此稳态工况下发动机进口$ \Delta \bar{T}_{2} $最大值；

2）工况②：在发动机XH状态，调节热气供气流量，使发动机进口温度由T₀以0.3 K/s速率上升至T₁₁，确定发动机进口气流温度和物理流量变化过程中，发动机进口$ \Delta \bar{T}_{2} $的变化；

3）工况③：在发动机ZJ状态下，调节热气供气流量，使发动机进口温度由T₀以0.3 K/s速率上升至T₁₂，确定此时发动机进口$ \Delta \bar{T}_{2} $的变化；

4）工况④：发动机进口温度及发动机状态同时下降（经验值为降温速率约0.5 K/s，发动机降低速率5°/s），确定此方案降温的可行性；

5）工况⑤：根据工况③试验情况，在发动机ZJ状态下，视情摸索使发动机进口温度由T₀上升至T₁₂的速率，保证动机进口$ \Delta \bar{T}_{2} $满足试验要求。

通过开展5种工况下的发动机进气加温试验，评估温度稳态及过渡态下发动机进口$ \Delta \bar{T}_{2} $的最大值，确定满足试验安全的温度上升和下降速率，形成加温试验时发动机进口温度调节规范。

4 进气加温试验结果分析

4.1 发动机稳态下进口温场情况

按照试验工况①开展进气加温试验验证。在发动机最大转速状态下，通过调整掺混热气的流量来改变发动机进口温度T₁。当T₁达到目标温度并稳定30 s后采集数据，分析同一发动机状态下随着进口温度T₁的升高，发动机进口温场$ \Delta \bar{T}_{2} $、 $\delta T_{{\rm{2AV}}}$以及等效温场高温区范围$ \theta^{*} $情况。通过对发动机最大转速状态下进口温度稳定后的5个典型温度点进行$ \Delta \bar{T}_{2} $与$ \delta T_{2 \Omega w} $计算，结果如表6所示，典型温场云图见图11。

表 6 试验温场计算结果

Table 6 Temperature field calculation results

n_1cor/%	$\Delta T_1 $/%	$\delta T_{{\rm{2FAV}}}$/%	$\Delta \bar{T}_{2}$/%	$\theta^{+}$/（°）
84.26	98.6	4.58	0.3501	233
85.07	97.7	3.16	0.3518	245
86.82	89.38	1.94	0.3740	185
89.02	87.01	1.75	0.4294	198
90.2	82.01	1.76	0. 4395	200

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表6结果表明在不同$ T_{1} $条件下，发动机进气流量$ W_{1} $变化，导致掺混热气比例发生变化；在发动机稳态最高转速状态下发动机进口$ \Delta \bar{T}_{2} $最大为0.4395%，小于同状态下0.983%的仿真计算结果。实际试验时稳压箱内有整流网和蜂窝对掺混后的热气进行整流，而仿真计算时对模型结构简化，因此仿真结果较试验结果略高（图12）。

图 11 90.2%状态时T₁截面温场云图

Fig. 11 Temperature field nephogram of T₁ section at 90.2%

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图 12 试验与仿真结果对比

Fig. 12 Comparison of test and simulation results

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通过仿真与试验温场不均匀度结果对比分析表明，进气加温试验装置设计时采用数值仿真计算的方法能够直观体现发动机进口温场情况，对后续试验装置的设计具有借鉴意义。

4.2 发动机过渡态下进口温场情况

4.2.1 工况②下发动机进口温场情况

按试验程序中工况②开展试验，基础温度至目标温度T₁₁上升速率约为0.3 K/s。图13中的试验结果表明，进口温度升高过程中温场周向不均匀度$ \Delta \bar{T}_{2} $不断变化，在第92.3 s时$ \Delta \bar{T}_{2} $最大为0.50%。图14表明，此时发动机进口温场等效高温区范围$ \theta^{*} $为117°，高温区平均温度T_{_high_av_zh}为56.65 K，面平均温度T_{_f_av}为55 K， DT最大达到1.65（高温区平均温度与面平均温度差）与$ \Delta \bar{T}_{2} $的变化正相关。结合图15发动机进口温度场云图和图16中的径向平均温度T_{_r_av}周向分布情况，表明此工况下按照0.3 K/s温度上升速率试验时，进口温场分布较为均匀，能够满足指标要求。

图 13 发动机进口温场$\Delta \bar{T}_{2}$变化曲线

Fig. 13 $\Delta \bar{T}_{2}$ change curve of engine inlet temperature field

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图 14 T₁升高过程发动机进口DT变化曲线

Fig. 14 DT change curve of engine inlet during T₁ rise

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图 15 $\Delta \bar{T}_{2}$最大时温度场云图

Fig. 15 Temperature field nephogram at $\Delta \bar{T}_{2}$ maximum

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图 16 进口温场T_{_r_av}周向分布

Fig. 16 Circumferential distribution of inlet temperature field T_{_r_av}

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4.2.2 试验工况③下发动机进口温度场情况

按试验程序中③开展试验，由T₁₁至目标温度T₁₂上升速率约为0.3 K/s。图17中结果表明，进口温度升高过程中$ \Delta \bar{T}_{2} $不断变化且随时间波动，$ \Delta \bar{T}_{2}$的变化同样与DT值正相关。发动机ZJ状态第215.3 s时进口$ \Delta \bar{T}_{2}$ 最大为1.263%， $ \theta^{*} $为130°。图18结果表明此时的T_{_high_av_zh}为153.76 K，T_{_f_av}为148.44 K，DT达到5.32。发动机进口温场云图（图19）和径向平均温度T_{_r_av}周向分布（图20）结果表明，发动机进口温场角向位置270°～315°范围内存在明显高温区。原因为该过程以0.3 K/s的温度上升速率调节过快，导致温度变化过程中不均匀度较差，不满足指标要求。

图 17 发动机进口温$\Delta \bar{T}_{2}$场随T₁升高的变化曲线

Fig. 17 Variation curve of engine inlet temperature field $\Delta \bar{T}_{2}$ with T₁ increase

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图 18 T₁升高过程中发动机进口温差DT变化曲线

Fig. 18 DT change curve of engine inlet during T₁ rise

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图 19 $\Delta \bar{T}_{2}$最大时温度场云图

Fig. 19 Temperature field nephogram at$\Delta \bar{T}_{2}$maximum

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图 20 发动机进口温场T_{_r_av}周向分布

Fig. 20 Circumferential distribution of engine inlet temperature field T_{_r_av}

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4.2.3 试验工况⑤下发动机进口温度场情况

按工况⑤开展试验，试验方案⑤与③相比只在T₁₁至目标温度T₁₂上升速率降低至0.25 K/s，其余要求一致。经过验证，图21中结果表明发动机ZJ状态第271.23 s时进口$\Delta \bar{T}_{2} $ 随时间波动，最大为0.9692%，能满足指标要求。此时的$ \theta^{*} $为113°，T_{_high_av_zh}为142.31 K，T__{f_av}为138.3 K，DT为3.99。结合图22发动机进口温场云图和图23的T_r_av周向分布，表明工按况⑤开展试验，发动机进口温场比工况③较好。因此，在该工况试验时，发动机进口温度上升速率不超过0.25 K/s，能够保证整个过渡态过程中$ \Delta \bar{T}_{2} $均能满足指标要求。

图 21 发动机进口温场$\Delta \bar{T}_{2}$随T₁升高变化曲线

Fig. 21 Variation curve of engine inlet temperature field $\Delta \bar{T}_{2}$ with T₁ increase

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图 22 $\Delta \bar{T}_{2}$最大处温场云图

Fig. 22 Temperature field nephogram at$\Delta \bar{T}_{2}$maximum

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图 23 发动机进口温场T_r_av周向分布

Fig. 23 Circumferential distribution of engine inlet temperature field T_r_av

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4.2.4 试验工况④下发动机进口温度场情况

整个进气加温试验中，除了发动机进口温度升高会导致发动机温场发生变化外，进口温度降低时同样会导致发动机进口温场发生变化。在发动机进口温度降低过程中，发动机实际状态也是降低的，导致进口空气流量发生变化，容易发生试验设备与发动机状态耦合影响，对发动机的工作稳定性产生不利影响。按工况④开展模拟试验的结果表明，发动机进口温场不均匀度$ \Delta \bar{T}_{2} $最大为0.394%，总体趋势是随发动机进口温度（降温速率约0.5 K/s）与发动机状态降低（状态降低速率5°/s）而减小。图24表明降温过程中$ \Delta \bar{T}_{2} $ 有徒增波动现象，原因为随PLA降低速率加快，发动机进口温场变化变的剧烈，但并不影响整个试验安全。因此，进口温度降温速率0.5 K/s与发动机状态降低速率5°/s可做为指导该工况试验时的参考值。

图 24 进气温度与发动机状态同步降低时$\Delta \bar{T}_{2}$变化情况

Fig. 24 The change of $\Delta \bar{T}_{2}$ when the intake air temperature decreases synchronously with the engine state

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5 结　论

通过对新设计的进气加温装置进行仿真分析及联合某涡扇发动机开展稳态和过渡态条件下的试验，初步得到以下结论：

1）通过构建仿真模型，开展4种发动机状态下的T₁温场周向不均匀度$\Delta \bar{T}_{2} $和面平均温度$T_{{\rm{2FAV}}}$仿真计算，根据计算结果进行进气加温装置的优化迭代，最终设计方案中$\Delta \bar{T}_{2} $≯1%满足设计指标要求；

2）稳态进气加温试验中，发动机最高转速状态下进口$\Delta \bar{T}_{2}$最大为0.4395%，小于仿真结果，但都远远小于其他设备（2%～3%）。由于仿真计算时对模型结构简化，实际试验时稳压箱内有整流网和蜂窝对掺混后的热气进行整流，同时发动机吸气作用通过相对压力模拟，与发动机真实的流量会有偏差，因此实际试验得到的$\Delta \bar{T}_{2} $更低，温场表现更好。通过仿真分析与试验验证，表明进气加温试验装置掺混均匀性较好，温度场能够满足指标要求；

3）通过开展试验工况②～⑤的进气加温过渡态联合试验，表明过渡态下进口温场不均匀度时刻处于动态变化过程，且与发动机进口温度变化速率有关。当发动机进口温度上升速率分别按为0.25 K/s和0.3 K/s开展②和⑤试验时，$\Delta \bar{T}_{2} $能够满足要求；

4）以发动机进口降温速率0.5 K/s、发动机状态降低速率5°/s的调节方法开展工况④的模拟试验，总体趋势是随发动机进口温度与发动机状态降低而减小，整个过程发动机进口$\Delta \bar{T}_{2} $最大为0.394%，能够满足试验的指标要求。

图 1 进气加温试验原理图

Fig. 1 Schematic diagram of inlet heating test

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图 2 掺混器结构模型

Fig. 2 Mixer structure model

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图 3 稳压箱结构

Fig. 3 Stable pressure box structure

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图 4 整流段结构示意图

Fig. 4 Schematic diagram of rectifier section structure

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图 5 测量截面和测试耙布局示意图

Fig. 5 Schematic diagram of measurement section and test rake layout

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图 6 三维模型示意图

Fig. 6 Schematic diagram of 3D model

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图 7 计算模型网格分布

Fig. 7 Calculation model grid distribution

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图 8 掺混器仿真分析

Fig. 8 Simulation analysis of mixer

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图 9 掺混器仿真分析

Fig. 9 Simulation analysis of mixer

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图 10 试验程序示意图

Fig. 10 Test procedure diagram

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图 11 90.2%状态时T₁截面温场云图

Fig. 11 Temperature field nephogram of T₁ section at 90.2%

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图 12 试验与仿真结果对比

Fig. 12 Comparison of test and simulation results

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图 13 发动机进口温场$\Delta \bar{T}_{2}$变化曲线

Fig. 13 $\Delta \bar{T}_{2}$ change curve of engine inlet temperature field

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图 14 T₁升高过程发动机进口DT变化曲线

Fig. 14 DT change curve of engine inlet during T₁ rise

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图 15 $\Delta \bar{T}_{2}$最大时温度场云图

Fig. 15 Temperature field nephogram at $\Delta \bar{T}_{2}$ maximum

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图 16 进口温场T_{_r_av}周向分布

Fig. 16 Circumferential distribution of inlet temperature field T_{_r_av}

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图 17 发动机进口温$\Delta \bar{T}_{2}$场随T₁升高的变化曲线

Fig. 17 Variation curve of engine inlet temperature field $\Delta \bar{T}_{2}$ with T₁ increase

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图 18 T₁升高过程中发动机进口温差DT变化曲线

Fig. 18 DT change curve of engine inlet during T₁ rise

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图 19 $\Delta \bar{T}_{2}$最大时温度场云图

Fig. 19 Temperature field nephogram at$\Delta \bar{T}_{2}$maximum

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图 20 发动机进口温场T_{_r_av}周向分布

Fig. 20 Circumferential distribution of engine inlet temperature field T_{_r_av}

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图 21 发动机进口温场$\Delta \bar{T}_{2}$随T₁升高变化曲线

Fig. 21 Variation curve of engine inlet temperature field $\Delta \bar{T}_{2}$ with T₁ increase

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图 22 $\Delta \bar{T}_{2}$最大处温场云图

Fig. 22 Temperature field nephogram at$\Delta \bar{T}_{2}$maximum

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图 23 发动机进口温场T_r_av周向分布

Fig. 23 Circumferential distribution of engine inlet temperature field T_r_av

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图 24 进气温度与发动机状态同步降低时$\Delta \bar{T}_{2}$变化情况

Fig. 24 The change of $\Delta \bar{T}_{2}$ when the intake air temperature decreases synchronously with the engine state

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表 1 进气加温试验测量参数表

Table 1 Measurement parameters of inlet heating test

参数符号	截面	单位	支和点	测量精度	时间常数	布置方式
T_w	稳压箱总温	℃	12 × 8	± 1℃	≯0.1 s	周向均布，径向等环面
T₁	进气道总温	℃	8 × 8	± 1℃	≯0.1 s	周向均布，径向等环面

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表 2 不同网格数量仿真计算对比

Table 2 Comparison of simulation calculation with different grid numbers

发动机状态	网格总数（个）	$\Delta \bar{T}_{{\rm{2max}}}/\%$
n_1cor = 81.8%	3600575	0.6714
W₁ = 67.61%	4207864	0.4992
T₁ = 100%	4986632	0.4796

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表 3 发动机不同状态点进口流量和温度

Table 3 Inlet flow and temperature at different engine state points

n_1cor/%	W₁/%	T₁/%	相对压力/%
81.8	67.61	100	99.26
86.8	83.58	88.94	97.43
88.1	88.02	86.28	96.38
90.7	97.92	80.53	94.57

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表 4 仿真计算结果

Table 4 Simulation results

n_1cor/%	$\Delta {T}_{{\rm{1max}}}$%	$T_{{\rm{2{FAV} }}}$%	$\Delta \bar{T}_{{\rm{2max}}}$/%
81.8	100.6	99.78	0.483
86.8	89.38	88.63	0.691
88.1	87.01	85.73	0.831
90.7	81.92	80.02	0.983

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表 5 不同截面温场周向不均匀度仿真结果

Table 5 Simulation results of different sections

n_1cor(%)	距掺混器出口6 m (%)	距掺混器出口13 m (%)	发动机进口(%)
81.8	2.75	1.07	0.483
86.8	1.92	1.21	0.691
88.1	3.61	2.22	0.831
90.7	2.82	1.90	0.983

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表 6 试验温场计算结果

Table 6 Temperature field calculation results

n_1cor/%	$\Delta T_1 $/%	$\delta T_{{\rm{2FAV}}}$/%	$\Delta \bar{T}_{2}$/%	$\theta^{+}$/（°）
84.26	98.6	4.58	0.3501	233
85.07	97.7	3.16	0.3518	245
86.82	89.38	1.94	0.3740	185
89.02	87.01	1.75	0.4294	198
90.2	82.01	1.76	0. 4395	200

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参考文献(21)

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0 引　言
1 进气加温试验条件
1.1 进气加温试验装置
1.2 测试方案
1.3 温度场评估方法
2 发动机进口温场数值仿真
2.1 模型建立
2.2 网格划分
2.3 数值计算方法
2.4 边界条件
2.5 稳态仿真计算结果
3 试验方案
4 进气加温试验结果分析
4.1 发动机稳态下进口温场情况
4.2 发动机过渡态下进口温场情况
4.2.1 工况②下发动机进口温场情况
4.2.2 试验工况③下发动机进口温度场情况
4.2.3 试验工况⑤下发动机进口温度场情况
4.2.4 试验工况④下发动机进口温度场情况
5 结　论

0 引　言
1 进气加温试验条件
1.1 进气加温试验装置
1.2 测试方案
1.3 温度场评估方法
2 发动机进口温场数值仿真
2.1 模型建立
2.2 网格划分
2.3 数值计算方法
2.4 边界条件
2.5 稳态仿真计算结果
3 试验方案
4 进气加温试验结果分析
4.1 发动机稳态下进口温场情况
4.2 发动机过渡态下进口温场情况
4.2.1 工况②下发动机进口温场情况
4.2.2 试验工况③下发动机进口温度场情况
4.2.3 试验工况⑤下发动机进口温度场情况
4.2.4 试验工况④下发动机进口温度场情况
5 结　论

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某型涡扇发动机进气加温模拟装置仿真与试验研究

作者简介: 柳国印: （1991—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，工程师。研究方向：航空发动机整机性能优化及试验技术。通信地址：辽宁省沈阳市沈河区万莲路1号（110015）。E-mail：1520898041@qq.com

通讯作者: 柳国印: E-mail：1520898041@qq.com

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出版历程

Simulation and experimental study of inlet heating simulator for a turbofan engine

0 引 言

1 进气加温试验条件

1.1 进气加温试验装置

1.2 测试方案

1.3 温度场评估方法

2 发动机进口温场数值仿真

2.1 模型建立

2.2 网格划分

2.3 数值计算方法

2.4 边界条件

2.5 稳态仿真计算结果

3 试验方案

4 进气加温试验结果分析

4.1 发动机稳态下进口温场情况

4.2 发动机过渡态下进口温场情况

4.2.1 工况②下发动机进口温场情况

4.2.2 试验工况③下发动机进口温度场情况

4.2.3 试验工况⑤下发动机进口温度场情况

4.2.4 试验工况④下发动机进口温度场情况

5 结 论

计量

出版历程

目录

0 引 言

1 进气加温试验条件

1.1 进气加温试验装置

1.2 测试方案

1.3 温度场评估方法

2 发动机进口温场数值仿真

2.1 模型建立

2.2 网格划分

2.3 数值计算方法

2.4 边界条件

2.5 稳态仿真计算结果

3 试验方案

4 进气加温试验结果分析

4.1 发动机稳态下进口温场情况

4.2 发动机过渡态下进口温场情况

4.2.1 工况②下发动机进口温场情况

4.2.2 试验工况③下发动机进口温度场情况

4.2.3 试验工况⑤下发动机进口温度场情况

4.2.4 试验工况④下发动机进口温度场情况

5 结 论

作者简介:
柳国印: （1991—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，工程师。研究方向：航空发动机整机性能优化及试验技术。通信地址：辽宁省沈阳市沈河区万莲路1号（110015）。E-mail：1520898041@qq.com

通讯作者:
柳国印: E-mail：1520898041@qq.com

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