一种反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法
【专利摘要】一种反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，包括如下步骤：1.开展反推力状态下的飞机/发动机一体化反推气流扰流流场全三维数值模拟，并获得反推力状态下发动机进口流场的畸变图谱和畸变指数；2.在获得反推力状态下，飞机不同滑跑速度时发动机进口流场畸变指数的前提下，开展反推力状态下进口流场畸变对发动机气动稳定性影响的整机稳定性计算分析；3.以三维流场计算获得的发动机进口流场畸变图谱为目标，设计用于航空发动机台架试验的进口流场畸变发生器；4.发动机进口安装流场畸变发生器开展发动机台架试验，试验时反推力装置打开，实时测量发动机的工作状态，评估在反推力状态下、存在进口流场畸变时的发动机气动稳定性。
【专利说明】一种反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，属于航空发动机【技术领域】。
【背景技术】
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[0002]航空发动机作为飞机的“心脏”，在不同飞行状况下确保其稳定工作是实现飞机高安全性和高可靠性的必要保障。在获取航空发动机适航许可证时，发动机的气动稳定性是必须完成的一项考核内容。
[0003]反推力装置被航空界公认为是大涵道比涡扇发动机排气系统的常设部件，可以显著缩短大型飞机的着陆滑跑距离(在潮湿和结冰跑道上的作用尤为突出)，并可以用于紧急停止滑跑起飞和着陆不成功时的迅速复飞，其中在军用飞机方面还可以提高飞机的机动性能，保证飞机在应急状态下安全、迅速、准确的着陆。但是反推装置打开后，反推气流很有可能会被发动机重新吸入，造成发动机进口流场的畸变，从而导致发动机进入旋转失速或喘振的不稳定工况，严重威胁飞行安全。
[0004]通常情况下，为了预测与评估进口流场畸变对发动机稳定性的影响，所采用的方法主要是通过进气道的吹风试验，获得进气道出口的流场参数分布图谱以及流场畸变指数，然后以该图谱为目标设计相应的进气畸变发生器。在发动机台架试验时，发动机进口安装进气畸变发生器，模拟相应的进气畸变情况，在此情况下，测量发动机的工作状态，以此评定发动机的气动稳定性。
[0005]但是由于在反推力状态下，反推气流是发动机内部气流通过反推力装置排出的，同时反推气流排出后，其运动状态又受到相对来流、发动机吸气以及飞机的机身和机翼等多种复杂因素的影响，同时相邻两台发动机之间的反推气流也存在着相互干扰，因此不可能通过简单的发动机台架试验或者风洞吹风试验模拟出反推气流对发动机进口流场造成的破坏作用，也就不能设计出相应的进气畸变发生器。
[0006]目前，反推力状态下的发动机稳定性评定，主要还是通过飞行试验完成的。试验时，发动机包括反推力装置直接安装在飞机上。当飞机在跑道上滑跑时，打开反推力装置，通过测量不同滑跑速度下的发动机工作状态，从而评定发动机的稳定性。这种评定方法，存在以下几方面的不足之处:
[0007](I)采用该方法进行发动机稳定性评定，是在飞机和发动机设计并加工完成后进行的，处于发动机的定型考核阶段。这样的评定时期显得相对较晚，一旦在评定试验中发现问题，就需要对发动机或者反推力装置进行较大地改动，甚至会推到重来，这势必会严重影响发动机甚至飞机的研制进度。
[0008](2)评定试验费用大、周期长、安全性低。由于这样的评定试验需要将发动机安装在飞机上通过飞行试验完成，所需的试验费用显然较大，试验的安装调试等周期必然也是很长的。若在试验过程中，发动机的稳定性满足不了要求，出现了发动机失稳的情况，这必然为严重威胁飞行试验的安全。
[0009]因此，需要一种新的技术方案来解决上述问题。
【发明内容】
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[0010]本发明针对现有技术之不足，提供一种反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，其可用于军、民用的航空发动机在反推力状态下的气动稳定性评定。
[0011]本发明采用如下技术方案:一种反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，其包括如下步骤:
[0012]第一步，开展反推力状态下的飞机/发动机一体化反推气流扰流流场全三维数值模拟，并获得反推力状态下发动机进口流场的畸变图谱和畸变指数；
[0013]第二步，在获得反推力状态下，飞机不同滑跑速度时发动机进口流场畸变指数的前提下，开展反推力状态下进口流场畸变对发动机稳定性影响的整机稳定性计算分析，通过数值计算方法预测发动机在该状态下的发动机剩余稳定裕度，评估发动机的气动稳定性是否能满足实际使用需求；
[0014]第三步，以三维流场计算获得的发动机进口流场畸变图谱为目标，设计用于航空发动机台架试验的进口流场畸变发生器；
[0015]第四步，发动机进口安装流场畸变发生器开展发动机台架试验，试验时反推力装置打开，实时测量发动机的工作状态，评估在反推力状态下、存在进口流场畸变时的发动机气动稳定性。
[0016]进一步地,第一步中包括如下步骤
[0017](a)首先针对飞机在降落滑跑过程中的几何特征，建立飞机/发动机流场计算的模型；
[0018](b)对建立的模型进行网格划分；
[0019](c)通过给定合理的边界条件，求解雷诺平均的N-S方程，获得飞机降落滑跑时详细的流场细节，并通过对流场计算结果的处理，获得反推力状态下发动机进口流场的畸变图谱和畸变指数。
[0020]进一步地，第二步中包括如下步骤
[0021](a)构建反推力状态下的发动机整机稳定性计算模型；
[0022](b)以第一步获得的反推力状态下的发动机进口流场畸变指数作为输入条件，计算在该状态下的发动机剩余稳定裕度，以数值手段评估发动机的气动稳定性。
[0023]进一步地，第三步中包括如下步骤
[0024](a)以第一步获得的反推力状态下的发动机进口流场畸变图谱作为目标，设计用于发动机进气畸变台架试验的畸变发生装置，畸变发生装置主要以模拟板为主；
[0025](b)模拟板设计时，先根据目标图谱完成模拟板的初步设计，然后对设计结果采用全三维数值模拟的方法，计算获得气流流过模拟板后的流场图谱，将其与目标图谱进行对t匕，若其与目标图谱不一致，则进行修改设计，直到模拟板后的流场图谱与目标图谱一致为止;
[0026](C)在完成上一步后，开展模拟板的风洞吹风试验验证，通过试验手段获得模拟板后的流场图谱，将其与目标图谱进行对比，若其与目标图谱不一致，则进行修改设计，直到通过试验证实模拟板后的流场图谱与目标图谱一致为止。
[0027]进一步地，第四步中包括如下步骤
[0028](a)发动机台架试验时，在发动机进口安装进气畸变发生装置，即第三步设计的模拟板，当气流流过模拟板后，在发动机进口形成不均匀的流场参数分布，以此来模拟实际情况下，反推气流被发动机重新吸入后，对发动机进口流场造成的破坏作用；
[0029](b)试验时，反推力装置打开，反推气流会被一个反推气流收集器收集后向外排出，以确保发动机台架试验时，反推气流不会被发动机重新吸入。
[0030]本发明具有如下有益效果:
[0031](I)在飞机和发动机的设计阶段就可以开展反推对发动机气动稳定性影响的预测，较已有技术明显提前，当发现问题时，可以立即修改设计方案，从而大大降低了飞机和发动机的研制风险；
[0032](2)通过发动机台架试验开展反推对发动机气动稳定性影响的评估与飞行试验相比明显节约了试验费用、缩短了试验周期，同时也大大降低了试验风险。
【专利附图】
【附图说明】
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[0033]图1为反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估流程图。
[0034]图2为反推力状态下的大涵道比涡扇发动机进气畸变试验台架示意图。
[0035]图3为进气畸变发生器的设计流程图。
[0036]图4本发明针对某发动机采用全三维CFD数值计算得到的发动机进口截面总压恢复系数图谱。
[0037]图5本发明针对某发动机采用全三维CFD数值计算得到的在不同飞机滑跑速度下发动机进口截面流场畸变指数。
[0038]其中:
[0039]1-发动机进口来流；2_进口管道；3_试验发动机；4_反推气流收集器；5_内涵气流；6_反推气流；7_进气畸变发生器。
【具体实施方式】
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[0040]请参照图1所示，为反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估流程图，其包括如下步骤:
[0041]第一步，开展反推力状态下的飞机/发动机一体化反推气流扰流流场全三维数值模拟，并获得反推状态下发动机进口流场的畸变图谱和畸变指数。
[0042]首先针对飞机在降落滑跑过程中的几何特征，建立飞机/发动机流场计算的模型。建模时应尽量详细地描述出飞机滑跑时的几何特征，特别是飞机的机翼包括襟翼、发动机的短舱、吊挂、反推装置以及飞机与地面的距离等的几何特征，发动机内部可以不用建模，以发动机的风扇进口截面作为计算域的出口边界，给定发动机工作时的流量，以发动机外涵出口(即反推装置的进口)作为计算域的一个进口边界，给定相应的总温、总压以及速度方向，以及发动机内涵喷管进口作为计算域的另一个进口边界，给定相应的总温、总压以及速度方向。然后对建立的模型进行网格划分，为了捕获详细的反推气流扰流流场的细节，反推力装置内部、发动机进气道以及发动机周围的网格应尽量细化。在此基础上通过给定合理的边界条件，包括:环境大气的温度和压力；飞机的滑跑速度；发动机进口流量；反推力装置进口的总温、总压和速度方向；发动机内涵喷管进口的总温、总压和速度方向，求解雷诺平均的N-S方程，获得飞机降落滑跑时详细的流场细节，并通过对流场计算结果的处理，截取发动机进口截面的总压恢复系数分布图，获得反推力状态下发动机进口流场的畸变图谱，并计算出发动机进口截面的平均总压恢复系数，以总压恢复系数小于平均总压恢复系数的区域为低压区，再计算出低压区的平均总压恢复系数，将面平均的总压恢复系数与低压区平均总压恢复系数的差值比上面平均的总压恢复系数作为反推力状态下发动机进口截面的总压畸变指数。
[0043]若飞机、发动机包括反推力装置整体建模时，所需的计算资源较高，可以将该过程分为两步进行:(I)先对单台发动机包括反推力装置建模，通过全三维流场计算获得反推装置出口截面上的参数分布；(2)然后进行飞机/发动机的一体化流场计算。此时，反推力装置内部不需要建模，以反推装置的出口截面作为计算域的一个进口边界，给定通过单台发动机流场计算得到的反推力装置出口截面上的参数分布。将计算过程拆分成两步后，由于每一步的计算网格量明显少于整体计算的网格量，所以这样的处理方式可以减小对计算资源的要求。另外，飞机/发动机一体化计算时，由于飞机是左右对称的，建模时可以以飞机的中间截面作为对称面只建立一半计算模型，从而可以明显减少网格量、缩短计算时间。
[0044]本发明针对某装配四台大涵道比涡扇发动机的大型飞机，采用ICEM CFD软件完成了建模与网格划分。为了节约计算资源，首先开展了单台发动机反推气流扰流流场的数值模拟，然后开展了飞机/发动机一体化的反推气流扰流流场数值模拟。单台发动机的计算域为一个半圆柱型区域，发动机位于圆柱体内部，圆柱的中心面为地面，发动机与地面间的距离为发动机实际安装状态下的离地距离，计算域的轴向长度约为10倍发动机长度，计算域的半径约为14倍发动机直径。计算域的网格划分采用了四面体非结构化形式，总网格量约为1900万。飞/发一体化的计算模型构建方法与单发计算相似，不同之处是，将飞机的机身、机翼以及发动机的安装位置都建立在计算模型中，但对反推力装置内部不再进行建模和网格划分，将反推装置出口截面作为计算域的一个进口边界。飞/发一体化的计算域为一个1/4圆柱型区域。由于飞机是左右对称的，且发动机在飞机两侧机翼上也是对称安装的，为了节约计算资源，以飞机的中间对称面将其一分为二，只针对对称面一侧的飞机建立计算模型并划分网格。计算域的轴向长度约为13倍飞机长度，计算域的半径约为5倍飞机长度。计算域的网格划分也采用了四面体非结构化形式，总网格量约为1380万。
[0045]反推气流扰流流场的全三维CFD数值模拟采用了 CFX软件，控制方程为雷诺平均的N-S方程，湍流模型为带壁面函数的k-ε模型。边界条件给定如下:计算域的外边界为远场边界，给定开放边界条件；计算域的下边界为固壁边界，用于模拟地面跑道，给定与飞机滑跑速度大小相同、方向相反的移动速度；发动机进口截面为出口边界，给定相应工作状态下发动机吸入的气流流量、总温以及速度方向；发动机内涵喷管进口为计算域的一个进口边界，给定相应工作状态下，发动机内涵喷出的气流流量、总温和速度方向；单台发动机流场计算时，反推装置进口作为计算的一个进口边界，给定相应工作状态下，流入反推装置的气流流量、总温和速度方向；为了保证发动机内部流量守恒，计算时应确保发动机进口截面处的流量等于反推装置进口和内涵喷管进口截面的流量之和；飞/发一体化计算时，反推装置出口截面设定为进口边界，给定根据单发计算获得的该截面上的气流总温以及速度矢量的分布。根据流场求解结果，处理得到了在不同飞机滑跑速度下，因反推气流被发动机再吸入造成的发动机进口流场畸变的畸变图谱(如图4所示)和畸变指数(如图5所示)。
[0046]第二步，在获得反推状态下，飞机不同滑跑速度时发动机进口流场畸变指数的前提下，开展反推状态下进口流场畸变对发动机稳定性影响的整机稳定性计算分析，通过数值计算方法预测发动机在该状态下的发动机剩余稳定裕度，评估发动机的气动稳定性是否能满足实际使用需求。本发明基于南京航空航天大学开发的大涵道比涡扇发动机稳定性分析软件，构建了考虑反推力状态的大涵道比涡扇发动机整机气动稳定性计算模型，完成了进口流场畸变对发动机稳定性影响的计算分析。该分析软件将修正的平行压气机模型扩展为“平行发动机”模型，对大涵道比涡扇发动机进行整机建模，控制方程采用二维，无粘的非定常积分欧拉方程，并采用时间推进的方法进行求解，定量的分析进气畸变对其气动稳定性影响。其采用的进气畸变对发动机气动稳定性影响的数学模型，是基于对气动方程组的数值积分和对发动机主要部件(风扇、增压级、高压压气机、燃烧室、涡轮和喷管等)发生的非定常过程进行数学模拟。应用二维、无粘的非定常积分欧拉方程方程组，与状态方程、声速方程等方程联立求解每一个计算单元，
[0047]第三步，以三维流场计算获得的发动机进口流场畸变图谱为目标，设计用于航空发动机台架试验的进口流场畸变发生器。
[0048]流场畸变发生器的设计采用全三维数值模拟结合小尺寸风洞吹风试验的方法开展，设计出满足要求的小尺寸模型畸变发生器，然后再等比例放大成用于发动机台架试验的畸变发生器，以达到节约设计成本和时间的目的。
[0049]第四步，开展反推力状态下，进气畸变对发动机气动稳定性影响的台架试验，其试验结构如图2所示。试验时，发动机进口来流I通过进口管道2流入试验发动机3内部，在试验发动机内部，气流分成两股，分别为外涵气流和内涵气流，在反推力装置打开的情况下，外涵气流会被反推力装置排出，成为反推气流6，然后反推气流6会被反推气流收集器4收集后向外界排出，另一股内涵气流5在流过发动机内部后从内涵喷管流出。在如图2所示的发动机台架试验状态，反推力装置排出的反推气流6是不可能被发动机重新吸入的，所以为了模拟实际使用过程中，反推气流被发动机重新吸入后对发动机进口流场造成的破坏作用，在进口管道2内部安装有进气畸变发生器7，使得发动机台架试验时，发动机进口截面的流场参数分布与实际使用过程中因反推气流被发动机再吸入而形成的参数分布相一致。在发动机台架试验前，因根据飞机/发动机一体化全三维流场计算获得的发动机进口截面流场畸变图谱和畸变指数，设计出能模拟出相应畸变图谱和畸变指数的进气畸变发生器。进气畸变发生器主要以模拟板为主。
[0050]图3为进气畸变发生器的设计流程图，首先根据飞机/发动机一体化全三维流场计算获得的发动机进口截面流场畸变图谱形状，完成模拟板的初步设计，对初步设计的模拟板进行建模和网格划分，开展全三维数值模拟，获得气流流过模拟板后的流场图谱，将其与目标图谱进行对比，若其与目标图谱相差较大，则对模拟板进行修改，再进行流场数值模拟，通过不断的修改迭代，直到模拟板后的流场图谱与目标图谱相一致为止；在完成上述步骤后，开展模拟板的吹风试验，获得模拟板后的流场图谱，验证模拟板后的流场图谱是否与目标图谱一致，若不一致，则对模拟板再次进行修改，直到试验证实模拟板后的流场图谱与目标图谱一致为止。
[0051]试验过程中，通过实时测量发动机的工作状态，评估发动机在反推力状态下、存在进口流场畸变时的气动稳定性。
[0052]本发明反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法在飞机和发动机的设计阶段就可以开展反推对发动机气动稳定性影响的预测，较已有技术明显提前，当发现问题时，可以立即修改设计方案，从而大大降低了飞机和发动机的研制风险；同时通过发动机台架试验开展反推对发动机气动稳定性影响的评估与飞行试验相比明显节约了试验费用、缩短了试验周期，同时也大大降低了试验风险。
[0053]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，其特征在于:包括如下步骤 第一步，开展反推力状态下的飞机/发动机一体化反推气流扰流流场全三维数值模拟，并获得反推力状态下发动机进口流场的畸变图谱和畸变指数； 第二步，在获得反推力状态下，飞机不同滑跑速度时发动机进口流场畸变指数的前提下，开展反推力状态下进口流场畸变对发动机稳定性影响的整机稳定性计算分析，通过数值计算方法预测发动机在该状态下的发动机剩余稳定裕度，评估发动机的气动稳定性是否能满足实际使用需求； 第三步，以三维流场计算获得的发动机进口流场畸变图谱为目标，设计用于航空发动机台架试验的进口流场畸变发生器； 第四步，发动机进口安装流场畸变发生器开展发动机台架试验，试验时反推力装置打开，实时测量发动机的工作状态，评估在反推力状态下、存在进口流场畸变时的发动机气动稳定性。
2.如权利要求1所述的反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，其特征在于:第一步中包括如下步骤 (a)首先针对飞机在降落滑跑过程中的几何特征，建立飞机/发动机流场计算的模型； (b)对建立的模型进行网格划分； (c)通过给定合理的边界条件，求解雷诺平均的N-S方程，获得飞机降落滑跑时详细的流场细节，并通过对流场计算结果的处理，获得反推力状态下发动机进口流场的畸变图谱和畸变指数。
3.如权利要求1所述的反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，其特征在于:第二步中包括如下步骤 (a)构建反推力状态下的发动机整机稳定性计算模型； (b)以第一步获得的反推力状态下的发动机进口流场畸变指数作为输入条件，计算在该状态下的发动机剩余稳定裕度，以数值手段评估发动机的气动稳定性。
4.如权利要求1所述的反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，其特征在于:第三步中包括如下步骤 (a)以第一步获得的反推力状态下的发动机进口流场畸变图谱作为目标，设计用于发动机进气畸变台架试验的畸变发生装置，畸变发生装置主要以模拟板为主； (b)模拟板设计时，先根据目标图谱完成模拟板的初步设计，然后对设计结果采用全三维数值模拟的方法，计算获得气流流过模拟板后的流场图谱，将其与目标图谱进行对比，若其与目标图谱不一致，则进行修改设计，直到模拟板后的流场图谱与目标图谱一致为止； (c)在完成上一步后，开展模拟板的风洞吹风试验验证，通过试验手段获得模拟板后的流场图谱，将其与目标图谱进行对比，若其与目标图谱不一致，则进行修改设计，直到通过试验证实模拟板后的流场图谱与目标图谱一致为止。
5.如权利要求4所述的反推力状态下的航空发动机气动稳定性预测与评估方法，其特征在于:第四步中包括如下步骤 (a)发动机台架试验时，在发动机进口安装进气畸变发生装置，即第三步设计的模拟板，当气流流过模拟板后，在发动机进口形成不均匀的流场参数分布，以此来模拟实际情况下，反推气流被发动机重新吸入后，对发动机进口流场造成的破坏作用； (b)试验时，反推力装置打开，反推气流会被一个反推气流收集器收集后向外排出，以确保发动机台架试验时，反推气流不会被发动机重新吸入。
【文档编号】G06F17/50GK104298826SQ201410532936
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】王志强, 胡骏, 沈锡钢, 郝勇, 张生, 刘立平 申请人:南京航空航天大学