王　静，孟进卓，卢　强，杨振军，张　能（中国航空规划建设发展有限公司，北京100120）

涡扇发动机试车台进气导流装置优化初探

王静，孟进卓，卢强，杨振军，张能
（中国航空规划建设发展有限公司，北京100120）

摘要：简要介绍了航空发动机试车台进气导流装置的结构形式，然后运用数值模拟手段对进气导流装置进行了分析，论证了进气导流装置方案的可行性和必要性。基于给定分析条件，对导流片安装角、叶片数量、进气角、圆弧半径、排气角5个变量进行组合分析，给出了5个变量与总压损失的关系；综合考虑规范要求、工程可实施性及经济成本，选出进气导流装置的5个优化参数组合（进气角0°、安装角47°、圆弧半径560 mm、叶片数量25、排气角-2°），使得试车间流场均匀度最好。

关键词：航空发动机试车台；进气导流装置；数值模拟；优化；导流片；流场均匀度；总压损失

1　引言

现代大型涡扇发动机特别是大涵道比涡扇发动机，其风扇直径大、流量大，对迎面气流的均匀度异常敏感，对进气流场品质的要求高［1］。目前，国内航空发动机地面室内试车台进气塔基本为垂直进气形式，其主要优点是进气干净且不受风向影响，但是因存在折流弯道，必然对进气流场品质产生影响。发动机试车台进气导流装置的作用，就是在发动机试车过程中，将进气塔气流转向90°后，使气流不产生扰动振荡，保持良好的均匀性。另外，也可保证靠近墙面处的气流量均匀，防止回流，避免发动机喘振甚至失速［1］。因此，为满足现代大涵道比涡扇等大流量发动机试车对进气流场品质的要求，需在试车间进气拐角处设置导流装置。

国外民用发动机地面室内试车台都设置有进气导流装置。而国内早期的地面室内试车台，因试验发动机流量小，很少采用进气导流装置。但随着试验发动机流量的增大，对进气流场品质要求的提高，进气导流装置的作用突显关键。国内对试车间有无进气导流装置的流场均匀性进行了对比研究，表明进气导流装置对试车间流场均匀性的贡献意义重大［1-3］，但对进气导流装置导流叶片数量、导流角度、导流片几何尺寸等参数对流场的影响的研究，尚未见文献公开报道。本文借助CFD软件，针对该问题结合进气导流装置结构形式进行深入研究，旨在论证进气导流装置方案的可行性和必要性；同时，结合导流装置方案，优化导流片结构形式，为未来大涵道比发动机进气导流装置设计和试车台总体布局设计提供一定的理论数据。

2　进气导流装置

进气导流装置按照结构形式分为可旋转式和固定式两种。可旋转导流装置主要通过液压装置或机械传动机构旋转导流叶片，调整进气角度，其结构复杂，目前工程中已甚少采用。固定式导流装置主要有整体式结构和桁架式结构两种，如图1所示。

图1　整体式和桁架式导流装置部分示意Fig.1 Diagrams of the integral vane and truss vane

整体式结构采用单片钢板拼焊成整体骨架，导流片和骨架通过螺栓联接。其最大特点是导流片与拐角处的墙体和地面贴合性好，可有效改善靠近地面处的涡流畸变。导流叶片几何尺寸通常较大，数量一般取12片左右，加工和安装过程较为复杂。

桁架式结构是近年来设计的一种结构方案，其由普通型材拼接成桁架形式的钢骨架，导流片与桁架式骨架用螺栓固接。导流装置底部设计为铰接支撑，顶部设计为限位滑动支撑，可补偿因温度变化等因素引起的结构位移。桁架骨架高度与长度由试车间和进气塔截面确定，宽度受拐角空间影响不宜过宽（桁架越宽，最底部的导流片距地面距离越大，拐角处易形成涡流），所以其设计特点是导流叶片几何尺寸较小，数量相对较多，约二十几片，加工复杂程度较整体式结构低。从加工性、运输性、安装维修及经济性综合考虑，优选桁架式进气导流装置。

进气导流装置几何尺寸由进气塔形状和试车间截面尺寸确定。通常，在试车间空气流量确定的前提下，试车间截面尺寸越小，气流流速越高。而高流速易在试车间内突出物尾部形成进气畸变，影响发动机正常试车。反之，试车间截面尺寸越大，流速越低，流场均匀性越好，越利于发动机试车，但增加试车间截面会大大增加试车台建设成本［3］。国内某现有试车间截面尺寸为12 m×12 m，为不增加试车台建设成本，以下介绍和分析均在12 m×12 m试车间截面的基础上进行。

进气导流装置中导流片数量、弧度、间距、安装角、进气角及叶片几何尺寸，都会影响流场品质。所以在进气导流装置设计中，应优化以上参数组合，使试车间流场均匀度最好。由于实际工程中往往期待采用最简单的方式得到最好的流场品质，加之早期工程中曾使用的导流片为圆弧薄板，进气角和出气角度都为0°，考虑到工程的延续性和可实施性，本次CFD计算以多个导流片均匀布置、导流片为圆弧薄板的进气导流装置为研究对象。笔者根据工程经验及设计出的进气导流装置，选用表1所示的14种模型、5个变量，并以流速均匀度好为判断依据进行优化分析。

发动机进口流场不均匀度用不均匀度系数β表示［2］，即

式中：Vmax、Vmin、Vmean分别为截面上同一时间测得的最大速度，最小速度和平均速度。

3　计算说明

CFD计算基于FLUENT软件，采用密度的隐式耦合算法，选用k-ε湍流模型和标准壁面函数开展分析。取试车间单位厚度建立二维模型，模型边界以某型发动机参数为设计条件，进口采用压力进口条件，考虑进气塔消声装置的总压损失，折算总压101 125 kPa；出口采用质量流量出口条件，流量取值为77 kg/s。导流片示意图如图2所示。

4　计算结果及分析

4.1各参数对总压损失的影响

统计进口和出口之间的平均总压差作为导流片的总压损失，结果见表2。分析可得，导流片的5项几何参数对总压损失有不同影响。减小安装角，总压损失减小；减小进气角，总压损失减小；增大导叶圆弧半径，总压损失减小；增大排气角，总压损失增大。导流片数量对总压损失影响显著（图3）：当叶片数量为2时，总压损失最小；当叶片数量大于2小于20时，叶片数量增加损失增大；当叶片数量大于20时，叶片数量增加总压损失减小。其原因为，无导流片时，拐弯内转角（进气塔与试车间屋顶交汇处）产生一大的分离区；当导流片增加至20时，内转角分离区减小，由转角分离引起的总压损失减小，但由于叶片间距大，每个叶片几何尺寸大，叶片自身的分离损失较大，叶片数量增加总的损失增大；当叶片数量大于20时，叶片间距减小，分离损失减小，总压损失减小。可以预见，随着叶片数量的进一步增加，由于叶片数量增加，流动截面的减小加剧了进气塔内气体的流动，总压损失会再次增加。由表2看出，本次分析不同导流片下的进气压力损失小于10 Pa，满足国家相关标准［4-5］规定的气动设计要求。

表1　导流片计算模型参数表Table 1 Parameter on calculation model of vane

图2　导流片示意图Fig.2 Schematic diagram of vane

表2　导流片总压损失值Table 2 Total pressure loss of vane

图3　总压损失随叶片数量的变化规律Fig.3 The change of total pressure loss with the number of vane

4.2叶片数量对流场速度均匀性的影响

发动机试车台气动测试试验时一般取发动机前方约5 m处截面布置流速测点，因为该区域已基本远离发动机的进气负压区，测得的速度值不会受到发动机吸气影响。因此CFD分析中取发动机前5 m处截面的速度流场作为分析数据。不同叶片数量导流装置的流场分布如图4所示，其沿X、Y方向的流速分析曲线见图5（图中V为合速度）。不同导流片数量下的流速统计数据见表3。

图5　不同数量导流片的导叶后流速Fig.5 The flow rate of different number of vane

表3　导流片数量与试车间流速数据表Table 3 Data table of flow rate and the number of vane

由图4（a）与图4（b）～图4（f）对比可知，无导流片的出口气流速度存在较大的梯度，均匀度很低；在试车间上方拐角处产生较大的涡流，气流不易于被引射，即降低引射系数。内转角处沿Y向有较大的横向速度（VY max=0.5 m/s），存在旋涡分离，会对发动机试车台架产生向上推力，从而影响试车时的推力精度。所以，大型涡扇发动机试车台中设计进气拐角导流片非常有必要。

从表3及图4中可看出，当导流片数量为12片、25片、30片时，后两者流场速度均匀性相当，略好于前者，且试验编号为A0L47R560B25A2n的搭配组合为本文分析中的最优解。当导流片采用12片时，考虑设备整体的强度、刚性需求，一般设计为整体式结构，取导流片半径1 145 mm。当导流片选用25片或30片时，设计为桁架结构。桁架结构中导流片的半径取560 mm，仅为12片导流片质量的一半。若仅考察拐角处地面附近的流场均匀性，12片的进气导流装置因导流片和地面更为贴近，拐角局部的流场均匀性较好；若考察加工难度、造价成本、安装便利性，整体式进气导流装置现场拼焊量大，整体式钢板骨架吊装对位难度高，导流片与进气塔和试车间墙体配合要求精度高，调整安装较为困难。另外，整体式结构的整体质量约为桁架结构的1.5倍以上。所以，在不计成本的情况下，选用12片整体式进气导流装置或25片、30片桁架式进气导流装置，都可满足试车间进气流场需求。但综合建设成本、加工制造、安装运输、维修等多环节因素，工程中建议优先采用A0L47R560B25A2n（进气角0°，安装角47°，圆弧半径560 mm，叶片数量25，排气角-2°）的桁架结构形式，其流线如图6所示，排气角由原工程中曾采用的0°向下偏移2°，流场的均匀性经优化有一定提高。

图6　A0L47R560B25A2n流线图Fig.6 The streamline map of A0L47R560B25A2n

5　结束语

试车台设计中采用进气导流装置，可大大改善试车间内进气流场的均匀性，减少试车间内的涡流与回流，对大涵道比涡扇发动机试车非常有必要。

在满足国军标规范设计要求的前提下，从加工性、运输性、安装维修及经济性综合考虑，建议工程中优先采用桁架式进气导流装置。

基于给定的分析条件，根据导流片安装角、叶片数量、进气角、圆弧半径、排气角五个变量与总压损失的关系，并综合考虑规范要求、工程可实施性及经济成本，优选出了进气导流装置五个变量组合：进气角0°，安装角47°，圆弧半径560 mm，叶片数量25，排气角-2°。由于文中研究基于工程实际，计算量有限，而安装角、叶片数量、进气角、圆弧半径、排气角等参数对气动效率的影响存在耦合关系。因此，想要获得满足各类试车台进气流场均匀度最好的最优结果，还需要进行大量的详细计算，以充分探索5个变量构成设计空间。本次计算分析，为后续工作的开展提供了一定的数据依据和积累。

参考文献：

［1］ 国绍荣.大涵道比涡扇发动机试车台气动力设计的特点［J］.航空学报，1987，8（6）：252—255.

［2］ 陈益林.航空发动机试车工艺［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010.

［3］ 张澄宇，周立江.航空发动机试车台的气动流场研究［J］.航空科学技术，2006，（1）：37—39.

［4］ GJB 5543-2006，航空发动机地面试车台通用要求［S］.

［5］ GB 50454-2008，航空发动机试车台设计规范［S］.

中图分类号：V211.7

文献标识码：A

文章编号：1672-2620（2015）03-0054-05

收稿日期：2014-12-10；修回日期：2015-06-10

作者简介：王静（1980-），女，陕西西安人，高级工程师，硕士，主要从事航空发动机非标试验设备设计与研究工作。

The optimization analysis on turning vane of turbofan engine test stand

WANG Jing，MENG Jin-zhuo，LU Qiang，YANG Zhen-jun，ZHANG Neng
（China Aviation Planning and Construction Development Co.，Ltd.，Beijing 100120，China）

Abstract：The work was based on a 3D computational fluid dynamic method with FLUENT software.The construct of turning vane of turbofan engine test stand was simply introduced.The feasibility and necessity of the design was demonstrated.Based on the given conditions，five variables including installation angle，the number of vane，intake angle，radius and exhaust angle were analyzed，and the relationship between variables and the total pressure loss was presented.Considering general specifications，different calculating results，engineering implementation and cost，the most favorable combination（inlet angle 0°，installation angle 47°，radius 560 mm，25 vanes，exhaust angle-2°）was offered.Under these conditions，the uniformity of flow field of test stand was the best.This analysis is helpful for test stand design in the future.

Key words：aero-engine test stand；turning vane；numerical simulation；optimization；aerodynamic vane；flow field uniformity；total pressure loss