何敏祥 龙振军 朱爱迪 邓少春 宋瑞民 文强

摘要：基于某型涡喷发动机试车时的台架气动参数，校验计算结果与试验得到的参数最大相差约5.1%。通过理论计算分析某型涡扇发动机试车时引射系数及排气筒内流场情况，估算出某型涡扇发动机在某试车台试车时引射系数为9.21，试车台空气流速为4.23m/s，引射筒出口静压为88.64kPa，引射筒出口气体流速为65.26m/s，引射气体可以从排气塔排出;计算出无因次参数H=0.346<0.6，引射筒内会有环流区出现，对于该型涡扇发动机和其它型号发动机排气引射系统的研制具有一定的工程应用价值。

Abstract： Based on the aerodynamic parameters of a type of turbojet engine during test run .The parameters were obtained by calculation and test respectively，their maximum difference is about 5.1%. When a certain type of turbofan engine is tested in the test bench， it was estimated that the ejection coefficient is 9.21， the airflow velocity at the test bench was 4.23m/s， the static pressure at the outlet of Ejector cylinder is 88.64kPa， the airflow velocity at the outlet of ejector cylinder is 65.26m/s， the ejection gas can be discharged from the exhaust tower. By calculating the dimensionless parameter is 0.346， less than 0.6， this means that the circulation zone appears in the ejector cylinder. The research on the exhaust ejection coefficient of this type of turbofan engine and other types of engine has certain engineering application value.

关键词：航空发动机;试车台;引射系数;排气系统

Key words： aero-engine;test bench;ejection coefficient;exhaust system

中图分类号：V263.6                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0060-03

0  引言

试车台是航空发动机科研、试验和批量生产的重要设备，其设计必须充分考虑气动性能和流场品质等方面的要求。排气引射系统其作为重要组成部分，作用是将试车过程中发动机产生的燃气排出试车间，其排气引射性能一方面影响发动机台架性能，另一方面若排气不畅试车间内燃气回流，轻则导致推力下降、重则导致发动机工作不稳定。根据研制工作安排，某型中等涵道比涡扇发动机将使用平坝601科研综合试车台开展整机试验，需分析评估该科研综合试车台能否适用于该型中等涵道比涡扇发动机。

本文通过理论计算方法，基于某型涡喷发动机在该科研综合试车台试车时的台架气动参数校验了计算方法的准确性，分析了该型中等涵道比涡扇发动机在科研综合试车台的引射系数及排气筒内流场情况，评估了科研试车台是否满足该型发动机试车要求。

1  试车台的一般技术要求

《航空发动机试车台设计规范》（GB 50454-2008）、《航空发动机地面试车台通用要求》（GJB 5543-2006）、《涡喷、涡扇发动机试车台校准规范》（GJB 721-89）和《地面条件下试验用航空燃气涡轮发动机试车台通用技术要求》（OCT1 01021-81）等标准[1-6]中，对军用发动机试车台的建造和校准要求等提出了明确的规定。

①试车台的流道阻塞不超过其横截面积的10%;试车台内的进气压力降不应大于490Pa;中小推力发动机试车台内的空气平均速度不應大于10m/s。②为限制发动机的反向推力，保证推力测量的准确性：发动机进气截面与排气截面之间的静压差不应大于100Pa。③排气通道应不产生燃气回流或排气反压振荡。采用垂直式进排气的试车台，其排气通道口应高出进气通道口至少2m。

2  某试车台简介

试车台为U字型结构，垂直进气、垂直排气、一次进气、一级引射结构形式。试车台的尺寸参数具体如下：

发动机安装高度（发动机中心线）：5m;台架工艺进气道进气截面至进气栅的距离（某型涡扇发动机）：21.7m;喷管出口截面到排气筒的距离（某型涡扇发动机）：2.22m。

排气引射筒的具体尺寸参数如下：

排气引射筒直径：3m;排气引射筒节流孔：节流孔直径30mm;排气孔总面积占开孔扩压段总面积的30%。

3  引射系数计算及校验

3.1 引射系数计算方法

引射系数是引射的总空气流量与发动机空气流量的比值，是室内试车台的重要参考量，用于判断厂房内部的气动特性，其定义为[7，8]：

引射系数=（试车台总空气流量-发动机空气流量）/发动机空气流量。

发动机引射系数使用试车台内流量守恒，动量守恒和能量守恒方程式计算出引射系数。

流量守恒：m1+m2=m3;动量守恒：m1 V1+m2 V2=m3 V3;能量守恒：Cp1m1T1+Cp2m2T2=Cp3m3T3。

其中1、2、3截面分别为：

1-发动机喷口排气气流;2-引射器被引射流在引射筒进口截面气流;3-引射筒出口气流。

得出引射系数为：。

3.2 某型涡喷发动机试车情况

根据相关规定，对某试车台气动流场进行测量[9]，测量的被试发动机机型为某型涡喷发动机，具体结果见表1。

某试车台在试验该型涡喷发动机各工况下，发动机进口与喷口截面最大静压差为49.7Pa，引射筒排气平均温度最高值为178.3℃，试车台内进气平均流速最大值为5.91m/s，最大状态引射系数为9.75，满足试车台设计要求。

3.3 计算方法校验

查询相关文件报告[9，10]，按照文中的计算方法，针对某型涡喷发动机以全加力状态参数进行计算，试验结果与计算结果对比见表2。

由表2可知，计算与试验相比，引射系数相差约为4.9%，车间内气流速为相差约为5.1%，试车台进气流量相差约为4.5%。综合分析，计算所得结果与试验测得的引射系数，车间内气流速度，车间内进气流量等参数最大相差约5.1%，所以本文件所列的计算结果可用于计算分析试车台内发动机试验情况。

3.4 某型涡扇发动机试车台流场计算及分析

3.4.1 某型涡扇发动机最大状态流场计算

针对某型涡扇发动机，以其最大状态参数进行计算，分别选取不同的引射筒出口温度T3计算，具体结果见表3。

3.4.1.1 发动机排气引射影响参数对比

排气引射系数受很多因素影响，如发动机燃气的热力性质变化（如定压比热Cp，比热比值K等）、引射面积比，引射筒的几何参数，喷口出口至引射筒的距离等[11]。唐名扬等[7，12～15]学者通过排气引射筒进行试验研究，对引射筒几何参数、喷口至引射筒距离、引射面积比对引射系数的影响进行研究，发现射筒几何参数、喷口至引射筒距离等参数对引射系数影响较小，引射面积比对引射系数影响较大，并且引射面积比越小，对引射系数影响越大，并且验证文中所用参考公式是可信的，具体见图1～图3。

由表4可知，涡喷发动机最大状态与该型涡扇发动机最大状态的排气引射参数较为接近，定压比热Cp1相差为2.8%，排气总压P1相差为2.7%，已知引射筒几何参数不变，喷口至引射筒距离相差不大，因而可认为文中涡喷最大状态与该型涡扇发动机最大状态的主要引射参数，除面积比外基本相同，引射系数随面积比的变化趋势基本一致。

3.4.1.2 某型涡扇发动机引射参数估算

赵斌等学者[12-15]采用数值模拟的手段对试车台的流场特性进行研究，研究发现引射筒直径比D0/d9与引射系数n之间的关系，研究结果表明试车台引射系数随着引射筒直径比的增大而增大，并且随着引射筒直径比增大，引射系数增大趋势变缓，具体如图4所示（其中D0为试车台引气筒直径，d9为发动机喷管出口直径）。

由图4分析可知文中涡喷最大状态与该型涡扇最大状态的引射系数随面积比的变化趋势基本一致，所用涡喷发动机在试车台时的最大状态引射直径比5.77，引射系数为8.91，引射直径比与引射系数的关系与图4曲线十分接近，该型涡扇发动机最大状态运行时，引射直径比为6.88，参考文中涡喷发动机最大态时引射直径比与引射系数的关系及图4中曲线，则可估算该型涡扇发动机最大状态运行时，引射系数约为9～9.5之间，对应于表3中引射筒出口温度324K时参数，此时引射系数为9.21，试车台空气流速为4.23m/s，引射筒出口总压为90.7kPa，引射筒出口静压为88.64kPa，引射筒出口气体流速为65.26m/s，考虑平坝地区当地大气压力约为88kPa，排气筒的气流在减速扩压后，所以引射气体可以顺利从排气塔排出。

3.4.2 某型涡扇发动机引射筒环流区判断

某试车台发动机喷口射流可认为是管内射流，管道射流在一定条件下会出现回流区，对于该型涡扇发动机最大状态，引射筒出口温度320K时，判别发动机是否有环流区出现。对于不可压等直径管道射流，用无因次参数H作为判断是否出现环流区的条件[16]：

当值H小于临界值HL时，出现环流，HL=0.46～0.6，对于该型涡扇发动机，因而取HL=0.6。

式中，V10为喷口处外流速度，V0为喷口处射流速度，（Um）0为喷口处射流速度与外流速度之差。

由上知V10=54.78m/s，由于该型渦扇发动机最大状态时喷口处为临界状态，喷口处气流速度为494.3m/s，d/D=0.153，代入上式得H=0.346<0.6，所以试车台引射筒内可能会有环流区出现。该型涡扇发动机在601试车台进行试验时，由于试车台引射筒与发动机尾喷管直径比达到6.88，引射直径比较大，导致发动机尾喷口射流扩展到管壁之前，所有外流的流体均被抽吸，可能会有环流区出现，而环流区的出现会导致引射筒内部产生堵塞，并有可能会引起试车台引射系数发生变化，引射筒内部气流振荡，引射筒振动加大等，应当引起重视。由于引射筒直径3m，引射直径比过大，导致H<0.6，引射筒内可能有环流区出现，假设引射筒直径减小为2m时，H=1.39>0.6，引射筒内不会有环流区出现，所以当发动机喷口直径过小，可以考虑通过其它装置适当堵塞引射筒以防止引射筒内出现环流区。

4  结论

采用数值计算的方法，通过某型涡喷发动机进行校验，并应用于某型涡扇发动机试车情况计算分析，得到发动机试车情况，主要结论如下：①采用数值计算的方法，并结合某型涡喷发动机在某试车台试验情况和试验结果，并与计算结果进行对比校验，计算表明计算结果与试验得到的参数最大相差约5.1%，计算方法可用，计算结果可信;②通过计算得出某型涡扇发动机试车情况，发动机在某试车台最大状态时，引射系数为9.21，引射气体可以顺利从排气塔排出;③计算出某型涡扇发动机试车时，无因次参数H=0.346<0.6，试车台引射筒内可能会有环流区出现，导致引射筒内部产生堵塞。

参考文献：

[1]GB 50454-2008，航空发动机试车台设计规范[S].

[2]GJB 5543-2006，航空发动机地面试车台通用要求[S].

[3]GJB 721-89，涡喷、涡扇发动机试车台校准规范[S].

[4]OCT1 01021-81，地面条件下试验用航空燃气涡轮发动机试车台通用技术要求[S].

[5]GJB242-1987，航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范[S].

[6]Joint Services Guide Specification JSGS-87231A.USA.1995，1.

[7]唐名扬.涡轴发动机室内姿态试车台排气系统关键技术研究[D].上海交通大学，2010.

[8]姜建明.发动机试车台及其排气部分设计方案的研究[D].西北工业大学，2000.

[9]601-1号试车台气动流场测试报告.

[10]某型渦喷发动机强度验算点总体参数.

[11]设计技术，第三机械工业部，1997.1.

[12]赵斌.室内发动机试车台流场特性的数值研究[J].建筑工程技术与设计，2014（19）.

[13]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（01）：37-39.

[14]马昌，王欢.航空发动机室内试车台气动流场特性研究[J]. 工程与试验，2015（55）：26-29.

[15]薛洪科，常鸿雯，胡铭鑫.某航空发动机试车台排气系统改造技术研究[J].机械工程师，2018（11）：144-146.

[16]流体力学基础.西北工业大学.