CN114486108B - 一种航空发动机短舱泄漏面积评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机短舱泄漏面积评估方法，具体为：基于航空发动机短舱泄漏面积评估试验装置进行流量测量试验，得到对应的流量系数与泄漏面积关系曲线；进而得出每个压力工况下的平均流量系数或泄漏单元组合的流量系数与泄漏面积的关系图；然后对发动机短舱进行不同压力下的流量测量试验，通过平均流量系数或关系图解算评估出各压力工况下的评估面积，最后按照压力平均得到最终评估面积。本发明避开复杂的几何测量，通过测量流量得到泄漏面积，简单可行且精度较高；短舱泄漏面积评估试验的过程中也可以得到发动机短舱在不同工作状态时的泄漏流量特征，为发动机不同飞行工况下的泄漏量提供数据参考。

Description

一种航空发动机短舱泄漏面积评估方法

技术领域

本发明涉及民用航空发动机封严及气体流量测试领域，具体涉及一种发动机 短舱泄漏面积评估方法。

背景技术

外涵道泄漏量对发动机性能有着重要影响，根据商发公司的经验，每增加 1in²的泄漏面积，发动机耗油率会增大超过0.1％，测量外涵道泄漏面积对发动 机设计人员非常必要。

发动机整机系统结构以及发动机短舱泄漏单元形状都十分复杂，无法直接测 量发动机短舱的泄漏面积。因此，考虑通过建立泄漏流量与泄漏面积的关系，将 复杂的面积测量转化为简单可行的流量测量。

发明内容

本发明提供了两种短舱泄漏面积的评估方法，可以实现通过流量测量试验评 估短舱泄漏面积范围。

本发明所解决技术问题是通过以下技术方案实现的：

先取待测试的试验发动机短舱总体尺寸相同的圆筒形模拟舱，通过测量模拟 舱在不同泄漏面积不同压力工况下的泄漏质量流量，拟合出不同压比下流量系数 与单个孔面积的关系曲线(

曲线)。之后对发动机短舱进行不同压力工况下的 流量测量试验，对测量的流量进行泄漏面积评估。其中，将每个压力工况下不同 面积流量系数取算数平均得到该压力工况下平均流量系数/>

每个压力工况下 用平均流量系数评估得到的评估面积按压力平均得到综合评估面积，称为等流量 系数评估方法；将面积范围内的单个孔流量进行线性组合，得到短舱泄漏流量与 压比及总泄漏面积的关系图(m-A关系图)，按照该图通过泄漏流量反向查找泄漏 面积，并通过压力平均得到最终评估面积，称为变流量系数评估方法。

等流量系数评估方法：先对与发动机短舱总体尺寸相同的模拟舱进行流量测 量试验，得到模拟舱单个泄漏单元的流量系数与泄漏面积关系曲线(

曲线)； 进而通过算术平均的方式得到每个压力工况下的平均流量系数/>

最后，对发 动机短舱进行不同压力下的流量测量试验，通过每个压力工况下的平均流量系数 反向计算出各压力工况下的评估面积，最后按照压力平均得到最终评估面积。

变流量系数评估方法：先对与发动机短舱总体尺寸相同的模拟舱进行流量测 量试验，得到模拟舱单个泄漏单元的流量系数与泄漏面积关系曲线(

曲线)； 再通过线性组合的方式枚举所有可能的组合，得到舱体泄漏流量与泄漏面积以及 压力工况的关系图(m-A关系图)，对于某一压力工况，每一流量点都对应有泄漏 面积的上下限，上下限内的点则对应于不同的泄漏单元组合。对发动机短舱进行 不同压力下的流量测量试验，通过关系图找出各压力工况下泄漏流量对应的面积 上下限并取均值最为该压力工况下的评估面积，最后各压力工况下的评估面积按 照压力平均得到最终评估面积。

上述航空发动机短舱评估试验的操作步骤如下：

第一步：安装模拟舱，打开第一个泄漏单元，其余泄漏单元封堵；

第二步：根据预估的大致流量选择音速喷嘴个数；

第三步：逐渐打开上游流量控制阀，舱内压力逐渐升高，反复调节直到舱内 压力达到压力工况点并能保持压力稳定一段时间；

第四步：记录音速喷嘴上游压力与温度，解算出该压力工况下的流量及流量 系数；

第五步：改变流量阀开度，调整到下一压力工况点继续试验，得到该泄漏单 元在不同压力工况点下的流量及流量系数；

第六步：更换不同面积的泄漏单元，重复第二步到第五步，得到所有泄漏单 元在不同压力工况点下的流量及流量系数，

第七步：拟合出单个泄漏单元流量系数随面积及压比的变化规律，并按照等 流量系数评估方法或变流量系数评估方法得到平均流量系数或泄漏流量与舱体 泄漏流量与泄漏面积以及压力工况的关系图；

第八步：更换试验件，安装待测发动机短舱，密封两个端面，对发动机短舱 进行流量测量试验，得到短舱在不同工况下的流量；

第九步：并按照等流量系数评估方法或变流量系数评估方法对泄漏面积进行 评估。

本发明的有益效果是：

1、避开复杂的几何测量，通过测量流量得到泄漏面积，简单可行且精度较 高；

2、短舱泄漏面积评估试验的过程中也可以得到发动机短舱在不同工作状态 时的泄漏流量特征，为发动机不同飞行工况下的泄漏量提供数据参考。

附图说明

图1为短舱泄漏面积评估方法总体流程图；图2为等流量系数评估方法流程 图；图3为变流量系数评估方法流程图；

图4为面积评估方法对应的试验装置，包括流量测量系统和试验件，试验件 包括模拟舱和发动机短舱，图中，1为高压气源，2为流量控制阀，3为高压罐， 4为蜂窝器，5为组合音速喷嘴，6为柔性管及配套球阀，7为稳压罐，8为输气 管，9为模拟舱或待测发动机短舱。在音速喷嘴上游的高压罐可以视为大空间， 在靠近音速喷嘴的位置设置压力测点和温度测点用以测量喷嘴来流总压总温。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步进行说明。

图1所示是本发明涉及的两种发动机短舱泄漏面积评估方法示意图，包括图 2所示的等流量系数评估方法和图3所示的变流量系数评估方法两个分支：

等流量系数评估方法：先对与发动机短舱总体尺寸相同的模拟舱进行流量测 量试验，得到图2(a)所示的模拟舱不同面积的单个泄漏单元的流量系数

与面积 A的关系，即/>

曲线；进而用图2(b)所示的算术平均的方式得到模拟舱的平均 流量系数/>

最后，对发动机短舱进行不同压力下的短舱流量测量试验得到泄 漏流量m_i，用m_i和/>

按图2(c)所示的公式反向计算出各压力工况下的评估面积 A_i，最后按照压力平均得到图2(d)所示的等流量系数最终评估面积A。

变流量系数评估方法：先对与发动机短舱总体尺寸相同的模拟舱进行流量测 量试验，得到图3(a)所示的模拟舱单个泄漏单元不同压力下的流量系数与泄漏面 积关系曲线(

曲线)；再通过线性组合的方式枚举所有可能的组合，得到图3(b) 所示不同压力下舱体泄漏流量与泄漏面积的关系图(m-A关系图)，对于某一压力 工况，每一流量点都对应有泄漏面积的上下限，上下限内的点则对应于不同的泄 漏单元组合。对发动机短舱进行不同压力下的流量测量试验，图3(c)所示，通过 关系图找出各压力工况下泄漏流量对应的面积上下限并取均值最为该压力工况 下的评估面积，最后各压力工况下的评估面积按照图3(d)所示的压力平均得到最 终评估面积A。

本实施例采用的航空发动机短舱泄漏面积评估试验装置包括流量测量系统 和试验件两部分，试验件为模拟舱或待测发动机短舱；如图4所示，流量测量系 统包括依次设置的高压气源1、流量控制阀2、第一稳压舱3、音速喷嘴组5、套 管及球阀6、第二稳压舱7、输气管8；输气管8连接试验件9；第一稳压舱3、 第二稳压舱7和试验件9处均设有蜂窝器4和压力传感器，第一稳压舱3设有温 度传感器；第一稳压舱3、第二稳压舱7和试验件9的直径均大于来流管道直径。 第一稳压舱3与第二稳压舱7的压力传感器用于判断音速喷嘴是否达到临界状 态，第一稳压舱3的压力及温度用于精确测量流过系统的流量；流量控制阀2 用于控制进入第一稳压舱3的流量与压力，球阀用于控制音速喷嘴开启的个数， 蜂窝器4用于使气流参数分布均匀以提高压力测量的精确度；音速喷嘴用于调节 供给的空气质量流量。

音速喷嘴组5由15个直径为14mm的音速喷嘴和1个直径为10mm的音速 喷嘴组成，音速喷嘴型线根据国标GB/T 21188-2007进行设计，每个音速喷嘴均 为收敛扩张式结构，收敛段与扩张段之间为等直圆筒形喉部。

音速喷嘴组5通过螺纹连接在第一稳压舱3下游，音速喷嘴轴线之间间距大 于等直圆筒形喉部直径的4倍；音速喷嘴通过套管与下游第二稳压舱7连接，套 管处设置球阀控制音速喷嘴开闭。

上述的航空发动机短舱评估试验的操作步骤如下：

第一步：安装模拟舱，打开第一个泄漏单元，其余泄漏单元封堵；

第二步：根据预估的大致流量选择音速喷嘴个数以及对应的第一稳压舱压 力；以第二稳压舱压力的1.5倍作为使音速喷嘴壅塞的第一稳压舱最小压力，高 压气源所能达到的最大压力作为第一稳压舱最大压力；根据气体动力学流量公式

其中m为所需供给流量，K为系数，对于空气 K＝0.0404142，P*为第一稳压舱压力，T*为第一稳压舱温度，q_(Mt)为流量函数， 对于达到壅塞的音速喷嘴，q_(Mt)＝1，将预估流量以及第一步所述的第一稳压舱 最大压力与最小压力带入式中，可以得到音速喷嘴喉道总面积的最小值与最大 值；将喉道总面积最小值与最大值除以喉道直径为14mm的喷嘴喉道面积，即可 得到该压力工况下能使音速喷嘴达到壅塞的音速喷嘴数目范围，喷嘴数目选择该 范围内的较小整数值，此时对应的第一稳压舱压力较高，喷嘴容易达到壅塞；

第三步：逐渐打开流量控制阀，第一稳压舱压力升高，若流量控制阀全部开 启而第一稳压舱压力仍未达到计算值，则先增大音速喷嘴数目，并重新计算对应 的第一稳压舱压力，调整压力直到第一稳压舱压力能够达到计算值供给流量达到 所需；

第四步：计算此时第一稳压舱压力是否大于第二稳压舱压力的1.5倍，若是 则进行下一步，否则先减小第一稳压舱压力，减少音速喷嘴个数后再重新计算对 应压力并重新进行第二步；

第五步：记录音速喷嘴上游压力与温度以及所用音速喷嘴的个数及喉道直 径，解算出该压力工况下的流量及流量系数；根据气体动力学流量公式计算流过 试验装置的气体质量流量，公式为

其中，/>

为音速喷 嘴流量系数，/>

的计算公式根据国标GB/T 21188-2007可以查得， />

式中，Re_nt为喉道雷诺数，对于3.5×10⁵＜Re_nt＜1.1×10⁷， a＝0.9976，b＝0.1388，n＝0.2；

第六步：改变流量阀开度，调整到下一压力工况点继续试验，得到该泄漏单 元在不同压力工况点下的流量及流量系数；

第七步：更换不同面积的泄漏单元，重复第二步到第五步，得到所有泄漏单 元在不同压力工况点下的流量及流量系数；

第八步：拟合出单个泄漏单元流量系数随面积及压比的变化规律，并按照等 流量系数评估方法或变流量系数评估方法得到平均流量系数或泄漏流量与舱体 泄漏流量与泄漏面积以及压力工况的关系图；

第九步：更换试验件，安装待测发动机短舱，密封两个端面，对发动机短舱 进行流量测量试验，得到短舱在不同工况下的流量；

第十步：并按照等流量系数评估方法或变流量系数评估方法对泄漏面积进行 评估。

以上结合附图所阐明的仅是本发明的优选实例之一，不能用于限制本发明所 包含的权利范围，应当指出，任何依照本发明原理做出的等价修改，都涵盖在本 发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种航空发动机短舱泄漏面积评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：基于航空发动机短舱泄漏面积评估试验装置进行流量测量试验，得到对应的流量系数与泄漏面积关系曲线；

步骤2：进而得出每个压力工况下的平均流量系数或泄漏单元组合的流量系数与泄漏面积的关系图；

步骤3：对发动机短舱进行不同压力下的流量测量试验，通过平均流量系数

或m-A关系图解算评估出各压力工况下的评估面积，m表示泄漏流量，A表示泄漏面积，最后按照压力平均得到最终评估面积；

步骤3中通过平均流量系数解算评估出各压力工况下的评估面积，最后按照压力平均得到最终评估面积的具体步骤包括：通过算术平均的方式得到每个压力工况下的平均流量系数

然后，对发动机短舱进行不同压力下的流量测量试验，通过试验测得流量m和每个压力工况下的平均流量系数/>

反向计算出各压力工况下的评估面积，最后各压力工况下的评估面积按照压力平均得到最终评估面积；

步骤3中通过m-A关系图解算评估出各压力工况下的评估面积，最后按照压力平均得到最终评估面积的具体步骤包括：通过线性组合的方式枚举所有可能的组合，得到舱体泄漏流量与泄漏面积以及压力工况的m-A关系图，对于某一压力工况，每一流量点都对应有泄漏面积的上下限，上下限内的点则对应于不同的泄漏单元组合；对发动机短舱进行不同压力下的流量测量试验，通过关系图找出各压力工况下泄漏流量对应的面积上下限并取均值最为该压力工况下的评估面积，最后各压力工况下的评估面积按照压力平均得到最终评估面积。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机短舱泄漏面积评估方法，其特征在于，所述航空发动机短舱泄漏面积评估试验装置包括流量测量系统和试验件两部分，试验件为模拟舱或待测发动机短舱；所述流量测量系统包括依次设置的高压气源、流量控制阀、第一稳压舱、音速喷嘴、套管及球阀、第二稳压舱、输气管；所述输气管连接试验件；所述第一稳压舱、第二稳压舱和试验件处均设有蜂窝器和压力传感器，第一稳压舱设有温度传感器；所述第一稳压舱、第二稳压舱和试验件的直径均大于来流管道直径。

3.根据权利要求2所述的一种航空发动机短舱泄漏面积评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：安装模拟舱，打开第一个泄漏单元，其余泄漏单元封堵；

第二步：根据预估的流量选择音速喷嘴个数；

第三步：逐渐打开上游流量控制阀，舱内压力逐渐升高，反复调节直到舱内压力达到压力工况点并能保持压力稳定一段时间；

第四步：记录音速喷嘴上游压力与温度，解算出该压力工况下的流量及流量系数；

第五步：改变流量阀开度，调整到下一压力工况点继续试验，得到该泄漏单元在不同压力工况点下的流量及流量系数；

第六步：更换不同面积的泄漏单元，重复第二步到第五步，得到所有泄漏单元在不同压力工况点下的流量及流量系数，

第七步：拟合出单个泄漏单元流量系数随面积及压比的变化规律，并按照等流量系数评估方法或变流量系数评估方法得到平均流量系数或泄漏流量与舱体泄漏流量与泄漏面积以及压力工况的关系图；

第八步：更换试验件，安装待测发动机短舱，密封两个端面，对发动机短舱进行流量测量试验，得到短舱在不同工况下的流量；

第九步：并按照等流量系数评估方法或变流量系数评估方法对泄漏面积进行评估。

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