CN114033542B - 一种直升机发动机进排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直升机发动机进排气系统，包括：排气管，安装在预设位置处，所述预设位置是根据进气温度畸变程度确定的，并根据所述进气温度畸变程度设置所述排气管的轴线中的圆弧线长度和半径；进气口，与所述排气管间隔预设距离进行布置；阻流板，安装在所述进气口的下沿，用于阻止前侧的流场分离涡进入所述进气口；本发明经科研试飞验证，确定本发明能够有效解决直升机喘振问题。

Description

一种直升机发动机进排气系统
技术领域
本发明属于直升机空气动力学与气动设计技术领域，尤其涉及一种直升机发动机进排气系统。
背景技术
某直升机受平台发动机布局限制，只能采用了侧向进气和侧向排气的气动布局，此种布局进、排气系统距离较近，在某些飞行状态下。如右后侧飞，发动机进气容易受到尾气的影响，造成过大的温度畸变，另外由于机身宽度大于动力舱平台，致使直升机前飞时进气畸变过大，而这两种畸变都会造成发动机喘振，影响直升机使用安全。
因此，本发明在直升机平台限制约束下，通过排气管和阻流板设计，改善了发动机进气环境，降低了畸变水平，有效的解决了喘振问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种直升机发动机进排气系统，包括：
排气管，安装在预设位置处，所述预设位置是根据进气温度畸变程度确定的，并根据所述进气温度畸变程度设置所述排气管的轴线中的圆弧线长度和半径；
进气口，与所述排气管间隔预设距离进行布置；
阻流板，安装在所述进气口的下沿，用于阻止前侧的流场分离涡进入所述进气口。
优选地，根据涡流强度、涡流影响范围和压力畸变数据来确定所述阻流板的高度和安装位置。
优选地，所述进气温度畸变程度、所述涡流强度、所述涡流影响范围和所述压力畸变数据是根据CFD方法分析各种飞行状态下直升机进气流场特征得到的。
优选地，所述预设距离为800-900mm。
优选地，所述阻流板的几何构型是流线型曲面，所述阻流板的展开面的形状为矩形。
优选地，所述阻流板的宽度与所述进气口的宽度相同，所述阻流板的高度为300-400mm。
优选地，排气管的表面由所述轴线沿轮廓线扫略而成，所述轴线为平面多段曲线，所述平面多段曲线包括直线段和圆弧。
优选地，所述轴线所在平面与动力舱平台平面夹角为35°-40°，所述直线段的长度为300-350mm，所述圆弧的半径为600mm，圆心角为35°-40°。
本发明的有益技术效果：
本发明经科研试飞验证，确定本发明能够有效解决直升机喘振问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的进排气系统示意图；
图2是本发明实施例提供的排气管示意图；
图3是本发明实施例提供的排气管轴线示意图；
图4是本发明实施例提供的阻流板示意图；
图5是本发明实施例提供的设计流程图；
其中，1-进气口、2-排气管、3-阻流板、4-轴线、5-轮廓线、6-圆心角。
具体实施方式
请参阅图1-5，本发明属于直升机空气动力学与气动设计领域，基于被动流动控制技术，减少发动机进气温度畸变指数和压力畸变指数，从而降低直升机发动机喘振风险出现几率。
本发明的目的是：设计一种直升机发动机进排气系统，减少或避免发动机出现喘振问题，保障发动机正常使用年限，提升直升机使用安全性和典型任务剖面下的直升机性能。
本发明的核心思路是：通过排气管曲面形状设计，改变发动机高温尾气流向，使发动机排气尽可能远离发动机进气口，降低直升机正侧飞时发动机进气口处空气温度，从而改善发动机进气温度畸变水平；在进气口下沿增加阻流板设计，通过阻流板将强度较大涡流阻隔在进气口之外以实现流动控制，从而改善直升机前飞时的进气压力环境，降低发动机进气压力畸变水平。
本发明设计方法，主要包括以下步骤：
步骤S1：采用CFD(计算流体动力学)方法计算分析直升机各种飞行状态(主要包含巡航飞行、有地效悬停、无地效悬停、正侧飞等主要任务工况)下直升机进气流场特征，主要包括发动机进气口处涡流产生原因、温度升高原因、温度畸变程度、压力畸变程度、旋翼下洗流场影响范围等，根据流场特性确定发动机进气口处涡流强度、涡流影响范围、压力畸变指数和温度畸变指数优化区间；
步骤S2：根据进气温度畸变程度和畸变指数优化区间，布置排气管安装位置、安装接口外形和安装方式等，设计排气管轴线中的圆弧线长度、半径以及排气管轴线所在的平面位置，以达到使发动机排气尽可能远离进气口的目的，从而降低进气温度畸变指数；
步骤S3：根据进气口前方來流的分离区大小和位置、涡流影响范围、压力畸变程度和畸变指数优化区间，设计阻流板高度和安装位置，以达到改善发动机进气环境的目的，从而降低进气压力畸变指数；
步骤S4：根据初步发动机进排气系统方案创建高保真性的CFD计算网格模型，计算网格模型表面网格采用非结构三角形网格，并在曲率变化大的位置进行局部加密处理。计算网格模型空间网格采用非结构四面体，网格增长率不大于1.2，且必须进行粘性网格处理，粘性网格层数不少于30层，增长比率不大于1.2。直升机旋翼运动通过滑移网格方法模拟，且旋翼网格模型构建时充分考虑旋翼桨毂结构细节。
其中，在计算网格模型基础上，利用CFD仿真计算方法，采用可实现的两方程k-ε湍流模型求解直升机发动机进排气流场。流场求解时必须考虑流体介质的高温、高压条件下的可压缩属性，固体介质热传导和辐射属性。流场求解完成后，分析发动机进排气流场气动特性，评估发动机进气口处的温度畸变和压力畸变水平；
步骤S5：根据步骤S4的评估结果，判断是否需要调整排气管安装位置、安装接口形状、排气管轴线形状、排气管轴线所在平面位置、阻流板高度和位置等设计特征；
步骤S6：如果进气压力畸变和进气温度畸变指数数据不满足设计要求，重新开始步骤S1；如果满足设计要求，设计流程结束，冻结进排气系统设计方案，设计流程见图4。
本发明的设计特征是，主要包括以下内容：
a)系统构成：
本发明主要由排气管2、阻流板3和发动机进气口1等三部分构成，排气管2位于发动机进气口1后侧800mm～900mm处。排气管2通过铆接或焊接方式与安装接口连接，连接处需保证满足国军标规定的气密性要求。阻流板3位于进气口1下侧。
其中，同样阻流板3通过铆接或焊接方式安装在发动机进气口1处，连接处需保证满足国军标规定的气密性要求，见图1。
b)排气管构型：
排气管2外形曲面由轴线4沿轮廓线5扫略而成(图2)，轴线4为平面多段曲线，由直线段和圆弧段构成，其中直线段长度固定，不可更改设计，圆弧段可根据流场计算分析结果定向更改设计，轴线所在平面与动力舱平台平面夹角为35°～40°。
其中，同样可根据流场计算分析结果定向更改设计。轴线直线段长度为300mm～350mm，圆弧半径为600mm，圆弧段圆心角6为35°～40°，见图3；
c)阻流板构型：
阻流板3几何构型为流线型曲面，确保其迎风面积最小，不会额外增加直升机常规飞行任务状态下的气动阻力，阻流板3展开面形状为矩形，宽度与发动机进气口1相同，在满足结构强度和刚度要求同时，保证结构重量最小，高度为300mm～400mm，见图5。
d)阻流板位置：
本装置必须安装发动机进气口1下沿，安装位置靠近发动机动力舱平台且与动力舱平台之间没有任何缝隙，以防止涡流从缝隙进入进气口1，在宽度方向上必须完全覆盖发动机进气口1，且阻流板3与发动机进气口1之间没有任何缝隙，同样防止涡流从缝隙进入进气口1。

Claims (5)

1.一种直升机发动机进排气系统，其特征在于，包括：
排气管(2)，安装在预设位置处，所述预设位置是根据进气温度畸变程度确定的，并根据所述进气温度畸变程度设置所述排气管(2)的轴线(4)中的圆弧线长度和半径；
进气口(1)，与所述排气管(2)间隔预设距离进行布置；
阻流板(3)，安装在所述进气口(1)的下沿，用于阻止前侧的流场分离涡进入所述进气口(1)；
其中，根据涡流强度、涡流影响范围和压力畸变数据来确定所述阻流板(3)的高度和安装位置；所述阻流板(3)的几何构型是流线型曲面，所述阻流板的展开面的形状为矩形；
其中，排气管(2)的表面由所述轴线(4)沿轮廓线(5)扫略而成，所述轴线(4)为平面多段曲线，所述平面多段曲线包括直线段和圆弧。
2.根据权利要求1所述的直升机发动机进排气系统，其特征在于，所述进气温度畸变程度、所述涡流强度、所述涡流影响范围和所述压力畸变数据是根据CFD方法分析各种飞行状态下直升机进气流场特征得到的。
3.根据权利要求1所述的直升机发动机进排气系统，其特征在于，所述预设距离为800-900mm。
4.根据权利要求1所述的直升机发动机进排气系统，其特征在于，所述阻流板的宽度与所述进气口(1)的宽度相同，所述阻流板(3)的高度为300-400mm。
5.根据权利要求1所述的直升机发动机进排气系统，其特征在于，所述轴线(4)所在平面与动力舱平台平面夹角为35°-40°，所述直线段的长度为300-350mm，所述圆弧的半径为600mm，圆心角(6)为35°-40°。
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