飞机发动机短舱泄压过程研究

王晨臣 潘俊 王洋洋

摘要：短舱泄压系统是短舱内部高压引气管路发生破裂或泄漏后，保证短舱结构不被破坏，发动机仍能安全工作的重要保障，因此，短舱泄压过程的研究对保证飞机安全至关重要。本文主要介绍了影响短舱泄压门泄压过程的主要因素与研究内容，综述了国内外关于短舱泄压门泄压过程的试验与仿真研究，对短舱泄压过程的研究提供参考，并指出现有短舱泄压系统研究的不足以及未来需重点研究内容和方向。

关键词：短舱；泄压门；泄压过程；影响因素；试验与仿真研究

中图分类号：V224+.2文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.005

民用飞机在追求经济性和高效性的同时，将更多的工作重点放到了发动机的安全可靠上[1-2]。中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》CCAR25.1103规定[3]：对于涡轮发动机和辅助动力装置的引气导管系统，如果在空气导管的引气口与飞机的用气装置之间的任意部位上的导管破损，对人体不得造成危害。在实际飞行时，若发动机引气管道发生破裂或泄漏时，会使短舱内部压力迅速上升，当舱内压力过高时会破坏短舱结构甚至损坏发动机，因此需要安装泄压门（pressure relief door，PRD），其在短舱内部压力升高到一定阈值后开启，从而降低内部压力以避免短舱结构损坏或发动机故障。

自20世纪60年代以来，研究人员对于短舱泄压系统泄压门的设计多采用保守的设计方案，泄压门结构相对简单，但这些并未显著影响飞机性能。当前民用航空发动机正朝着高旁通比、高增压比的方向发展，与此同时风扇压比不断降低，与20世纪60年代的飞机发动机相比，现代飞机发动机的工作压力和温度更高，导致发动机引气管道破裂后，短舱结构将承受更高的压力载荷，短舱泄压系统排放量也大大增加，这对短舱泄压系统泄压门的排放和受力特性提出了更高要求[4-5]。此时若继续采用传统的设计方案，不仅难以保证泄压系统满足泄压需求，且会不可避免地对飞机性能带来显著影响。

因此，对短舱泄压系统泄压门进行研究，以对泄压门泄压过程有更进一步的了解，对于设计人员设计高性能的短舱泄压系统及提升飞机整体性能具有重要意义。本文在介绍短舱泄压过程原理的基础上，对短舱泄压过程的试验和仿真计算研究进行总结归纳，以及短舱泄压门的结构设计，指出现有研究不足并提出未来需重点研究内容，以对短舱泄压过程的研究提供参考。

1短舱泄压过程

短舱泄压系统大多采用弹簧加载的矩形泄压门，当短舱内部压力超过预定压力值时，泄压门开启，在泄压门出口形成复杂的流动结构，包括涡流、射流和冲击波，从而将舱内高压气体排到外界以降低舱内压力，短舱泄压门泄压过程如图1所示。这些流动特征及泄压门的排放和受力特性将受到泄压门的结构参数、舱内压力和外界飞行环境等因素的影响，一种典型的泄压门结构如图2和图3所示。

2短舱泄压过程研究

2.1早期试验研究

早在20世纪50年代，就有学者和工程技术人员对于泄压门稳态排放过程进行了试验研究，1953年，Dewey通过试验测量了具有一定倾斜度的辅助排气口排气到跨声速气流中的排放特性，结果显示在排放流量较低时，倾斜出口比垂直于气流的出口具有更高的排放系数，且当排放流量系数一定时，外流马赫数对具有倾斜或弯曲管道出口的流量系数影响很小[6]。随后Dewey和Vick在此基础上进行了包括圆形、椭圆形和不同纵横比的矩形在内的出口排气到跨声速气流中的排放和受力特性的研究，发现排放系数随矩形出口縱横比的增加而减少，而外流场马赫数对排放系数影响很小[7]。

而对短舱泄压门泄压过程研究具有指导意义的试验研究是1957年Vick进行的辅助排气口为曲面管道且出口有一挡板结构时，排气到跨声速气流过程中挡板排放和受力特性的试验，试验装置总体布置如图4（单位为in）所示，其排气出口挡板结构如图5所示[8]。该试验选择了一系列的压力比、马赫数，研究了挡板开启角度、铰接点位置和纵横比等对挡板排放和受力特性的影响，其中压力比定义为出口气体总压与高速气流总压之比，纵横比定义为挡板宽度与挡板弦长之比。研究发现，泄压门排放流量系数随外流场马赫数的增加而增加，随压力比的增加而增加；在一定的压力比和挡板开启角度下，随着挡板铰接点位置向后移动，排放流量系数增加；达到给定排放流量系数所需的压力比随着挡板开启角度的增加而显著降低；挡板纵横比为1时比纵横比为2具有更高的排放流量系数，而挡板纵横比为2时推力系数更高。该报告是研究具有挡板结构的辅助空气出口排放和受力特性最全面的试验，为短舱泄压门泄压过程的研究设计提供了较为全面的基础试验数据。

然而早期试验研究中压力比范围均小于1，而实际短舱泄压过程中压力比往往大于1，这将造成试验数据和结论与实际情况可能存在较大偏差，因而数据实用性有限。

2.2近年来的数值计算与试验研究

近年来，Pratt等采用CFD数值计算的方法对短舱泄压过程中泄压门排放和受力特性进行了计算研究[9-10]，为了验证所建立计算模型的正确性，使用NACATN4007报告中的试验装置作为计算域进行了数值计算[6]，其中所建立的网格模型如图6所示，计算表明计算结果与试验结果基本一致。在此基础上，对不同马赫数、压力比和开启角度下短舱泄压过程中泄压门排放和受力特性进行了详细的计算分析，研究发现，泄压门排放流量系数在不同马赫数和压力比下，存在某一最佳开启角度值，在该开启角度值下，泄压门排放流量系数达到最大，且该最佳开启角度值随马赫数的增加而减小，随压力比的增加而减小；而泄压门最大排放流量系数值随压力比的增加而增加，随马赫数的增加而减小。此外，存在一个平衡角度，泄压门力矩系数在该角度下为零，该平衡角度随马赫数的增加而减小，随压力比的增加而增加。最后对比分析了开启角度为15°与40°时泄压门的出口流动结构，如图7所示。

Vedeshkin在与空客公司的合作中，对短舱泄压门泄压过程进行了试验与数值计算研究，采用了一种与前述不同的开启方式，即泄压门铰链与来流方向平行，详细介绍了试验装置，包括供气装置、全尺寸模拟短舱以及泄压门力矩测量装置，并在不同外流场马赫数和压力比下对泄压门排放和受力进行了试验测试。通过测量泄压门表面的总压和静压分布以及泄压门排放流量系数，并与数值计算结果进行对比，结果表明计算和试验之间存在很好的一致性[12]。

Schott与波音公司合作对影响短舱泄压门泄压过程的诸多因素进行了详细的数值计算研究，其考虑了泄压门纵横比、倒圆角、铰链类型、侧壁边缘围护等因素的影响，在一系列压力比、马赫数、内部温度、外界高度等条件下对短舱核心舱泄压门的性能进行了数值计算，得到了许多对短舱泄压门设计具有指导作用的结论：泄压门平衡力矩角度值随高压室压力的增加而增加，随马赫数的增加而减小；排放流量系数随开启角度的增加而增加，达到某一最大值后保持恒定；增加高压舱室压力和降低高压舱室温度将提高泄压门出口流量系数；泄压门推力系数随开启角度的增加而减小；当泄压门开启角度大于30°时，由于后缘横向涡旋脱离壁面，导致壁表面温度降低；增加高压舱室温度和压力将导致泄压门出口附近壁表面出现更大的高温区域面积[13]。

王晨臣等在上述已有研究的基础上，对短舱泄压门泄压过程展开了详细的计算研究，对如图8所示的两种不同的开启方式对短舱泄压门排放性能特性的影响进行了计算研究，结果表明，纵向开启下的泄压门排放系数高于横向开启方式，而力矩系数低于横向开启方式，约为横向开启方式下的1/2[14]。

Feng等对泄压门面积和纵横比对短舱泄压过程的影响进行了计算研究，得到如下结论：泄压门面积大小对泄压门流量系数、推力和力矩系数基本无影响；泄压门流量系数随纵横比的增加而降低，纵横比为2相较于纵横比为1，流量系数下降约14.7%，推力系数和力矩系数随纵横比的增加而增加，纵横比为2相较于纵横比为1，推力系数增加9%～17%，力矩系数增加10%～23%[15]。为对短舱泄压门瞬态泄压过程进行研究，王晨臣等基于Modelica语言建立了短舱泄压过程零维瞬态仿真数学模型，并结合CFD数值计算对泄压门开启舱内压力阈值及最大开启角度对瞬态泄压过程的影响进行了研究，结果表明，降低泄压门开启舱内压力阈值，仅对泄压初始阶段舱内压力变化有所影响；适当降低泄压门最大开启角度，可有效减小泄压门平衡阶段往复摆动角度，而对初始阶段泄压速率及平衡阶段舱内压力基本无影响，而过多地降低最大开启角度导致最大开启角度低于泄压平衡角度时，会大大降低泄压速率，且会提高平衡阶段舱内压力[16]。

许多研究人员通过数值计算对短舱泄压过程进行了稳态仿真计算，得到了许多对泄压门设计有指导作用的结论，但并未能反映实际泄压过程中舱内压力和泄压门姿态等随时间变化关系，因此后续数值计算研究需更多关注于短舱泄压瞬态过程的研究。

2.3短舱泄压系统结构设计

除此之外，还有许多工程设计人员针对短舱泄压门的结构进行了许多研究，如Abeel提出一种由力驱动的闩锁装置，正常情况下泄压门被弹簧压在关闭位置，当舱内压力作用在泄压门上的力超过预定力时，闩锁装置弹开，泄压门打开，该过程也可由人来操作打开[17]。Jensen等提出一种梯形结构的泄压门，其泄压门出口上游宽度大于出口下游宽度，如图9所示。其认为该泄压门相比矩形泄压门，可以改变泄压门周围低温旁通空气的流动，即较宽的前边缘允许低温旁通空气流动时更靠近泄压门的侧边缘，因此低温旁通空气更易与泄压门出口的高温气体混合，从而降低泄压门表面及附近壁表面温度[18]。

Bubello等设计了一种具有止回装置的泄压门，该止回装置具有制动器和多个齿间凹口，制动器接合该凹口以将泄压门锁定在该打开位置，止回装置如图10所示。该泄压门在受到舱内高压气体作用时打开，并由止回装置使泄压门保持在一定的开启角度[19]。邓斯坦等设计了一种弹簧负载泄压门，其由门板、多个铰链、弹簧组件和支撑配件组成，如图11所示，该泄压门在舱内压力超过预定阈值时打开，由于弹簧组件弹簧力的作用，可使泄压门在开启或关闭过程受到近乎恒定的力[20]。

3结论

通过研究，可以得出以下结论：

（1）通过现有的文献资料可以发现，研究人员对诸多重要因素（如压力比、外流场马赫数、泄压门开启角度、面积和纵横比等）对短舱泄压过程的影响进行大量的试验与计算研究，得到了许多对短舱泄压系统设计具有指导性的结论。

（2）目前关于短舱泄压过程的试验研究还很少，且仅有NACATN4007报告公开了试验数据，而该试验的压力比范围均小于1，因此数据实用性有限；虽然有文献资料对短舱泄压过程进行了数值计算研究，但大都基于短舱泄压稳态过程，未能反映实际泄压过程中舱内压力和泄压门姿态等随时间变化关系。

（3）今后对于短舱泄压过程研究需更关注于短舱泄压瞬态过程的研究，如建立更加精確的数学模型或进行瞬态仿真计算；对短舱泄压过程开展相关试验研究，包括更加全面的短舱泄压稳态过程试验与瞬态过程试验，以进一步验证数值计算的准确性。

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（责任编辑王昕）

作者简介

王晨臣（1996-）男，硕士，助理工程师。主要研究方向：飞机燃油系统。

Tel：025-51819742

E-mail：583812642@qq.com

Research on Pressure Relief Process in Aircraft Engine Nacelle

Wang Chenchen*，Pan Jun，Wang Yangyang

The Aviation Electromechanical System Integration of Aviation Science and Technology Key Laboratory，AVIC Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems，Nanjing 211106，China

Abstract： The nacelle pressure relief system is an important guarantee to ensure that the nacelle structure will not be damaged and the engine can still work safely after the high-pressure bleed air duct inside the nacelle is broken or leaked. Therefore， the research on the nacelle pressure relief process is very important to ensure the safety of the aircraft. This paper introduces the main factors and research contents which affect the pressure relief process of the nacelle pressure relief door， summarizes the experimental and simulation studies on the pressure relief process of the nacelle pressure relief door at home and abroad， and provides reference for the research of the nacelle pressure relief process. It also points out the inadequacy of the existing research about the nacelle pressure relief system， as well as the research content and direction of the nacelle pressure relief system in the future.

Key Words： nacelle； pressure relief door； pressure relief process； influencing factors； experimental and simulation research