航空发动机进气温度畸变研究综述

乔恕立

摘要：为确保航空器飞行的安全性，航空发动机在设计过程中必须考虑到发动机的高性能、高可靠性以及高稳定性，其中高稳定性受进气压力畸变、温度畸变的影响非常大，基于此，本文针对发动机受进气温度畸变的影响做了简要分析。

关键词：航空发动机；进气温度畸变；因素；措施；趋势

引言

评估航空发动机最重要的指标就是发动机的气动稳定性，而气动稳定性又直接受进气畸变的影响，其中，发动机进气抗温度畸变的能力直接影响了航空器飞行性能以及完成任务的水平。所以，现代航空发动机的设计发展方向主要在于如何提高发动机的抗温度畸变能力。

1引发航空发动机温度畸变的因素

1.1受外部热源的干扰

航空器在完成飞行及发射任务时，由于受高温尾流的影响，引发发动机进气温度的畸变。第一类，火箭以及导弹的发射，其发射飞行时尾流温度极高而且温度变化速率相当高，对发动机干扰程度严重；第二类，航炮的发射，该武器在发射时，产生的高温废气会直接流入发动机进气口，致使发动机温度急剧上升，压力减小，空气流入量减少，进而引发发动机故障。另外，为达到短距起飞的目的，舰载机经常利用弹射起飞的方式进行启动，但泄露在甲板上的高温蒸汽极有可能被吸入发动机进气口内，引发严重的发动机温度畸变。

1.2发动机自身热源的干扰

飞机在起降过程中，矢量喷管会朝地面喷出大量尾气，在撞击地面后受反作用力向上运动，吸入喷管上方的发动机进气口，导致发动机进气口部位发生温度畸变；另外，发动机一般会配备反推装置，当启动反推装置时，滑跑速度较低，向前喷出的高温气流会再次流入发动机进气口，致使其发生为温度畸变。

2温度畸变对发动机的影响分析

2.1评估温度畸变对发动机影响的方式

发动机发生温度畸变时，其稳定工作边界会整体下调，减小稳定工作范围，使发动机稳定工作线骤然上升，容易对发动机造成严重损坏。评估发动机受温度畸变影响的标准一般分两类，第一类是理论分析，首先建立发动机数学模型，输入温度畸变的参考数值作为其降稳因子，然后利用该数学模型分析温度畸变对发动机性能的影响；第二类是进行试验研究，借助地面试验装置模拟发动机实际工作状况，进而得到发动机的温度畸变参数，然后再对模型发动机部件以及发动机整机做测试分析，最终得到发动机受温度畸变影响的反映参数。

2.2温度畸变对发动机整机性能的影响

美国科学家已经利用高空测试台试验了氢气燃烧的温度畸变对发动机压缩系统稳定性的影响。试验表明，氢气燃烧产生的温度畸变会使发动机压气机变得敏感，温度畸变的强度会直接影响压气机失速边界下滑的程度，其强度越高，压气机失速边界下调幅度就会越明显，进而影响发动机工作性能。另外，进气口温度畸变还会对发动机其它部件产生影响，比如燃烧室。当温度畸变达到一定数值，温度的升幅以及畸变速率会导致压气机瞬间失速，发生喘振，其纵向压力脉冲直接作用于燃烧室，致使燃烧室出现熄火的状况。

3发动机抗温度畸变的优化措施

3.1外部热源抑制技术

针对影响发动机温度畸变的热源入手，总结分析了两类决定热流吸入的矢量喷管分布位置，进而研发出温度畸变的抑制技术。首先，矢量喷管紧密排列，适当调节喷管的展开角度可以在一定程度上降低发动机进气口热流的吸入，但必须注意避免过大调节喷管展开角度，否则会急剧增大推力消耗。所以这种喷管的分布方式无法有效避免吸入热流，对此可以在关键位置设立导流板，通过导流板作用，可以很大程度地降低进气口对热流的吸入；其次，矢量喷管分散布置，为减小对推力的影响，可以适当调节喷管的外扩角度，进而实现对热流吸入的有效抑制。另外，除了调节喷管的扩展角度外，利用流动控制措施也可以对喷管尾流进行有效的控制，进而减小进气口热流的吸入，该方法可以明显控制喷管工作时对地面产生的热流场，进而抑制地面反射的热流吸入发动机进气口。

3.2发动机内部控制技术

中国科学家经研究试验，针对发动机飞行运作时温度畸变的实际情况以及应用需求，开发出一种武器发射防喘抑制系统，该系统结构如图1，其原理是通过整理计算进气口平均温升及其速率、畸变热区范围及角度和热干扰持续时间等数据，进而表现发动机进气口温度畸变的程度，当畸变程度达到一定预设值后，防喘系统会自动干扰，强制降油从而减小尾流热量的排散，最终按预设程序将温度恢复到合理值。但该方法可能会造成发动机短时推力消耗，另外对飞机飞行稳定性也会造成一定的影响。

图1

4今后对发动机温度畸变研究发展的趋势

4.1抑制热源

一般情况下，发动机进气口的温度畸变是由于特定环境及特殊工作要求产生的。比如发射武器、火灾救援或者舰载机弹射等情况下对热流的吸入，引发发动机进气口温度畸变。对此，外国科学家已经拥有深厚的经验积累和研究成果，但国内在这方面的研究还未形成完备的体系，所以引发温度畸变原理、抑制热源传播及影响应该是国内相关专业人员今后的研究方向。

4.2创新测试技术

现阶段，国内有关部门在研究温度畸变对发动机性能影响时主要以试验为主，通过建立模拟装置进而获得发动机实际工作状况中温度畸变的流场分布，再借助压气机以及发动机的有关反应评估温度畸变所产生的影响。但是这类试验很难直观反映温度畸变的工作机制及其所产生的影响，限制了对其的深入研究，所以，创新相关测试技术是目前在发动机相关研究中最重要的课题之一。

4.3缩减成本

当前对温度畸变的研究中，一般借助建立模型对发动机整机进行试验设计，但由于结构繁琐，操控困难，并且资源消耗量较大，导致测试设计的研究成本相当大。因此，如何缩减科研成本，推进系统部件的研究模型以及发展小流量高效率的发动机也是今后该方面的发展科研课题之一。

4.4引进仿真技术

目前，国内对航空发动机温度畸变的研究还处于起步阶段，针对该畸变还不能有效地结合仿真手段进行深入探讨；另外，建立进气温度畸变模拟模型的测试方式对设备技术的水平要求较高，而且测试周期长，成本高。所以，急需研究仿真手段在该方面的应用方法，与理论模型相结合，才能发挥其重要作用。

综上所述，发动机进气口的温度畸变对航空发动机的性能影响极大，所以必须尽快解决温度畸变对航空发动机气动稳定性的影响。我国在这方面的研究起步较晚，需要加大对此的科研力度，以确保国内飞行器的运行安全，从而在国际市场的激励竞争中谋求生存，获得更大的利益。

参考文献：

[1]尤延铖，滕健，郑晓刚，周驯黄.航空发动机进气温度畸变研究综述[J].南京航空航天大学学报，2017，03：283-300.