作者：王晨臣 潘俊 王洋洋
来源：《航空科学技术》2021年第04期
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短艙泄压过程
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纵横比的增加而减少，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。
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