TPS空气桥与内部流场分析

王 凯，徐让书,b，韩 雷，朱建勇

(沈阳航空航天大学 a 航空航天工程学部(院)；b 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136)



TPS空气桥与内部流场分析

王 凯a，徐让书a,b，韩 雷a，朱建勇a

(沈阳航空航天大学 a 航空航天工程学部(院)；b 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136)

TPS试验技术是目前风洞试验方法中最先进的涡扇发动机模拟技术，空气桥是TPS风洞试验的动力供给装置，也是TPS风洞试验测量系统的关键部件。简要介绍了TPS和空气桥的工作原理，重点阐述了空气桥的布局与结构以及设计过程中的重点并对国内外空气桥的研究发展情况作了简单叙述。为了研究高压气体对空气桥内部流场的影响，在最后部分对空气桥内部流场进行了建模和数值模拟并对计算结果进行了分析。

TPS；空气桥；结构；内部流场；数值模拟

在TPS(Turbofan Powered Simulator)风洞试验中，外部高压气体驱动涡轮，涡轮带动风扇给气体加压，从进气口进入的气体由外涵道排出，驱动涡轮的空气由内涵道排出[1-5]。涡轮风扇动力模拟器结构如图1。由于供气管路传输的气体压力较大，为了确保安全，必须采用钢管，而刚性管路大大影响了天平测力的精度。因此如何减小高压供气系统对模型天平测力的干扰并使得测量装置所测得结果最大限度接近模型外部气动力与TPS短舱推力的合力，是一个亟待解决的关键技术问题。空气桥一端与天平固定端固结，另一端与天平的浮动端连接，流体产生的载荷同时通过天平和空气桥传递到模型的支撑系统。为确定模型的气动载荷，空气桥在理想态下应是稳定性极高并且充满柔性和弹性的供气管路系统。

图1 涡轮风扇动力模拟器结构示意图

1 空气桥的布局与结构

1.1 空气桥布局

TPS试验要求包括天平测量的精度误差、空气桥工作压力、最大气体流量、安装空间直径及工作温度[6-9]。根据以上试验要求，首先确定补偿单元的结构形式，在满足安装空间的条件下，合理地连接各个补偿单元，以减小空气桥的刚度。在TPS风洞试验过程中，天平测量力和力矩在6个方向上的分量，所以空气桥要为测量系统提供6个自由度。通过上述分析，最终确定空气桥为3个补偿单元的“鹅颈式”布局(如图2所示)。

图2 空气桥的整体布局

这种空气桥由钢管与3个膨胀节构成。两个横置的膨胀节可以吸收竖置膨胀节所产生的膨胀，1个竖置的膨胀节也可以吸收两个横置膨胀节的膨胀。它具有6个自由度，自身的刚度较小，克服压力和温度影响的能力较强。

1.2 膨胀节

膨胀节也叫伸缩节，或波纹管补偿器。它的工作原理是：利用膨胀节内部弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线、导管或容器由于受到内部或外部压力、温度影响等原因而产生尺寸变化的一种补偿装置，属于一种补偿元件，可对轴向、横向和角向位移进行吸收，用于在管道、设备及系统的加热位移、机械位移吸收振动和降低噪音等。膨胀节是空气桥的关键部件，主要由金属波纹管和柔性铰链构成。膨胀节的内部结构如图3所示。

图3 膨胀节结构

金属波纹管是一种具有多个横向波纹的圆波纹管柱形薄壁折皱的壳体，波纹管具有弹性，在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下将产生位移。作为一种能够自由伸缩的弹性补偿元件，波纹管具有工作可靠、性能良好、刚度小、结构紧凑的优点，在石油、化工、电力、船舶、核工业和航空航天等领域得到广泛应用，设计者通常将波纹管作为空气桥必需的结构[10-11]。U 型波纹管在空气桥设计中比较常用。U 型波纹管膨胀节具有比较优良的柔性，在吸收机器产生的振动与管道位移方面具有优良的性能。但在实际应用中,U形波纹管常常由于对轴向、角向的位移补偿过大及承受过大的内压,致使局部处于屈服状态,从而导致波纹管发生破坏。所以只有加强 U 型波纹管膨胀节的设计，才能进一步提高膨胀节的性能。此外还要注意波纹管设计参数的选用，包括材料、外径、内径、波数、壁厚、有效长度等，波纹管的外径不能太大，否则波纹管受压而产生的轴向膨胀力会大大增加。

空气桥波纹管在高压作用下会产生较大的轴向变形，这种变形将直接作用于高精度测力天平，影响天平测量精度。在空气桥膨胀节设计中常采用弯曲刚度小且抗拉能力强的柔性铰链封装波纹管。这样的组合可以有效消除波纹管在压力作用下产生的轴向变形及其对天平测量精度的影响。图4为柔性铰链。

柔性铰链上有4个两两交错横置的细长矩形梁，细长矩形梁具有一定的抵抗轴向拉压的能力，但抵抗弯曲的能力较弱。因此柔性铰链对波纹管的轴向膨胀有较大的约束能力，同时柔性铰链对波纹管的弯曲约束较弱。考虑到柔性铰链的设计尺寸有限，因此由角变形引起的侧向位移、轴向位移都可以忽略，同时由于柔性铰链的存在，有效约束了波纹管绕y轴(中心轴)的扭转。通过以上分析可知空气桥膨胀节具有两个角自由度，它可绕x，z轴作小角度旋转。

图4 柔性铰链

在设计空气桥柔性节时，首先要确定供气管道的内径，这主要由TPS单元规定的气体流量和工作压力决定。为了尽量减小流体流动对空气桥的影响，管内的流速在适当设计范围内应选择最小。膨胀节内两个断开的钢管管口应当尽可能对齐，中间的缝隙应当较小，这样可以尽量避免膨胀节内流体的流动分离。应当使柔性铰链的四个矩形梁尽可能长，保证矩形梁在角位移方向的弯曲刚度最小[12]。

2 空气桥的发展

上世纪80年代，德国达姆施塔特工业大学(Technical University Darmstadt)的B.Ewald教授对空气桥进行了系统的研究。1982年DNW(德国—荷兰联合风洞研究所)首次针对大型客机空客A300研制的空气桥进行了功能试验，次年进行了校准和生产试验。此空气桥工作压力为6 MPa，规定气体流量为6 kg/s，安装空间直径为0.5 m。2002年NLR(荷兰国家航空航天实验室)为空客A380专门研制了空气桥RALD 2000(如图5所示)，以满足TPS风洞试验要求。此空气桥工作压力为6 MPa,规定气体流量为12 kg/s，安装空间直径为0.44 m。由于空客A400M军用运输机在空气动力外形方面有较大变化，需要设计新型的空气桥以满足TPS试验要求。新的空气桥系统包括原来的RALD 2000以及最新发明的空气回流桥RALD 2001。新型空气桥系统外形如图6所示，性能如表1所示。

图5 空气回流桥RALD 2000

图6 A400M的空气桥系统

RALD20002001最大温度/K343—最小温度/K275263最大工作压力/MPa816气体流量/(kg·s-1)1212安装直径/m0.44符合模型要求

目前,国外发达国家对空气桥的设计制造技术已经较为成熟，已经拥有可以用于TPS风洞试验的一系列空气桥。我国从1968年开始在FL8风洞进行了第一次尾喷流试验，此后二十多年来进行了通气发房、尾喷流模拟器、带引射器试验技术研究与多种型号带动力试验。但在1992年中国—乌克兰民机合作以前，国内从未进行过一次TPS风洞试验，也未正式进行TPS风洞试验相关设备研制工作。近年来，有些研究机构为了满足研究需要，陆续从国外引进TPS单元并开始着手进行空气桥的研制。中国空气动力研究与发展中心的章荣平、王勋年、黄勇等人为空气桥的设计做了大量工作。其中章荣平以某军用运输机为基础，利用有限元分析方法成功设计出了能满足TPS低速全模试验要求的空气桥。

3 空气桥内部流场分析

由于空气桥膨胀节的内部结构复杂，波纹管的内径大于钢管外径，所以在波纹管、膨胀节两端法兰及其内部的两端钢管之间形成一个狭小的腔体。高压气体流过膨胀节的一端时会经过两段钢管之间的狭小缝隙进入这个空腔。流经整个空气桥的气体作用于空气桥输气钢管与膨胀节，气体所具备的高压对空气桥的结构有较大影响。所以，对空气桥内部流场进行分析非常重要[13-14]。

3.1 模型建立

图7为作者最新设计的一款空气桥的模型，该空气桥的进气流量为2.5 kg/s，工作压力为4 MPa，安装直径为0.4 m。其内部流体模型如图8所示。

图7 空气桥模型

图8 空气桥内部流体模型

3.2 网格划分

利用专业有限元网格划分软件ICEM CFD 15.0对流体模型进行划分，网格类型为六面体结构，总网格数量约为64万，网格质量符合计算标准。空气桥总体网格如图9所示。

图9 空气桥总体网格

由图9可见波纹管所在的三处流体域的网格较密，这是因为由波纹管、膨胀节两端法兰及其内部的两端钢管之间形成的腔体狭小且其与波纹管内壁交界处壁面呈波浪式，结构较为复杂。为了对模型进行准确计算，故对此部分进行网格加密。

3.3 数值计算

本文采用ANSYS FLUENT 15.0作为计算软件，使用稳态求解器进行求解。经过计算，在模型入口处气体的雷诺数Re=5180000，故求解模型设置为标准的k-ε湍流模型。由于通气前气体经过加压，其密度为定值并且马赫数小于0.3，计算时视为不可压缩流体，求解采用压力求解器，离散格式为二阶迎风格式。

3.3 计算结果分析

本文计算了空气桥在进气流量为2.5 kg/s、工作压力为4 MPa条件下的流场情况。图10a、10b和图10c分别为对空气桥流体模型数值计算得到的密度、速度和压力云图。由密度云图可以看出，流场内的密度在局部稍有变化，但总体变化不明显，大小稳定在46.4左右。空气桥供气钢管内的气流速度相对稳定，在气流转弯的近壁处速度有所升高，在转弯部分较大半径处压力高于近壁处，这是由于流体因转弯而产生离心力，使得外壁压力增高而内壁压力降低。在转弯部分加大半径处出现扩散效应，在近壁处出现收缩效应。

通过速度云图可以看出在由波纹管、膨胀节两端法兰及其内部的两端钢管之间形成的狭小腔体内的气流速度为零，原因是气体通过狭缝进入腔体并将其充满后就不再互相交换气体。观察压力云图可以看出空气桥进口出口存在压力损失，这是受空气桥总长度、管路内径和气体粘性的共同影响而导致的，约为3%。

图10 数值计算云图

4 结论

本文首先对TPS工作原理作了简要介绍，进而对TPS的重要部件空气桥的布局和结构进行了详细的阐述并介绍了空气桥在国内外的应用与发展情况。最后对空气桥内部流场进行了建模、网格划分、数值计算并且对计算结果进行了分析。通过论述和计算分析得出以下结论：

(1)空气桥作为高压供气系统的补偿元件，其工作压力较大，结构较为复杂，在满足强度的同时必须尽可能减小自身刚度，所以空气桥的设计对材料性能要求较高。

(2)在发达国家，对空气桥的研制技术已经相当成熟。在国内，由于我国航空工业的飞速发展，空气桥的研制技术也得到了一定进步，但是和国外相比还有很大差距。

(3)高压气体流过空气桥时密度变化不明显。由于离心力的作用，在气流转弯处的壁面间存在较大的速度差。在空气桥总长度、管路内径和气体粘性的共同作用下，空气桥的出口处相对于进口存在压力损失。

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(责任编辑：宋丽萍 英文审校：刘敬钰)

TPS air-supply line bridges and analysis of their inner flow fields

WANG Kaia，XU Rang-shua,b，HAN Leia，ZHU Jian-yonga

(a.Faculty of Aerospace Engineering; b.Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

TPS(Turbofan Powered Simulator)test technology is currently the most advanced turbofan engine simulation technology in the wind tunnel test.Air-supply line bridges，the critical components in TPS wind tunnel test measurement system,are used for energy support.In this paper,we briefly introduce the working principles of TPS and air-supply line bridges,mainly expound the layout and construction of air-supply line bridges as well as the emphasis in design process,and we simply present their research and development both home and abroad.Finally,in order to study the effects of high-pressure airflow on the inner flow field of air-supply line bridges,we analyzed the test results by building the model of inner flow field of air-supply line bridges and conducting the numerical simulation.

TPS;air-supply line bridges;construction;inner flow field;numerical simulation

2014-09-20

王凯(1989-)，男，山东淄博人，硕士研究生，主要研究方向：航空发动机数值仿真，E-mail:wangkai450707@126.com；徐让书(1962-)，男，浙江乐清人，教授，主要研究方向：航空发动机数值仿真，E-mail:xurangshu@yahoo.com。

2095-1248(2015)02-0033-05

V216.8

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.02.007