民用涡轴发动机油滤组件防火试验温度场仿真与验证：15分钟1100℃火焰下的热安全评估

一、民用涡轴发动机发展概述

1.1 民用涡轴发动机发展趋势与应用前景

涡轴发动机是直升机和倾转旋翼机的核心动力装置，其技术水平直接决定了航空器的性能边界。近年来，随着低空经济的快速发展和通用航空市场的持续扩大，民用涡轴发动机正朝着高效率、低油耗、长寿命、高安全性、维护便捷及环境适应性广等方向快速发展。

以我国自主研制的AES100发动机为代表，民用涡轴发动机技术取得了重大突破。AES100是我国第一型自主创新研制的1000千瓦级先进民用涡轴发动机，具有完全自主知识产权，其研制过程中攻克了200余项关键技术，综合性能达到国际先进水平，已于2024年8月取得中国民用航空局型号合格证（TC证），2025年6月取得生产许可证（PC证）。该型发动机可配装5～6吨级双发直升机和3～4吨级单发直升机，也可用于倾转旋翼机等飞行器，执行运输、观光、救援等任务。目前，200千瓦至1300千瓦级系列涡轴发动机已可配备1吨至13吨级直升机及倾转旋翼机，通用航空动力产业呈现系列化、平台化和产业化的发展趋势。

在技术特征方面，先进民用涡轴发动机追求“重量轻、零件少、体积小、安全性高、维护性好”的设计目标。油滤组件作为发动机燃油系统和滑油系统的核心部件，通过将大量外部管路集成在机匣内部，大幅减少了零件数量和体积，有效提高了发动机的安全性和可维护性。然而，这种高度集成的设计也带来了防火安全性的新挑战，需要在设计阶段就充分考虑防火适航要求。

1.2 油滤组件防火试验要求的相关技术研究

航空发动机防火试验是表明动力装置安装和推进系统部件对适航规章防火条款要求符合性最常用、最有效的方法。国内外学者围绕防火试验的燃烧器特性、传热机理和数值模拟方法开展了大量研究工作。

在燃烧器火焰特性数值模拟方面，Kreuder等人使用Fluent软件对FAA动力装置工程报告规定的Carlin燃烧器进行了数值模拟，获得了火焰冲击试验件时的传热特点。张智博等人对比分析了Standard k-ε、RNG k-ε、Realizable k-ε、Standard k-ω、雷诺应力5种湍流模型以及简单概率密度模型（PDF）、有限速率模型、涡耗散模型（ED）、涡耗散概念模型（EDC）4种燃烧模型对环形燃烧室性能计算的影响，获得了最能合理模拟燃烧效果的湍流模型和燃烧模型。王伟、李阳利用ANSYS软件对NexGEN燃烧器进行了数值模拟，获得了燃烧器不同旋流叶片倾角对试验件换热效率的影响规律。

在防火试验传热仿真方法方面，赵尊盛等人解读国际标准ISO 2685，根据火焰热流标定要求分析得出了火焰对零件的换热系数，基于ANSYS软件研究了一维流体与三维固体耦合换热分析方法，以涡轴发动机两个典型滑油管路为例完成了防火试验5 min的传热仿真模拟，获得了试验管路在火焰加热条件下的瞬态温度变化及分布。该方法工程性较强，具有普适性，可用于航空发动机各类防火试验件的传热仿真。

在适航审定与防火性能研究方面，有学者依据CCAR 33.17防火条款对某型航空发动机管路和箱体部件进行了防火试验，提出影响发动机零部件防火性能及试验成功的三个关键因素：部件内存留工质体积、工质流量、部件腔内压力，并对适航审定过程中防火试验判据要素进行了研究。雷寰兴等人阐述了民用涡轴发动机油滤组件的基本构成和功能以及适航条款对油滤组件防火安全性的要求，利用数值仿真技术对油滤组件在15 min防火试验中温度场分布和演变过程进行了数值模拟，并通过试验对仿真结果进行了验证。

二、油滤组件结构功能与适航防火要求分析

2.1 油滤组件结构与功能

油滤组件主要由油滤机匣、燃油滤盖、滑油滤盖、压力传感器、温度传感器、燃油滤芯和滑油滤芯等零件组成，是涡轴发动机的重要组成部件之一。其具有过滤燃油和滑油、实现燃油和滑油换热以及监测油液压力和温度等功能，对保障发动机正常运行起着关键作用。

从结构来看，油滤组件采用集成化设计，将燃油滤腔和滑油滤腔集成在同一机匣内。燃油滤腔位于组件右侧，滑油滤腔位于左侧，底部设有机匣安装耳片。燃油滤腔下方配置旁通活门，用于在滤芯堵塞时保证燃油流通。机匣采用铝合金材质制造，以满足轻量化要求，但铝合金熔点约为660 ℃，远低于防火试验中1100 ℃的标准火焰温度。这一材料特性使得油滤组件在防火试验中面临严峻的热负荷挑战。

2.2 防火适航条款分析

（1）CCAR-33R2第33.17项（b）款要求

CCAR-33R2第33.17项（b）款规定：除（c）条规定外，在发动机正常工作期间存留或输送易燃液体的每一外部管路、接头和其他部件，必须由局方确认是耐火的或是防火的。上述部件必须有防护或正确安装，以防止点燃泄漏的易燃液体。

（2）AC咨询通报第33.17项2.1款第（2）条b）款要求

AC咨询通报2第33.17项2.1款第（2）条b）款规定：涡轮发动机停车后风车状态的持续转动会使滑油系统保持滑油流动。滑油泵上的齿轮箱持续旋转，润滑系统保持滑油供给。只要持续转动效应存在或滑油供应尚未停止，可能会一直为火焰提供易燃液体。因此，滑油系统部件需要从着火危害角度（如压力、流量）来评估，从而确定火焰防护等级。通常来说，除特殊情况外，滑油系统部件应按防火标准进行评估。

此外，关于防火与耐火标准的适用性：通常来说，如果可以用切断装置停止供应易燃液体，这类易燃液体输送部件的下游管路或部件可按照耐火标准进行评估，但着火情况下实现切断易燃液体功能的切断装置应按照防火标准进行评估。防火试验之所以定义部件需经受标准火焰15分钟的冲击，是建立在灭火系统能够在后10分钟内控制火情的基础上。

（3）ISO 2685防火试验要求

ISO 2685对部件和设备防火试验提出了明确的技术指标要求：防火级别的部件和设备应能够承受标准火焰15 min；燃烧器火焰尺寸应不小于180 cm²；火焰温度为1100 ℃±50 ℃（部分引用标准为1100 ℃±80 ℃）；热交换量为461 kW/m·min（标准火焰热流密度为116±10 kW/m²）；燃烧器喷嘴与试验件的垂直距离应为100 mm。标准火焰温度通过热电偶阵列进行校准，火焰平均温度需不低于1093 ℃。

在发动机正常工作时，油滤组件内部存留并输送燃油和滑油，属于燃油滑油系统部件，按上述条款要求，需要开展防火试验进行验证。在防火试验中，油滤组件需承受燃烧器1100 ℃火焰持续冲击15 min。由于油滤组件为铝合金材质，熔点温度为660 ℃，远低于火焰温度，为防止油滤组件在试验中被烧熔失效，对其壁面和内部的温度演变过程和规律进行研究，进而根据其温度场分布和演变规律针对性开展防火设计研究，对于油滤组件满足适航条款防火性要求和发动机适航取证要求是非常必要的。

三、温度场瞬态热分析数学与数值仿真模型

3.1 油滤组件温度场瞬态热分析数学模型

瞬态热分析是计算物体温度场及其他热参数随时间变化规律的重要且有效的数学方法，其原理与稳态分析类似，主要区别在于瞬态热分析中换热边界数据是随时间变化的，并且材料的密度、热容相关的热能存储效应也需要考虑。为了获得满足某一具体导热问题的温度分布，必须给出用以表征该特定问题的一些附加条件，称为定解条件。

对于油滤机匣组件来说，在防火试验中机匣壳体表面上的温度分布和热流密度是未知的，机匣内部油路和燃烧器火焰的温度是已知的，燃滑油与机匣内部油路壁面的换热系数和外部火焰与机匣外壁的换热系数可通过公式推导出来，故油滤机匣组件的热分析需要使用第三类边界条件。

瞬态热传导的控制方程可表述为：

ρc ∂T/∂t=∂/∂x（k ∂T/∂x）+∂/∂y（k ∂T/∂y）+∂/∂z（k ∂T/∂z）+q；其中：ρ为材料密度（kg/m³），c为比热容（J/（kg·K）），T为温度（K），t为时间（s），k为导热系数（W/（m·K）），q为内热源项（本分析中无内热源，q=0）。

第三类边界条件的数学表述为：

-k ∂T/∂n|_w=h（T_w - T_f）；其中：n为壁面法向方向，h为对流换热系数（W/（m²·K）），T_w为壁面温度（K），T_f为流体温度（K）。

在防火试验的15 min过程中，前5 min油滤组件外部承受燃烧器火焰冲击，内部燃油油路和滑油油路分别由燃油和滑油循环对试验件进行散热；后10 min油滤组件内部油液停止循环，试验件完全依靠自身结构承受燃烧器火焰冲击。因此，换热边界条件具有显著的时间分段特征，需在数学模型中分别定义前5 min和后10 min的换热边界条件。

3.2 油滤组件温度场瞬态热分析数值仿真模型

使用ANSYS Workbench瞬态热分析模块对油滤组件温度场进行数值模拟。计算前，对油滤组件中不影响计算结果的细节特征，如螺栓孔、倒圆倒角等进行了简化和删除，以降低网格划分难度和计算量。

在建立仿真模型时，在ANSYS Workbench瞬态热分析模块中将仿真三维模型的内部油路分为滑油油路和燃油油路两种类型，分别对上述两种油路的界面参数进行设定。采用ANSYS Workbench中的网格划分模块对模型划分四面体网格，并对薄壁处进行加密处理，以提高仿真精度。

材料参数方面，油滤机匣采用铝合金材料，其密度约为2700 kg/m³，比热容约为900 J/（kg·K），导热系数约为200 W/（m·K），熔点温度约为660 ℃。网格划分策略上，在薄壁区域和温度梯度较大的位置采用加密网格，在温度变化平缓区域适当放宽网格尺寸，以在保证计算精度的同时提高计算效率。

在火焰换热边界条件设定中，根据ISO 2685标准火焰的热流密度要求（116±10 kW/m²），结合燃烧器喷嘴与试验件的垂直距离（100 mm），通过公式推导得出外部火焰对机匣外壁的换热系数。内部油路的换热系数则根据燃油和滑油的流量、温度以及油路壁面特征通过经验关联式计算获得。前5 min油液循环阶段，采用强制对流换热边界条件；后10 min油液停止循环阶段，仅考虑油液蒸发吸热效应。

四、防火试验温度场数值仿真与试验验证

4.1 温度场数值仿真计算结果分析

（1）第5 min温度场分布

分析油滤组件第5 min时的温度场分布可知，不计转接段温度，油滤组件温度最高点位于油滤机匣最下方两个螺栓安装耳片处，温度值为457.24 ℃；温度最低点位于滑油滤盖处，温度值为180 ℃左右。总体呈上低下高、左低右高的分布趋势。此时最高温度未超过铝合金熔点温度（660 ℃），油滤组件处于相对安全的温度范围内。

（2）第8 min温度场分布

分析油滤组件第8 min时的温度场分布可知，不计转接段温度，油滤组件温度最高点位于燃油滤腔下方的旁通活门处，温度值为578.62 ℃；温度最低点位于滑油滤盖处，温度值为400 ℃左右。总体分布趋势与之前类似，呈上低下高、左低右高的分布趋势，但高温区蔓延迅速，燃油滤腔近一半面积被550 ℃以上高温覆盖，且有向左侧滑油滤腔扩展的趋势。此时最高温度虽仍低于铝合金熔点，但已接近临界值，高温区的快速扩展表明热负荷正在急剧增加。

（3）第10 min温度场分布

分析油滤组件第10 min时的温度场分布可知，油滤组件温度最高点位于燃油滤腔下方的旁通活门处，温度值为797.19 ℃；温度最低点位于滑油滤盖处，温度值为700 ℃左右。总体分布趋势与之前类似，呈上低下高、左低右高的分布趋势，温度场恶化显著，780 ℃以上高温区蔓延至整个燃油滤腔和滑油滤腔下方，温度较低的滑油滤腔上方的温度也达到700 ℃以上。此时最高温度已远超铝合金熔点温度，油滤组件下方和密封结构面临严重的失效风险。

（4）第15 min温度场分布

分析油滤组件第15 min时的温度场分布可知，950 ℃高温区覆盖整个油滤组件，温度场急剧恶化，油滤组件下方和转接段下方被火焰烧熔烧穿的风险极大。此时油滤组件已完全丧失防火能力，密封胶圈等非金属密封件将发生热失效。

4.2 温度演变过程分析

分析油滤组件15 min内的温度演变过程可知，0～10 s时间内，温度上升较快，这是由于初始阶段试验件与火焰之间温差最大，对流换热驱动力最强，同时试验件尚未建立有效的散热平衡；10～30 s时间内，温度上升趋势变慢；50～300 s时间内，温度基本停止上升，稳定在平衡值附近，这是因为此时前5 min油液循环散热阶段中，吸热量和散热量达到了动态平衡；从300 s开始到900 s时间内，温度再次快速上升，峰值温度达到950 ℃左右，这是由于后10 min油液停止循环，仅依靠油液蒸发吸收热量，吸热量远大于散热量，温度上升迅速且温度场逐渐恶化。

综上，油滤组件在防火试验的15 min内，前5 min由于有大量的油液进行循环散热，吸热量和散热量可以达到平衡，温度可以稳定在平衡值附近，且温度场分布较为均匀，试验工况对油滤组件较为有利，可以长时间运行；后10 min由于油液停止循环，仅依靠油液蒸发吸收热量，吸热量远大于散热量，温度上升迅速，且温度场逐渐恶化，试验工况对油滤组件极为不利，油滤机匣被烧熔烧穿以及密封胶圈失效的风险极大。从温度场分布情况来看，整体呈上低下高、左低右高的趋势，说明其底部和燃油滤腔侧是防火薄弱位置。

4.3 温度场试验验证

为验证试验件的温度变化以及仿真方法的准确性，对某型民用涡轴发动机油滤组件进行防火试验，并对油滤组件壁面温度进行了测量。试验前在油滤机匣底部布置5个热电偶，通过耐高温的高温陶瓷胶将热电偶固定在测试件表面，热电偶安装时与试验件壁面充分接触，高温胶涂抹厚度不小于5 mm，避免火焰对热电偶直接灼烧。

在防火试验过程中，由于高温陶瓷胶脱落，油滤组件壁面5个温度测点中有2个温度测点存活，温度数据有效。分析存活的2个温度测点的温度数值仿真数据与实测数据对比可知，测点温度仿真值与实测值变化趋势相同且温度大小相近。其中，试验前5 min，测点2温度仿真值与测量值变差为6.2%，测点3温度仿真值与测量值变差为11.3%；试验后10 min，测点2温度仿真值与测量值变差为4.8%，测点3温度仿真值与测量值变差为9.6%。考虑高温陶瓷胶隔热效果和热电偶分散性，试验测试数据与数值仿真值较为接近，后者能较好反映油滤组件温度场在防火试验中的变化过程，可用于指导油滤组件防火设计与防火适航条款的验证工作。

五、结论与工程借鉴

本文对某型民用涡轴发动机的油滤组件在15 min防火试验中的温度场分布和演变过程进行了研究，对数值仿真计算结果和试验结果进行了对比分析，结果表明：

1）试验前5 min，由于有内部油液循环散热，油滤组件温度场分布较为均匀，温度上升较为缓慢，最高温度值为457.24 ℃，未超过铝合金熔点温度，燃烧器火焰不会对油滤组件造成损坏。

2）试验后10 min，由于没有内部油液循环散热，油滤组件温度迅速上升，温度场逐渐恶化，至15 min时，950 ℃高温区覆盖整个油滤组件，超过铝合金熔点，油滤组件防火失效风险极大。

3）整个试验过程中，油滤组件温度场整体呈上低下高、左低右高的趋势，说明其底部和燃油滤腔侧是防火薄弱位置，在进行防火设计时，应通过增加壁厚、设置挡火板和增强密封等措施对薄弱位置进行防护。

4）试验验证结果与数值仿真结果吻合较好，测点温度变差在4.8%～11.3%之间，验证了瞬态热分析数值仿真方法的准确性，该方法可为民用涡轴发动机油滤组件以及其他需要开展防火试验的零部件的防火设计和防火适航条款验证提供有益的工程借鉴。

本研究的方法论对于航空发动机防火设计具有重要的工程应用价值。基于ISO 2685标准火焰的热流密度要求（116±10 kW/m²），结合第三类边界条件的瞬态热分析数学模型，可以系统地评估油滤组件等铝合金部件在标准火焰冲击下的温度响应特征。通过识别防火薄弱位置（组件底部和燃油滤腔侧），设计人员可以在方案设计阶段就针对性地采取增加壁厚、设置挡火板、选用耐高温密封材料等措施，从而有效提高防火试验通过率，缩短适航取证周期。此外，本研究所建立的数值仿真模型经过试验验证后，还可推广应用于滑油箱、外部管路等其他发动机防火试验件的传热仿真分析，为航空发动机防火安全性设计与验证提供系统的技术支撑。

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