大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帽罩積冰特性試驗(yàn)＊

■ 李云單 周建軍 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所 林貴平 馬奎元 / 北京航空航天大學(xué)

大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口旋轉(zhuǎn)帽罩的型面結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)水滴撞擊和積冰特性產(chǎn)生影響。為了合理地進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)，需要針對(duì)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)不同型面旋轉(zhuǎn)帽罩開(kāi)展積冰特性試驗(yàn)。

當(dāng)飛機(jī)穿越云層時(shí)，云層中亞臨界狀態(tài)的過(guò)冷水滴撞擊到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口部件表面，會(huì)在表面形成積冰[1]。在大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)上，結(jié)冰部位一般包括整流帽罩、風(fēng)扇葉片、進(jìn)口傳感器、增壓級(jí)葉片、分流環(huán)和外涵道靜子葉片等。旋轉(zhuǎn)整流帽罩位于發(fā)動(dòng)機(jī)正前方，通常是大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰最為嚴(yán)重的部件。受旋轉(zhuǎn)引起的離心力、科氏力等外力的影響，旋轉(zhuǎn)帽罩表面的積冰過(guò)程和冰形與靜止表面存在顯著差異，這直接影響了防冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因此需要對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩表面的積冰特性進(jìn)行研究。針對(duì)4種典型型面（橢球、尖錐、前錐后橢、前橢后錐）旋轉(zhuǎn)帽罩表面的結(jié)冰類型、積冰形貌、積冰生長(zhǎng)及脫落特征開(kāi)展了冰風(fēng)洞試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了全面的對(duì)比分析，相關(guān)研究成果可直接應(yīng)用于大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口旋轉(zhuǎn)帽罩的防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證分析。

試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)件

針對(duì)旋轉(zhuǎn)部件積冰特性的研究，主要集中在螺旋槳、直升機(jī)旋翼等旋轉(zhuǎn)葉片方面，而針對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩積冰特性的研究起步較晚且公開(kāi)報(bào)道相對(duì)較少。美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）使用高靈敏度視頻圖像系統(tǒng)觀察旋轉(zhuǎn)帽罩表面積冰和冰脫落現(xiàn)象[2]，給出了表面在不同時(shí)刻的冰層圖片，初步探索了旋轉(zhuǎn)帽罩的積冰特性。同時(shí)期，俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（CIAM）在整機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)臺(tái)上針對(duì)Д-90А發(fā)動(dòng)機(jī)的整流帽罩開(kāi)展了不加熱條件下的積冰試驗(yàn)[3]，分析了積冰的物理過(guò)程和特點(diǎn)。北京航空航天大學(xué)基于歐拉方法及單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型建立了水滴撞擊模型[4]，計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件復(fù)雜表面的水滴撞擊特性。南京航空航天大學(xué)針對(duì)旋轉(zhuǎn)整流罩積冰生長(zhǎng)與脫落過(guò)程開(kāi)展了試驗(yàn)研究[5-6]。以上研究的對(duì)象多為尖錐型面旋轉(zhuǎn)帽罩，由于不同氣動(dòng)設(shè)計(jì)的需求，大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口旋轉(zhuǎn)帽罩的結(jié)構(gòu)形式有多種，旋轉(zhuǎn)帽罩表面不同的結(jié)構(gòu)特征會(huì)對(duì)水滴撞擊和積冰特性產(chǎn)生影響。因此，有必要獲得不同結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)帽罩表面的積冰特性，以合理地進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)。

在中國(guó)航發(fā)產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目的支持下，不同型面旋轉(zhuǎn)帽罩積冰特性試驗(yàn)研究在中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所的冰風(fēng)洞中開(kāi)展。冰風(fēng)洞主體由風(fēng)扇、試驗(yàn)段、噴霧裝置、整流器、蒸發(fā)器等構(gòu)成。試驗(yàn)段的橫截面直徑為600mm，進(jìn)口采用氣動(dòng)霧化噴嘴調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需的液態(tài)水含量（LWC）和平均有效水滴直徑（MVD），風(fēng)洞流速依靠調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。該冰風(fēng)洞具有模擬高空低溫結(jié)冰環(huán)境的能力，可開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)防冰部件結(jié)／防冰模擬試驗(yàn)。

為模擬旋轉(zhuǎn)條件下整流帽罩表面的積冰過(guò)程，搭建旋轉(zhuǎn)帽罩試驗(yàn)臺(tái)，結(jié)構(gòu)及在試驗(yàn)段中的安裝形式如圖1所示。由電動(dòng)機(jī)提供試驗(yàn)過(guò)程中所需的轉(zhuǎn)速，電主軸通過(guò)法蘭轉(zhuǎn)接至旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)件。不同型面的帽罩試驗(yàn)件尾部直徑（最大旋轉(zhuǎn)直徑）保持一致，采用統(tǒng)一的接口與法蘭連接，安裝在試驗(yàn)臺(tái)上。

圖1 旋轉(zhuǎn)帽罩試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)的對(duì)象為應(yīng)用于一型發(fā)動(dòng)機(jī)的全尺寸帽罩，尾部直徑約為590mm，因冰風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸的限制，無(wú)法開(kāi)展帽罩全尺寸整體模型的積冰研究?？紤]到帽罩尺寸較大時(shí)，表面水滴撞擊和積冰區(qū)域主要集中在帽罩前段。因此，根據(jù)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段的尺寸，在保證合適的阻塞比的前提下，截取全尺寸帽罩前段直徑為300mm的部分作為試驗(yàn)件簡(jiǎn)化模型進(jìn)行研究。

帽罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在綜合考慮氣動(dòng)、防冰、吞冰、吞水、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等需求的前提下確定的，型面樣式有多種。目前，經(jīng)典的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)帽罩較為常用的型面結(jié)構(gòu)有橢球、尖錐、前錐后橢、前橢后錐。圖2給出了所采用的4種型面帽罩試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)形式，4個(gè)試驗(yàn)件的尾部直徑均為300mm。由于帽罩試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的全尺寸模型的前段完全一致，且基本反映全尺寸帽罩表面的積冰特性，因此該帽罩試驗(yàn)件可認(rèn)為是全尺寸模型。試驗(yàn)件材料為鋁合金，表面粗糙度與發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)結(jié)構(gòu)一致，表面進(jìn)行陽(yáng)極化處理，且未噴涂涂層。

圖2 4種型面旋轉(zhuǎn)帽罩試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)

由于旋轉(zhuǎn)帽罩試驗(yàn)件為全尺寸模型，故試驗(yàn)中結(jié)冰條件、轉(zhuǎn)速等均采用真實(shí)參數(shù)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)及國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的海平面結(jié)冰條件，確定了試驗(yàn)狀態(tài)，分別命名為狀態(tài)1 ～狀態(tài)3，積冰試驗(yàn)時(shí)間為5min，具體的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)及試驗(yàn)參數(shù)

狀態(tài)1條件下帽罩積冰冰形

狀態(tài)1的溫度和液態(tài)水含量相對(duì)較高，因此容易產(chǎn)生明冰。圖3給出了狀態(tài)1條件下4種型面的旋轉(zhuǎn)帽罩積冰試驗(yàn)的最終冰形。

圖3 狀態(tài)1條件下4種型面旋轉(zhuǎn)帽罩積冰試驗(yàn)最終冰形

橢球帽罩表面結(jié)冰類型為明冰，積冰基本覆蓋整個(gè)表面，其中前緣附近有少量松針狀冰，前緣下游區(qū)域覆蓋小顆粒狀冰，如圖3（a）所示。

尖錐帽罩的表面積冰冰形與橢球帽罩存在顯著差異，尖錐帽罩表面存在大量積冰，積冰量遠(yuǎn)大于橢球帽罩。除前端駐點(diǎn)處表現(xiàn)出典型的明冰冰形外，幾乎整個(gè)表面上沿周向形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)則的“冰羽”，伸展方向與表面的夾角約為45°，長(zhǎng)度超過(guò)10cm，如圖3（b）所示。

前錐后橢帽罩駐點(diǎn)附近小范圍內(nèi)可觀測(cè)到明冰，而前段和中后段均勻分布著徑向突起狀?yuàn)A角為45°的“冰羽”，形狀與尖錐帽罩表面冰形相似，但長(zhǎng)度較短，為4 ～5cm。帽罩尾段積冰量較小，可清晰地觀察到溢流水流動(dòng)并凍結(jié)的痕跡，如圖3（c）所示。

前橢后錐帽罩整個(gè)表面從駐點(diǎn)處到尾段均勻覆有長(zhǎng)度為5 ～6cm的“冰羽”，長(zhǎng)度沿軸向方向有逐漸增加的趨勢(shì)，如圖3（d）所示。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)帽罩而言，由于空氣剪切力和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的共同作用，帽罩表面會(huì)形成不規(guī)則、形狀特別的冰形?！氨稹钡男纬墒怯捎谠摖顟B(tài)溫度較高，水滴撞擊到壁面后沒(méi)有馬上凍結(jié)，水滴在向后溢流的過(guò)程中受到越來(lái)越大的離心力作用，水向外、向后運(yùn)動(dòng)并在脫離表面的過(guò)程中凍結(jié)，使得帽罩表面出現(xiàn)徑向突起狀的冰，最終形成了“冰羽”。可以看出“冰羽”是在離心力和氣流剪切力的耦合作用下溢流水流動(dòng)和凍結(jié)產(chǎn)生的。

狀態(tài)2條件下面帽罩積冰冰形

狀態(tài)2的風(fēng)速和帽罩轉(zhuǎn)速都較高，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和氣流產(chǎn)生的剪切力都比狀態(tài)1要高。圖4為狀態(tài)2條件下4種型面的旋轉(zhuǎn)帽罩積冰試驗(yàn)的最終冰形。

圖4 狀態(tài)2條件下4種型面旋轉(zhuǎn)帽罩積冰試驗(yàn)最終冰形

在橢球帽罩前段約1/4的表面范圍觀察到明冰，而中后段表面存在分布不連續(xù)，表面凹凸不平的霜冰，如圖4（a）所示。這一現(xiàn)象的主要原因是：該狀態(tài)來(lái)流風(fēng)速和環(huán)境溫度較高，且帽罩轉(zhuǎn)速較大，在積冰發(fā)生的前期，撞擊在帽罩前段的過(guò)冷水滴結(jié)冰緩慢，在離心力和氣流剪切力的作用下沿帽罩表面發(fā)生周向鋪展與軸向溢流，過(guò)程中液態(tài)水部分凍結(jié)，因此在帽罩底層形成了大范圍的明冰。在中后段區(qū)域，由于旋轉(zhuǎn)半徑的增大，離心力變大，因此中后段未凍結(jié)的少量溢流水在離心力的作用下傾向于飛離帽罩表面，因此形成凹凸不平的霜冰。此外，在離心力的作用下有部分積冰發(fā)生脫落導(dǎo)致覆冰不連續(xù)。

尖錐帽罩表面積冰的冰量較小，如圖4（b）所示。與狀態(tài)1相比，該狀態(tài)下高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大的離心力，使得尖錐帽罩表面積冰發(fā)生大范圍的脫落，脫落后在表面處仍存流積冰初期形成的部分底層明冰。此外，在高轉(zhuǎn)速的離心力作用下，尖錐帽罩表面所收集到的過(guò)冷液滴也具有更大的徑向和周向運(yùn)動(dòng)速度，從而使得液滴更容易在凍結(jié)前脫離表面，抑制了“冰羽”的形成。

前錐后橢帽罩表面形成不連續(xù)的“冰瘤”，均勻地覆蓋于整個(gè)表面，冰的體積比狀態(tài)1的小，為明冰，如圖4（c）所示。

前橢后錐帽罩表面較厚的積冰集中在前緣，而且前緣處冰形存在明顯的軌跡偏轉(zhuǎn)，方向和帽罩旋轉(zhuǎn)方向一致，如圖4（d）所示。后緣由于受到的離心力增大，水滴更易飛離表面，因此積冰量比前緣小。在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，尖錐帽罩和前錐后橢帽罩表面積冰會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高發(fā)生脫落，而橢球和前橢后錐帽罩脫落冰量較小。

狀態(tài)3條件下帽罩積冰冰形

狀態(tài)3的溫度和液態(tài)水含量較低，風(fēng)速和帽罩轉(zhuǎn)速較高，為較典型的霜冰結(jié)冰條件，過(guò)冷水滴撞擊到表面后凍結(jié)速率較快，因此表面未形成“冰羽”。圖5為狀態(tài)3條件下4種型面的旋轉(zhuǎn)帽罩積冰試驗(yàn)的最終冰形。總體而言，該狀態(tài)下4種旋轉(zhuǎn)帽罩表面的積冰冰層與帽罩的原始型面幾何形狀吻合度較好。表面積冰量很小，僅在前半部分有積冰，且冰厚不足1cm，中后段無(wú)積冰。這是由于環(huán)境溫度較低，且液態(tài)水含量較小，水滴撞擊到帽罩表面后立即形成積冰，且轉(zhuǎn)速和風(fēng)速較大，液滴飛離帽罩表面的比例較高，因此積冰量相比于狀態(tài)1和狀態(tài)2較小。

圖5 狀態(tài)3條件下4種型面旋轉(zhuǎn)帽罩積冰試驗(yàn)最終冰形

結(jié)束語(yǔ)

在相同的結(jié)冰條件下，不同型面的旋轉(zhuǎn)帽罩積冰存在差異。尖錐、前錐后橢表面的“冰羽”覆蓋范圍較大，橢球帽罩表面的“冰羽”覆蓋范圍較小。尖錐帽罩和前錐后橢帽罩雖然低轉(zhuǎn)速下表面積冰量較大，但是表面積冰會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高發(fā)生脫落，而橢球和前橢后錐帽罩脫落冰量較小，因此尖錐帽罩更不易出現(xiàn)大量積冰，這與大涵道比帽罩防冰的設(shè)計(jì)要求一致，因此在帽罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可優(yōu)先考慮前部采用尖錐型面。此外，旋轉(zhuǎn)帽罩表面的積冰冰形由于離心力的存在較為特殊，會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的“冰羽”，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生較大的影響，離心力導(dǎo)致的積冰脫落過(guò)程對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)防除冰過(guò)程也十分關(guān)鍵。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)防除冰設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程中，有必要研究旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下的積冰和冰脫落特性。