直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

林森什，胡路平，葉宇琛

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)穿過含有過冷水汽等具有結(jié)冰氣象條件的云層時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)冰對發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作是極其不利的，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰會改變進(jìn)氣氣流通道的形狀，減小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣面積，增加總壓損失，甚至堵塞進(jìn)氣道，造成發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作，引起飛行事故[1]；在發(fā)動(dòng)機(jī)和直升機(jī)振動(dòng)的作用下，進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰層可能會脫落進(jìn)入壓氣機(jī)而損傷發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，造成機(jī)械事故。在民用直升機(jī)的適航規(guī)章CCAR-27-R1《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》的§27.1093條款進(jìn)氣系統(tǒng)防冰和CCAR-29-R1《運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定》的§29.1093條款進(jìn)氣系統(tǒng)防冰中，都明確要求直升機(jī)研制過程中須證明直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)在結(jié)冰情況下有保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的能力。因此,采用有效的方法驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰情況下的工作能力是直升機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

研究直升機(jī)結(jié)冰與防除冰的試驗(yàn)手段通常有冰風(fēng)洞試驗(yàn)、地面結(jié)冰試驗(yàn)和飛行結(jié)冰試驗(yàn)。冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確模擬結(jié)冰氣候條件的各種參數(shù)，具有成本較低，易于控制的優(yōu)點(diǎn)。飛行結(jié)冰試驗(yàn)包含干空氣飛行試驗(yàn)、模擬結(jié)冰飛行試驗(yàn)和自然結(jié)冰飛行試驗(yàn)。雖然飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高，特別是搭載平臺試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，卻是驗(yàn)證飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)/進(jìn)氣道防冰有效性的最佳途徑。地面結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)M自然結(jié)冰情況下的大氣條件，以進(jìn)行接近真實(shí)環(huán)境的結(jié)冰研究。國外通常采用地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)來驗(yàn)證直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰情況下的工作能力[2]。國內(nèi)通常采用地面噴灑塔模擬不同結(jié)冰環(huán)境條件，進(jìn)行進(jìn)氣道結(jié)冰試驗(yàn)。

本文選取某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行冰風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)件及進(jìn)氣道模型如圖1和圖2所示。試驗(yàn)針對CCAR-29.1093(b)要求的狀態(tài)點(diǎn)結(jié)冰特性進(jìn)行研究。本試驗(yàn)不僅驗(yàn)證了該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)能夠滿足適航規(guī)章的要求，同時(shí)還得到了一系列關(guān)于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰的結(jié)論，為后續(xù)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證提供依據(jù)和幫助。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 進(jìn)氣道模型

1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對象包含了一套直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、機(jī)身前緣整流罩、某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)以及試驗(yàn)夾具，其中進(jìn)氣系統(tǒng)包含進(jìn)氣防護(hù)網(wǎng)(具有旁通功能)和一個(gè)帶有集氣室的進(jìn)氣道。

1.1 結(jié)冰參數(shù)

直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰特性主要受大氣溫度、飛行速度、水滴平均有效直徑(MVD)、壓力(高度)、液態(tài)水含量(LWC)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)影響。CCAR-29附錄C中給出了結(jié)冰的天氣條件，包含連續(xù)最大結(jié)冰(CMI)和間斷最大結(jié)冰(IMI)兩種自然結(jié)冰天氣條件，表1為選定的狀態(tài)點(diǎn)的結(jié)冰大氣條件。其中狀態(tài)點(diǎn)1-5和狀態(tài)點(diǎn)10模擬CCAR-29附錄C中規(guī)定的大氣條件。飛行速度選擇最大飛行速度77.3m/s、巡航速度41.2m/s、單發(fā)停車下飛行速度41.2m/s。狀態(tài)點(diǎn)1是參考點(diǎn)，狀態(tài)點(diǎn)2用來評估速度的影響，狀態(tài)點(diǎn)3用來評估MVD的影響，狀態(tài)點(diǎn)4.1和狀態(tài)點(diǎn)4.2用來評估溫度的影響。狀態(tài)點(diǎn)5和狀態(tài)點(diǎn)10用來評估高度的影響。狀態(tài)點(diǎn)2、狀態(tài)點(diǎn)6相比較來評估發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響。狀態(tài)點(diǎn)7.1和狀態(tài)點(diǎn)7.2是CCAR-29.1093(b)(2)要求的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)地面開車狀態(tài)，其中狀態(tài)點(diǎn)7.2需要在-1℃以下進(jìn)行，同時(shí)狀態(tài)點(diǎn)7.1和7.2對應(yīng)的前飛速度為0，因此試驗(yàn)時(shí)冰風(fēng)洞的來流速度必須越低越好。狀態(tài)點(diǎn)8模擬了單發(fā)停車狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰情況，狀態(tài)點(diǎn)9模擬了起飛功率狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰情況。

表1 選定的結(jié)冰參數(shù)

1.2 交替結(jié)冰周期與噴水時(shí)間

直升機(jī)在云層中的飛行時(shí)間主要由云層的水平距離確定，水平距離越大，直升機(jī)在云層中的飛行時(shí)間就越長，相應(yīng)的結(jié)冰時(shí)間也會增加。連續(xù)最大結(jié)冰標(biāo)準(zhǔn)水平云層距離為32km，當(dāng)直升機(jī)速度為77.3m/s時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為6.9min；當(dāng)直升機(jī)飛行速度為41.2 m/s時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為12.9min。間斷最大結(jié)冰標(biāo)準(zhǔn)水平云層距離為5km，當(dāng)直升機(jī)速度為77.3m/s時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為1.1min；當(dāng)直升機(jī)飛行速度為41.2 m/s時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為2min。為真實(shí)模擬直升機(jī)飛行中偶含過冷水滴云層的情況，連續(xù)最大結(jié)冰條件和間斷最大結(jié)冰條件試驗(yàn)應(yīng)交替進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)周期選取AC-29-2C運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定咨詢通告要求中規(guī)定的“在指定結(jié)冰情況下保持30min”。

1.3 試驗(yàn)過程

在噴水之前需將發(fā)動(dòng)機(jī)功率穩(wěn)定在給定值。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至地慢狀態(tài)并保持穩(wěn)定，把試驗(yàn)參數(shù)(溫度、高度、速度和相對濕度)設(shè)置到給定的值，將發(fā)動(dòng)機(jī)加速到試驗(yàn)點(diǎn)給定的功率值，噴水過程中需保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率穩(wěn)定。噴水結(jié)束后降低風(fēng)洞風(fēng)度，結(jié)束試驗(yàn)。圖3為試驗(yàn)結(jié)束后的進(jìn)氣防護(hù)網(wǎng)結(jié)冰照片。

圖3 進(jìn)氣防護(hù)網(wǎng)結(jié)冰圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

直升機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響情況主要用進(jìn)氣道總壓損失系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能來衡量?？倝簱p失系數(shù)越大，說明進(jìn)入進(jìn)氣道的氣體能量損失越大，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。結(jié)冰過程中，防護(hù)網(wǎng)結(jié)冰導(dǎo)致直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的總壓損失系數(shù)增大，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。在真實(shí)飛行情況下，直升機(jī)通過增加燃油供給來維持功率恒定，直到發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到限制。發(fā)動(dòng)機(jī)限制主要考慮燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速(NG)和燃?xì)鉁u輪后溫度(ITT)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到自己的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨著壓力損失的增大而減少。表2給出了發(fā)動(dòng)機(jī)的限制。

瞬態(tài)總壓損失系數(shù)定義：

(1)

其中，PC為進(jìn)氣道入口總壓，P1為t時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口網(wǎng)格下部的總壓。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)限制

2.1 速度

速度的影響試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，來流速度增加，保證相同發(fā)動(dòng)機(jī)功率下燃?xì)鉁u輪后溫度(ITT)、燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速(NG)和最大總壓損失(DP)max均增大，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，但是燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速(NG)和燃?xì)鉁u輪后溫度(ITT)并未超限，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然正常工作。當(dāng)來流速度增加時(shí)，來流中水滴相對于直升機(jī)的速度增加，過冷水滴更不易隨空氣的流動(dòng)而偏轉(zhuǎn)，正對著來流方向的進(jìn)氣網(wǎng)結(jié)冰情況更嚴(yán)重，氣流翻過結(jié)冰后進(jìn)氣網(wǎng)進(jìn)入進(jìn)氣道帶來的損失更大，導(dǎo)致最大總壓損失增大。同時(shí)，速度增加也會導(dǎo)致進(jìn)氣道入口處溢流加劇，使得在集氣室中氣流方向發(fā)生改變的能量損失更大，同樣會使最大總壓損失增大。

表3 速度的影響

2.2 水滴平均有效直徑(MVD)

水滴平均有效直徑的影響試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，當(dāng)水滴平均有效直徑(MVD)增加時(shí)，水滴的慣性增大，過冷水滴更容易和直升機(jī)相碰，正對著來流方向的防護(hù)網(wǎng)結(jié)冰情況更嚴(yán)重。CCAR-29附錄C規(guī)定，大氣結(jié)冰狀態(tài)由大氣溫度、云層液態(tài)水含量(LWC)和水滴平均有效直徑(MVD)共同確定，當(dāng)水滴平均有效直徑(MVD)增大時(shí)，液態(tài)水含量(LWC)相應(yīng)減小。所以，在按照CCAR-29附錄C進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，相同發(fā)動(dòng)機(jī)功率下，最大總壓損失(DP)max并不會增加太多，燃?xì)鉁u輪后溫度(ITT)、燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速(NG)相差不大，發(fā)動(dòng)機(jī)性能基本不變。

表4 水滴平均有效直徑(MVD)的影響

2.3 大氣溫度

大氣溫度的影響試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，CCAR-29附錄C規(guī)定，大氣結(jié)冰狀態(tài)由大氣溫度、云層液態(tài)水含量(LWC)和水滴平均有效直徑(MVD)共同確定。當(dāng)大氣溫度 (TS) 改變時(shí)，相同水滴平均有效直徑(MVD)下的液態(tài)水含量(LWC)也會改變。在按照CCAR-29附錄C進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，降低大氣溫度值，液態(tài)水含量(LWC)值也會降低。所以在相同發(fā)動(dòng)機(jī)功率下，降低大氣溫度值，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)對應(yīng)的總壓損失改變不大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)基本相同。

表5 大氣溫度的影響

2.4 飛行高度

飛行高度的影響的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，當(dāng)飛行高度增加時(shí)，大氣壓力降低，空氣密度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，相同的功率需求下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪后溫度(ITT)和燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速(NG)都有增加。但是在相同的大氣溫度、云層液態(tài)水含量(LWC)和水滴平均有效直徑(MVD)條件下，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰情況相同，最大總壓損失(DP)max基本不變。相同高度下，降低大氣溫度值至-30℃，發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高。

表6 飛行高度的影響

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)功率

發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響的試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要更大的進(jìn)氣量來維持功率穩(wěn)定，進(jìn)入直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部的氣流增加。在相同的結(jié)冰氣候條件下，隨著進(jìn)氣流量的增加，進(jìn)氣防護(hù)網(wǎng)結(jié)冰情況加劇，從而導(dǎo)致最大總壓損失(DP)max增加。同時(shí)，進(jìn)氣量的增加導(dǎo)致進(jìn)入進(jìn)氣道的氣流速度加快，使得在集氣室中氣流方向發(fā)生改變的能量損失更大，同樣會導(dǎo)致總壓損失(DP)max的增大。

2.6 其它狀態(tài)點(diǎn)

其它狀態(tài)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，狀態(tài)點(diǎn)7.1和狀態(tài)點(diǎn)7.2模擬地慢狀態(tài)下直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。從得到的數(shù)據(jù)可以看出，在整個(gè)結(jié)冰試驗(yàn)過程中，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，進(jìn)氣系統(tǒng)最大總壓損失(DP)max較小。狀態(tài)點(diǎn)9用來模擬起飛功率狀態(tài)下的直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從得到的數(shù)據(jù)可以看出，在整個(gè)結(jié)冰試驗(yàn)過程中，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定。

表7 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響

表8 其它狀態(tài)點(diǎn)

3 結(jié)論

本試驗(yàn)是針對直升機(jī)適航取證中的防冰要求進(jìn)行的試驗(yàn)，對后續(xù)直升機(jī)在適航取證過程中驗(yàn)證防冰功能提供了參考。通過試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論：

1)該直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行功率范圍內(nèi)正常工作，在進(jìn)氣防護(hù)網(wǎng)結(jié)冰的情況下，旁通開口能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的要求；

2)在結(jié)冰大氣中，當(dāng)直升機(jī)飛行速度增加時(shí)，最終的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)氣系統(tǒng)總壓損失比未結(jié)冰狀態(tài)增加更快，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降更大；

3)在結(jié)冰大氣中，當(dāng)飛行高度增加時(shí)，大氣壓力降低，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，但是在其他條件相同時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰引起的總壓損失變化不大。