一種渦軸發(fā)動機吞冰雹裝置的設(shè)計與試驗*

鄒寶軍，許明文，劉宇恒

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引 言

航空發(fā)動機定型試驗中，環(huán)境試驗是不可缺少的重要部分[1]。發(fā)動機在飛行過程中進氣道遭遇冰雹時，會引起發(fā)動機熄火、產(chǎn)生永久性的功率損失。為保證飛行安全，在發(fā)動機研制階段有必要進行吞冰雹試驗，對發(fā)動機吞入冰雹的能力進行技術(shù)鑒定[2]。

筆者根據(jù)某渦軸發(fā)動機吞冰雹試驗要求，專門研制了一套吞冰雹試驗系統(tǒng)，并通過試驗驗證了吞冰雹試驗方法科學(xué)、合理、可操作性強，符合試驗預(yù)期。

1 試驗要求

根據(jù)國軍標(biāo)相關(guān)文件[3-4]和某渦軸發(fā)動機型號規(guī)范要求，試驗時車臺設(shè)備按以下方式向發(fā)動機進口投送冰雹[3-4]：在發(fā)動機最大連續(xù)狀態(tài)，5 s內(nèi)以350 m/s左右的速度向發(fā)動機進口同時投送密度為0.8～0.9 g/cm3的一個Φ5 cm直徑的冰雹和兩個Φ2.5 cm直徑的冰雹。

2 吞冰雹試驗裝置設(shè)計與試驗

在渦軸發(fā)動機常規(guī)試驗基礎(chǔ)上，吞冰雹試驗裝置主要包括制冰雹裝置、氣體炮(投冰雹)裝置、高速攝影裝置和冰雹密度測試設(shè)備等。

2.1 制冰雹裝置

根據(jù)試驗要求，制冰雹的關(guān)鍵是冰雹的質(zhì)量、形狀和尺寸。制冰雹裝置主要由制冷設(shè)備和制冰模組成。根據(jù)試驗要求的形狀和尺寸制成冰模，再將水注入冰模中，在制冰設(shè)備的冷藏模式-10～-20 ℃溫度下冷凍48 h制成冰雹[3]。

制冰裝置試制出來后進行制冰試驗，能在一定精度范圍內(nèi)估算出其體積，通過高精度質(zhì)量測量儀測得其質(zhì)量后，計算出密度，滿足試驗要求，試驗參數(shù)如表1所列。

表1 制得的冰雹參數(shù)

2.2 氣體炮裝置

氣體炮裝置主要由活塞氣閥氣體炮組成，包括儲氣罐、炮筒、氣室及觸發(fā)機構(gòu)、速度控制系統(tǒng)、通用附件、管路開關(guān)等，用來發(fā)射冰雹。

氣體炮發(fā)射冰雹時氣體運動分三個過程[5]： ①沖擊波的形成；②沖擊波反射的形成；③氣體推動冰雹。

控制系統(tǒng)給發(fā)射控制閥發(fā)出指令信號后，活塞帶動密封錐移動，將氣室和炮筒連通，由于氣室內(nèi)氣體的壓力、密度遠(yuǎn)大于炮筒，密封錐以較快速度打開，氣室內(nèi)氣體形成較強的沖擊波向冰雹運動(如圖1所示)，氣室內(nèi)高壓氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)換成沖擊波的動能。由于氣室容積是炮管容積的4倍以上，所以始終有:

圖1 氣體炮原理圖

P0≥P

式中：P0為氣室壓力；P為沖擊波波前壓力。

沖擊波接觸冰雹的瞬間(假設(shè)冰雹為十分堅固的物體)，對冰雹形成較強的撞擊，在撞擊過程中，冰雹的位移是個小量，可以把整個過程看成沖擊波在冰雹上發(fā)生反射[6]。

反射沖擊波后的氣體密度由雨汞紐關(guān)系得：

(1)

式中:P，P*為沖擊波前、后的壓力；P1為反射波后的壓力；γ為氣體的比熱比，對于強沖擊波，取1.4；ρ1，ρ*為分別為反射波后、沖擊波后的空氣密度。

對強沖擊波，由公式(1)得出P1/P*=3.5，說明沖擊波在冰雹上發(fā)生后，炮筒內(nèi)空氣受到強烈的壓縮，且在這個時間很短的過程中壓力會有很大提升。實際中，冰雹易碎，這樣的壓力變化使得冰雹容易破碎。

而試驗要求冰雹速度高，氣室必須在較高的壓力下工作，產(chǎn)生的強沖擊波會破壞冰雹。為了保護冰雹不破碎又能讓冰雹在炮筒內(nèi)加速至目標(biāo)速度，專門設(shè)計了冰雹彈丸殼，如圖2所示，彈丸殼外層由鋁合金制成，里層為泡沫保溫層，可以保證冰雹安裝后在溫度(-2～0)℃下保溫5 min。

圖2 冰雹彈丸殼結(jié)構(gòu)圖

炮筒口安裝彈丸殼分離器(結(jié)構(gòu)如圖3所示)，分離器通過長螺桿與炮口連接，長螺桿在炮口后端使用彈簧阻尼套筒頂住法蘭。試驗時，截住彈丸殼，冰雹由于慣性繼續(xù)以目標(biāo)速度飛向發(fā)動機入口。

圖3 彈丸殼分離器結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)通過數(shù)字采集卡對空氣炮控制壓力、發(fā)射壓力、兩個儲氣罐壓力進行實時采集，同時對儲氣罐和氣體炮上的電磁閥等閥門進行精確控制，以控制系統(tǒng)(自動)充放氣、發(fā)射、高速觸發(fā)。

為得到氣體炮裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、空氣壓力等與冰雹射出速度的關(guān)系，我們對沖擊波推動彈丸殼過程中氣流作如下三點假設(shè)：

(1) 高壓工作氣流是理想氣體，即為沒有擴散、粘度和熱傳導(dǎo)等耗散過程的氣體,其粒子之間的相互作用可忽略不計；

(2) 氣體在炮筒內(nèi)運動的摩擦力忽略不計；

(3) 彈丸在整個運動過程中氣體狀態(tài)變化是等熵運動。

根據(jù)牛頓運動定律：

(2)

由公式(2)得到：

(3)

由于p、x、v為過程量，由公式(3)得：

(4)

式中：L1為彈丸殼長度；m為彈丸質(zhì)量；D為氣體炮炮筒直徑；s為氣體炮炮筒截面積；L為氣體炮炮管長度；p為彈丸殼后氣體壓力；x為彈丸殼離開初始位置的距離；v為彈丸殼在炮筒內(nèi)的速度。

(5)

公式(5)用無量綱的炮管長度和彈丸殼長度來表達，得公式(6)：

(6)

根據(jù)公式(6)，為獲得最大彈速，應(yīng)盡量增大彈丸殼后氣體平均壓力和氣體炮炮筒的長徑比，同時盡量減小彈丸殼平均密度和彈丸殼長徑比。

氣體炮裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下，其主要部件數(shù)量及用途見表2所列。

表2 氣體炮主要部件數(shù)量及用途

(1) 投射速度：(50～600)km/h范圍內(nèi)可調(diào)，精度大于2%。

(2) 氣室設(shè)計壓力：1.6 MPa。

氣體炮裝置安裝調(diào)試完成后，進行 “放空炮”校驗。校驗前，根據(jù)公式(6)求得高壓氣室壓力值，校驗過程中檢查氣體炮系統(tǒng)的性能，對公式(6)算得的氣室壓力值進行修正。

2.3 高速攝影裝置

高速攝影裝置主要由高速攝影機、光學(xué)鏡頭、固定臺架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及圖像跟蹤系統(tǒng)等組成。用于觀察冰雹的入射軌跡、撞擊發(fā)動機前的姿態(tài)、撞擊部位、冰雹變形破碎過程等情況，并測量冰雹撞擊發(fā)動機前的瞬時速度。

高速攝影裝置測速能力主要是由其像素和幀數(shù)決定的。像素是指基本原色素及其灰度的基本編碼，是構(gòu)成數(shù)碼影像的基本單位。像素越高，定位精度越高。高速攝影機單位時間內(nèi)(一般為1s)拍攝的幀數(shù)(圖片張數(shù))，即拍攝速率λ(幅/s)。拍攝速率越高，高速運動物體位置的確定越精確。

測速時，測量用的基準(zhǔn)長度(即拍攝圖像全長)為L0，基準(zhǔn)長度所占的像素為N0，物體運動了Δx距離，時間間隔Δt，則運動距離所占的像素為：

(7)

測量物體運動速度的表達式為：

(8)

高速攝影機單位時間內(nèi)(一般為1 s)拍攝的幀數(shù)，即拍攝速率λ根據(jù)公式(9)確定：

(9)

式中：b為畫幅寬度；B為物方視場寬度(mm)；Vmax為目標(biāo)最大運動速度(mm/s)；α為目標(biāo)運動方向與膠片平面的夾角，通過標(biāo)校后可視為0；κ為攝影機快門常數(shù)，為2.9；d為膠片上允許的模量, 一般為0.02 mm～0.05 mm，取0.05 mm。

根據(jù)公式(9)，求得λ的取值范圍為8368幅/s ～12551幅/s。當(dāng)拍攝距離比較近時，λ取較大值,當(dāng)拍攝距離較遠(yuǎn)時，λ取較小值。

3 吞冰雹試驗設(shè)備的布局與調(diào)試

調(diào)試前，根據(jù)試車臺結(jié)構(gòu)進行合理布局(如圖4)，既要保證冰雹以要求的速度送入發(fā)動機目標(biāo)位置，還要保證高速攝影裝置拍攝到位、測速準(zhǔn)確。

布局中(見圖4)，攝影裝置1(兩套)主要用來測量冰雹的速度，攝影裝置2(1套)主要用來對冰雹撞擊發(fā)動機前的姿態(tài)、撞擊部位、葉片變形和冰雹變形破碎過程等進行高速圖像采集。

圖4 吞冰雹試驗布局圖

攝影裝置1在安裝過程中應(yīng)結(jié)合2.3節(jié)內(nèi)容保證合適的距離，同時調(diào)節(jié)相機的角度，使相機與炮筒軸線垂直(確保公式(9)中的α角為0)。

相機調(diào)節(jié)完成后，固定相機，用標(biāo)尺對相機進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法：沿發(fā)射軌跡布置標(biāo)尺(由于冰雹速度相對于炮口與發(fā)動機距離來說足夠大，標(biāo)尺可沿炮筒軸線布置)，通過相機記錄拍攝圖像，讀取圖像上的尺寸刻度，從而得到每一像素點具體長度尺寸。保持相機在此位置狀態(tài)，進行試驗測量。

安裝完成后，對相關(guān)設(shè)備進行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如表3所列。調(diào)試中，設(shè)置速度為350 km/h(將兩氣室高壓氣體壓力調(diào)至0.14 MPa)，實測速度為高速攝影裝置測得的速度，速度滿足試驗要求。

表3 吞冰雹試驗裝置調(diào)試參數(shù)

試驗過程中應(yīng)控制好時間，保證高速攝影裝置在氣體炮觸發(fā)發(fā)射前0.5 s觸發(fā)工作。為了讓高速攝影裝置攝像效果更好，可以參考國外吞鳥試驗的做法：將發(fā)動機進口及第一級動葉噴涂成反光性好的白色[7]。

4 結(jié) 語

設(shè)備安裝調(diào)試完成后，對某渦軸發(fā)動機進行了吞冰雹試驗。試驗設(shè)置發(fā)射速度為350 m/h左右，實測速度誤差0.25%(高速攝影裝置測速誤差一般不超過1%，所以冰雹速度滿足參考文獻[3]、[4]和發(fā)動機型號規(guī)范的要求。發(fā)動機吞冰雹過程中，各參數(shù)劇烈波動時間持續(xù)5s，功率恢復(fù)時間約6 s，驗證了此試驗方法的科學(xué)性和合理性。具有較好的實際應(yīng)用價值和指導(dǎo)意義，對其它型號發(fā)動機類似試驗具有一定的參考價值。