某型渦軸發(fā)動機吞冰試驗方法研究

鄒寶軍 康飛 許明文 劉宇恒

摘要：為考核某型渦軸發(fā)動機對吞入一定形狀、大小和數(shù)量冰片或冰雹的能力，在地面試驗臺上模擬飛行環(huán)境對發(fā)動機進行吞冰試驗。試驗前根據(jù)《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB242-87）、《航空發(fā)動機吞冰試驗技術要求》（GJB5032-2001）和某型渦軸發(fā)動機型號規(guī)范要求對吞冰裝置進行了創(chuàng)新設計，解決了試驗中準確投冰片、冰雹的問題。同時，對試驗方法進行了可行性研究，并對某型渦軸發(fā)動機進行了吞冰試驗，得到了發(fā)動機吞冰試驗充足的數(shù)據(jù)分析資料，驗證了方法的科學性、合理性。

Abstract： In order to validate the ability of a turboshaft engine to ingest hailstones or ice chips with given shape， size and quantity， an engine ice ingestion test simulating flight condition is conducted on ground test bench. Before test， based on General Specification for Aviation Turbo-prop and Turbo-shaft Engine（GJB242-87）and Aero-engine Ice Ingestion Test Requirements（GJB5032-2001）and the Type Specification of a Turbo-shaft Engine， an unique design of the ice ingestion device is done so as to achieve accurate ice and hailstone throwing. Also， the feasibility of the test method is analyzed， A turbo-shaft engine have been tested， using the developed ice throwing device and the developed hail ingestion device respectively. Sufficient data have been obtained， validating that the hail ingestion method is scientific and reasonable.

關鍵詞：渦軸發(fā)動機;吞冰試驗;方法研究

Key words： turboshaft engine;ice ingestion test;method study

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)動機在飛行過程中遭遇進氣道積聚大量冰層突然脫落的情況或冰雹時，會引起發(fā)動機熄火、產(chǎn)生永久性的功率損失或引起發(fā)動機毀壞的主要結構的損壞。

為保證飛行安全，應對發(fā)動機進行地面吞冰試驗，對發(fā)動機性能進行鑒定[2]。

吞冰試驗分為吞冰片試驗和吞冰雹試驗[3]。本文對某型渦軸發(fā)動機吞冰試驗方法進行了深入研究，主要包括：設計和研制了制冰裝置、投冰片裝置、投冰雹裝置等主要設備，購置了快速攝影裝置，巧妙解決了試驗中進行準確投冰片、冰雹的問題;對試驗內(nèi)容和步驟進行了概述。最后，使用吞冰試驗裝置對某型渦軸發(fā)動機進行了吞冰試驗，試驗結果符合文獻[3]、[4]和發(fā)動機型號規(guī)范要求。

1? 試驗要求

根據(jù)文獻[3]、[4]和發(fā)動機型號規(guī)范要求試驗時要求車臺設備分別按以下兩種方式向發(fā)動機進口投冰：

①在發(fā)動機最大狀態(tài)，在較短時間內(nèi)向發(fā)動機進口投送一片密度為0.8～0.9g/cm3、尺寸為（228×76×6.3）mm的冰片，投送速度接近零;

②在發(fā)動機最大連續(xù)狀態(tài)，5s內(nèi)以320km/h以上的速度向發(fā)動機進口同時投送密度為0.8～0.9g/cm3的一個5cm直徑的冰雹和兩個2.5cm直徑的冰雹。

2? 試驗設備

吞冰試驗主要是模擬直升機在極端天氣條件下其發(fā)動機進口吞入一定形狀、大小和數(shù)量冰片或冰雹對發(fā)動機的影響。所以，要設計一套裝置按照一定規(guī)律在發(fā)動機進口投入冰片或冰雹，來模擬極端天氣條件。吞冰試驗設備主要包括制冰裝置、投冰片裝置、投冰雹裝置、高速攝影裝置、測試系統(tǒng)等設備。

2.1 吞冰試驗裝置

2.1.1 制冰裝置

制冰裝置主要由制冷設備和制冰模組成。冰片和冰雹由根據(jù)試驗要求制成的冰模中注入水，放入制冰設備中在冷藏模式-10℃～-20℃溫度下冷凍48h制成[3]。其中制冰模根據(jù)冰片、冰雹外形及大小尺寸進行機加工。制出來的冰通過測出體積，再通過質(zhì)量測量儀測得其質(zhì)量后，通過計算求得密度，制得的冰雹、冰塊參數(shù)如表1。

2.1.2 投冰片裝置

該裝置主要由安裝座、安裝盤、支架、組合滑道、可調(diào)拉桿、連桿、儲冰盒和電磁鐵組成，圖1為投冰片裝置結構圖。儲冰盒具有保溫、密封功能，能在室溫條件下，5分鐘內(nèi)儲存一塊冰片，保證冰片的體積、密度、強度和硬度等指標符合試驗要求。

裝置可遠程操控投放，對冰片滑入發(fā)動機進口的速度與角度能進行調(diào)節(jié)、控制。投冰時，通過遠程開關斷開電磁鐵直流電，儲冰盒在自身重力作用下發(fā)生傾轉，冰塊滑出儲冰盒，經(jīng)過組合滑道4由下滑道下邊緣以調(diào)節(jié)規(guī)定的角度與速度滑出，進入發(fā)動機進口。

2.1.3 投冰雹裝置

投冰雹裝置又稱氣體炮裝置，主要由儲氣罐、炮筒、氣室及觸發(fā)機構、速度控制系統(tǒng)、彈丸殼、管路開關等組成。

氣體炮裝置由高壓氣源通過儲氣罐對氣室注氣加壓，依靠氣室內(nèi)的高壓氣體在炮筒內(nèi)對被投物加速，以獲得所需的投射速度，如圖2。對于一定質(zhì)量的被投物，通過調(diào)節(jié)氣室內(nèi)的注氣壓力，改變投射速度。

彈丸殼用來裝填冰雹，保護冰雹不破碎又能讓冰雹在炮筒內(nèi)加速至目標速度，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分鐘。

裝置主要技術指標：

①投射速度：（50～600）km/h范圍內(nèi)可調(diào)，精度優(yōu)于2%;②炮筒有效內(nèi)徑：125mm（1個）和90mm（1個）。

裝置結構示意圖見圖3。

2.2 高速攝影裝置

高速攝影裝置主要由高速攝影機、光學鏡頭、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？姿（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，測量用的基準長度（即拍攝圖像全長）為L0，基準長度所占的像素為N0，物體運動了？駐x距離？駐t，時間間隔，則運動距離所占的像素為：

高速攝影機單位時間內(nèi)（一般為1s）拍攝的幀數(shù)，即拍攝速率？姿根據(jù)公式（3）確定。

根據(jù)公式（3），求得？姿的取值范圍為8368幅/s ～12551幅/s。當拍攝距離比較近時，？姿取較大值，當拍攝距離較遠時，？姿取較小值。

該裝置的主要功能和技術參數(shù)如下：

①相機攝像最高速度大于冰的射入速度;

②裝置能在投放冰片、冰雹前0.5s觸發(fā)拍攝;

③連續(xù)拍攝時間大于5s;

④碰撞瞬間產(chǎn)生的火花、光亮、煙霧等不會影響拍攝物的成像質(zhì)量;

⑤物體運動分析軟件能根據(jù)所存儲數(shù)據(jù)、圖像計算出運動物體速度;

⑥相機與燈組具備抗震、防抖功能，且能在高噪聲環(huán)境下穩(wěn)定工作。

3? 吞冰片、冰雹試驗設備的布局和安裝

將投冰片裝置、吞冰雹裝置、高速攝影裝置和試驗發(fā)動機合理安裝，在常規(guī)試驗基礎上，還要確保：

①投冰片裝置能把冰片精準投入發(fā)動機，氣體炮裝置能將冰雹精準射入發(fā)動機;

②攝影裝置拍攝范圍能覆蓋發(fā)動機進口和尾噴管出口（車臺原有監(jiān)控裝置滿足出口攝像要求），并能多角度全方位觀察冰片、冰雹的入射和撞擊情況。

吞冰片、吞冰雹試驗設備的布局安裝分別見圖4、圖5。

圖4中投冰裝置為框架結構，放在測功器和發(fā)動機之間，同時調(diào)節(jié)圖1中投冰裝置組合滑道4，讓冰片下滑出口對準發(fā)動機進口要求位置。

吞冰雹設備布局中，攝影裝置1（兩套）主要用來測量冰雹的速度，安裝過程中通過調(diào)節(jié)相機焦距選擇合適距離，同時調(diào)節(jié)相機角度，使相機與炮筒軸線垂直;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。

安裝完成后，對相關設備進行調(diào)試，投冰片裝置能瞬間觸發(fā)施放冰片。投冰雹裝置在安裝前進行了“放空炮”調(diào)試，氣室氣體壓力調(diào)至0.14MPa時，能保證冰雹速度320km/h以上的要求。

4? 發(fā)動機吞冰試驗程序

試驗開始前更換發(fā)動機滑油，并對發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能進行校準，記錄發(fā)動機在各狀態(tài)的功率、輸出軸扭矩、燃油消耗率、轉速、排氣溫度、大氣參數(shù)以及振動等參數(shù)，在瞬態(tài)性能錄取時還需記錄瞬變過程的時間，試驗后再次進行校準。

吞冰試驗中如果發(fā)動機工作異常，則實行緊急停車，中斷試驗。

吞冰片試驗在發(fā)動機最大狀態(tài)進行，試驗程序見圖6。

在發(fā)動機最大連續(xù)狀態(tài)進行吞冰雹試驗，試驗程序圖7。

5? 試驗結果及結論

吞冰試驗設備調(diào)試完后，分別對某型渦軸發(fā)動機進行了吞冰片、吞冰雹試驗。吞冰試驗主要試驗參數(shù)如表2。

吞冰片試驗，發(fā)動機各參數(shù)出現(xiàn)兩次波動，第一次波動持續(xù)時間6.2s，第二次波動持續(xù)時間4.5s，功率恢復時間7s，兩次波動由冰塊撞擊發(fā)動機破碎成兩塊，先后吸入發(fā)動機導致。

吞冰雹試驗，發(fā)動機各參數(shù)波動持續(xù)時間5s，功率恢復時間6s。

吞冰片、冰雹試驗后，分別對發(fā)動機進行分解檢查，未造成發(fā)動機主要結構的損壞，試驗未引起發(fā)動機熄火、喘振等現(xiàn)象。某渦軸發(fā)動機具備參考文獻[3]、[4]和發(fā)動機型號規(guī)范要求的吞入一定形狀、大小和數(shù)量冰片或冰雹的能力。

高速攝影裝置對冰雹投射軌跡、冰雹撞擊發(fā)動機前的姿態(tài)、冰雹變形破碎過程和發(fā)動機葉片變形進行了高頻高清晰的拍攝，得到了某型渦軸發(fā)動機吞冰雹試驗充足的數(shù)據(jù)分析資料，驗證了試驗方法的科學性、合理性。

參考文獻：

[1]З.Л 索絡欣.航空空氣發(fā)動機試驗[M].姚文江等譯.國防工業(yè)出版社，1982.

[2]祝耀昌，王建剛.各種環(huán)境試驗的特點及其應用分析[J].航空標準化和質(zhì)量，2004.

[3]GJB4187—2001，航空發(fā)動機吞冰試驗要求[S].

[4]GJB242—87，航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范[S].

[5]Christopher G· Demers. Large air transport jet engine design considerations for large and for flocking bird encounters[R]. East Hartford， Pratt& Whitney， 2009.