航空發(fā)動機吞水試驗方法研究

李長暉

摘要：飛機在飛行中由于氣象條件的變化，導致發(fā)動機進口可能吸入大量的雨水，這將會改變發(fā)動機的工作狀態(tài)，可能造成發(fā)動機熄火、喘振、機械損壞，甚至嚴重的推力損失。為了模擬吞水對發(fā)動機性能和穩(wěn)定性的影響，開展航空發(fā)動機吞水試驗技術(shù)研究，本文梳理了航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范、航空發(fā)動機適航標準的相關(guān)要求，分析了不同類型飛機的使用條件，明確了不同用途的發(fā)動機吞水試驗依據(jù)標準和方法。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;吞水;試驗方法

前言

空中13km以下大氣環(huán)境條件下，存在著體積不同、含水量不等的各種云層，當飛機穿越云層或在云層中做較長時間飛行時，發(fā)動機會吸入含有液態(tài)水的空氣。如果遇到的是正在下雨的云層，則不但吸入的液態(tài)水量大，且液態(tài)水會呈不均勻分布地進入發(fā)動機。暴雨天時，飛機起飛、著陸通過跑道上的積水以及飛機頭部輪子濺起的水，都可能被吸入發(fā)動機。過量液態(tài)水的吞入，會對發(fā)動機工作特性產(chǎn)生影響。如果液態(tài)水量較大，會使燃油氣化困難，燃油氣化物不易點燃，嚴重時有可能使燃燒室熄火。此外，不均勻地吸入液態(tài)水又會引起機匣的變化，進而導致葉片間隙發(fā)生變化，可能會使部件效率下降發(fā)動機性能水平降低，或由于間隙過小導致葉尖磨損，將對發(fā)動機工作可靠性產(chǎn)生不良影響。因此，有必要在飛行前，對發(fā)動機吞水能力進行充分的考核驗證，保證發(fā)動機使用安全。

本文對國外成熟發(fā)動機的吞水試驗方法進行了研究，梳理了目前國內(nèi)常用的吞水試驗相關(guān)考核試驗標準，針對不同用途的飛機發(fā)動機，分析了相關(guān)的試驗方法，為后續(xù)航空發(fā)動機吞水試驗提供支撐和借鑒。

1.國外發(fā)動機吞水試驗介紹

1.1 PW4000發(fā)動機

PW公司研發(fā)的PW4000發(fā)動機吞水試驗，是在地面試驗臺上采用兩個獨立控制的噴水系統(tǒng)，其中一個系統(tǒng)安裝在靠發(fā)動機中心線位置（見圖1）向內(nèi)涵噴水。該系統(tǒng)共有兩個噴嘴，一個噴嘴用于慢車狀態(tài)狀態(tài)下噴水，另一個噴嘴在起飛狀態(tài)下噴水;第二個系統(tǒng)沿風扇外涵風扇前方布置，共8個噴嘴，其中4個在慢車狀態(tài)時噴水，在起飛狀態(tài)時8個噴嘴同時噴水。試驗時在慢車和起飛狀態(tài)各運行了3min，供水設(shè)備比較簡單，可用水箱儲水，也可用泵連續(xù)供水，供水系統(tǒng)包括閥門、過濾器和流量計等，使用軟化水或蒸餾水以避免發(fā)動機熱部件積垢[1]。

1.2 BR710發(fā)動機

根據(jù)適航要求，BR710發(fā)動機吞水試驗必須在最大起飛推力和進場慢車狀態(tài)下進行。該試驗在地面試驗臺上進行，通過1個裝在發(fā)動機前面的多噴嘴噴射柵格向發(fā)動機噴射適當形式和數(shù)量的水來實現(xiàn)。

在進行最大起飛推力吞水試驗期間，發(fā)動機加速到最大狀態(tài)，穩(wěn)定2min，接著吞水3min，然后再減速到低速慢車。在試驗中，發(fā)動機吞水量為7297g/h（27619L/h），大約占發(fā)動機空氣流量的4.5%;發(fā)動機推力損失為530lb（3.8%），監(jiān)視器檢查和常規(guī)檢查都沒有發(fā)現(xiàn)問題。油樣分析表明：含水量與試驗前采樣相比有輕微變化;最大起飛推力在吞水試驗前和試驗后沒有明顯惡化。

在進場慢車狀態(tài)吞水試驗期間，發(fā)動機工作在慢車推力狀態(tài)，模擬吞水3min，然后加速到部分推力（5%以上的放氣閥關(guān)閉），在230.17lb/in2壓力下，吞水量保持在20039g/h（75848L/h）;當監(jiān)測到1個穩(wěn)定的N2信號時，從部分推力減速到慢車，隨后停止噴水，監(jiān)視器檢查沒有發(fā)現(xiàn)問題。油樣分析表明：含水量同試驗前的相比偏高，但仍在可接受的限制值內(nèi);發(fā)動機性能在吞水試驗前和試驗后沒有明顯惡化。目視和光學檢查儀檢查發(fā)現(xiàn)，少量和大量吞水試驗都沒有發(fā)現(xiàn)發(fā)動機有任何的損壞和腐蝕。

1.3 CFM56發(fā)動機

CFM56發(fā)動機吞水試驗是按適航的要求進行的，滿意的指標為：在慢車、起飛運轉(zhuǎn)，增加和減少水量至少4%發(fā)動機空氣流量;試驗后無持續(xù)的推力損失，并且發(fā)動機不需要停車。試驗首先在發(fā)動機試驗前校準噴水器;同時進行取證及工程試驗;慢車試驗包括最小慢車及空中慢車;經(jīng)常按手冊起動至慢車;錄取試驗前的發(fā)動機性能作為基本性能。

試驗設(shè)備要求均勻、寬范圍水量噴水器10至400 gpm以上;蒸餾水可控制水滴大小的內(nèi)部混合霧化噴嘴。

穩(wěn)態(tài)：正常起動及暖機;發(fā)動機加速到試驗點，穩(wěn)定3min后讀取數(shù)據(jù);啟動噴水裝置-所有噴水槍覆蓋進氣道時進行;系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)3min后讀取數(shù)據(jù);在達到規(guī)定的時間后，關(guān)閉噴水裝置，穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。

瞬態(tài)：正常起動及暖機;發(fā)動機加速到起飛點，穩(wěn)定3min后讀取數(shù)據(jù);啟動噴水裝置（4% T.O.）-使系統(tǒng)穩(wěn)定;1min內(nèi)減速到進場慢車，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)3min后讀取數(shù)據(jù);1min內(nèi)加速到起飛點，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)5min后讀取數(shù)據(jù);關(guān)閉噴水裝置。

需要注意的是，CFM56發(fā)動機雖然滿足了適航的要求，通過FAA的審定，但是裝機后出現(xiàn)多起吞入雨水造成發(fā)動機空中停車喪失推力的故障，CFM公司針對此種情況仍然對發(fā)動機進行了改進，提高核心機的排水能力，改進后的發(fā)動機裝在飛行臺上又進行了噴水試驗。改進措施還被用于GE90和V2500發(fā)動機上。

2.目前我國吞水試驗相關(guān)標準

2.1 航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范

試驗發(fā)動機按GJB 4877-2003規(guī)定進行吞入大氣中液態(tài)水試驗。當發(fā)動機以最大推力狀態(tài)工作時，把占總空氣總質(zhì)量流量2.0 %、3.5 %和5.0 %的水（液態(tài)和氣態(tài)）引進發(fā)動機進口，其中有50 %的液態(tài)水進入1/3的進口扇形面積。發(fā)動機在上述每一條件下工作5 min后，再在慢車狀態(tài)重復(fù)上述程序。在試驗中，注意和記錄吞入水對發(fā)動機性能的影響，試驗結(jié)束時將發(fā)動機停車，并冷卻到環(huán)境溫度，然后再進行試驗后的性能檢查。性能檢驗后，將發(fā)動機完全分解、檢驗。如發(fā)動機保持了適當?shù)拈g隙、在試驗中未發(fā)生損傷或有害擦傷、性能未惡化、燃氣流路中的零件未受到損傷，則認為滿意地完成了驗證3.8.6.5的要求。

2.2 航空發(fā)動機適航標準

每型發(fā)動機必須證明當其突然遭遇濃度達到規(guī)定的審查標準的雨和冰雹時，在其整個規(guī)定的工作包線范圍內(nèi)仍有可接受的工作能力。發(fā)動機可接受的工作能力是指在任何連續(xù)3分鐘的降雨周期內(nèi)，和任何連續(xù)30秒的降冰雹周期內(nèi)，發(fā)動機不熄火、不降轉(zhuǎn)、不發(fā)生持續(xù)或不可恢復(fù)的喘振或失速、或不失去加速和減速的能力。還必須證明吸入之后沒有不可接受的機械損壞，不可接受的推力損失或其他不利的發(fā)動機異常情況。

3.吞水試驗方法

不同類型的航空發(fā)動機吞水試驗考核方面有較大的區(qū)別，主要與飛機的用途有關(guān)。

3.1 軍機發(fā)動機

軍機包含了殲擊機、轟炸機、殲擊轟炸機、強擊機反潛巡邏機等多種機型，多數(shù)機型均具有速度快、機動性好的特點，與民機相比，軍機常采用大攻角飛行，變換各種飛行姿態(tài)，進氣條件不穩(wěn)定。

在吞入雨水時，由于進氣條件不穩(wěn)定，同時進氣道較長，雨水可能會在進氣道下部聚集，因此在考核時，盡可能模擬出真實的使用環(huán)境，通常采用國軍標規(guī)定的考核方法，在發(fā)動機進口下部的扇形區(qū)域加嚴雨水吸入量的考核。

3.2 民機發(fā)動機

民用飛機首要滿足安全性的使用需求，機動性一般，飛行過程中無大攻角飛行。目前國際上的民機發(fā)動機多為大涵道比發(fā)動機，與軍機發(fā)動機相比，大涵道比發(fā)動機進氣道相對較短，進氣條件相對穩(wěn)定，雨水不會在進氣道下部聚集，因此在考核時，通常采用適航標準規(guī)定的考核方法，按照均勻進水的方法進行考核。

結(jié)束語

航空發(fā)動機配裝飛機在使用過程中可能吸入大量的雨水，對發(fā)動機的正常使用和飛行安全帶來一定的影響。在發(fā)動機研制期間，應(yīng)根據(jù)飛機不同的用途，依據(jù)相應(yīng)的標準，對發(fā)動機進行相應(yīng)的吞水考核，保證飛行安全。

參考文獻

[1] 馬慶祥.航空發(fā)動機地面模擬吞水試驗[J].燃氣渦輪試驗與研究，2002.15（4）：43-44.