某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)驗(yàn)證及試驗(yàn)點(diǎn)選取初步研究

劉創(chuàng) 袁喜岷 張偉 劉龍初 陳杰

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

飛機(jī)在飛行過程中，不可避免地會(huì)遭遇具有結(jié)冰氣象條件的云層，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)（進(jìn)氣道、進(jìn)氣部件、傳感器）可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰，進(jìn)而可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)流道堵塞、傳感器失效、壓氣機(jī)喘振、功率/推力嚴(yán)重?fù)p失、熄火等，因此，中國(guó)民用航空規(guī)章《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33R2）第33.68條明確規(guī)定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰的最低安全要求，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在取得型號(hào)合格證投入市場(chǎng)使用前，必須表明對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰條款的符合性[2]。

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已順利完成了結(jié)冰試驗(yàn)，該試驗(yàn)結(jié)合其配裝的某型直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)一起進(jìn)行；在此之前國(guó)內(nèi)還沒有渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)按照第33.68條款要求開展過進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰試驗(yàn)，因此對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)較少。

本文結(jié)合適航條款要求，對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)驗(yàn)證和試驗(yàn)點(diǎn)選取進(jìn)行初步研究，為其他型號(hào)研制提供參考。

1 適航規(guī)章對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰的要求

CCAR-33R2第33.68條的實(shí)質(zhì)要求是：

（1）針對(duì)第33.68條（a）：確保發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，可使其在結(jié)冰條件下安全運(yùn)行，且必須通過試驗(yàn)來驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰不會(huì)造成不利影響。

中國(guó)民用航空規(guī)章第29部附錄C中規(guī)定了結(jié)冰包線，即連續(xù)最大結(jié)冰（層云）和間斷最大結(jié)冰（積云）包線。在連續(xù)最大和間斷最大結(jié)冰狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行功率范圍內(nèi)的工作時(shí)，不應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上出現(xiàn)導(dǎo)致流道堵塞、傳感器失效、壓氣機(jī)喘振失速、風(fēng)扇葉片顫振、轉(zhuǎn)子不平衡、功率/推力嚴(yán)重?fù)p失、核心機(jī)損傷、熄火等的結(jié)冰情況。

（2）針對(duì)第33.68條（b）：考慮在凍霧天氣下飛機(jī)可能在很長(zhǎng)一段時(shí)間里停在跑道上等待起飛，此時(shí)積冰不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生有害影響。在規(guī)定的結(jié)冰狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在地面慢車狀態(tài)，引氣防冰，工作30min，發(fā)動(dòng)機(jī)不應(yīng)出現(xiàn)不利影響。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)工作時(shí)，盡管防冰需求熱載荷較小，但是防冰系統(tǒng)的熱量供給能力也較小，防冰系統(tǒng)可能無法滿足防冰要求，這個(gè)狀態(tài)點(diǎn)往往是防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)冰關(guān)鍵點(diǎn)。

第33.68條（b）的建立是考慮在凍霧天氣下直升機(jī)可能在很長(zhǎng)一段時(shí)間里停在地面上等待起飛，此時(shí)積冰不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生有害影響。在規(guī)定的結(jié)冰狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在地面慢車狀態(tài)，引氣防冰，工作30min，發(fā)動(dòng)機(jī)不應(yīng)出現(xiàn)不利影響。

2 結(jié)冰試驗(yàn)點(diǎn)選取

根據(jù)結(jié)冰試驗(yàn)適航條款要求，需要對(duì)結(jié)冰包線和發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線范圍內(nèi)的結(jié)冰條件比較危險(xiǎn)的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)考核，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)冰條件下具有全包線的工作能力[3]。

試驗(yàn)中所選取的結(jié)冰試驗(yàn)點(diǎn)通常包括標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)點(diǎn)和關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)兩類。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)點(diǎn)是適航條款咨詢通告推薦的試驗(yàn)點(diǎn)。由于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)點(diǎn)可能無法覆蓋所有的危險(xiǎn)結(jié)冰點(diǎn)，結(jié)冰關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)點(diǎn)的補(bǔ)充[4]。

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)前，基于直升機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型，結(jié)合結(jié)冰包線和發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線，綜合考慮影響進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰因素：大氣溫度（OAT）、平均水滴直徑（MVD）、液態(tài)水含量（MCI和IMI）、飛行速度（Vc）和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等，首次自行開展了結(jié)冰試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)仿真分析，獲取了全飛行包線內(nèi)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰量等關(guān)鍵信息（見圖1），最終確定了所有關(guān)鍵結(jié)冰試驗(yàn)點(diǎn)（見表1）。

圖1 結(jié)冰量仿真結(jié)果

表1 某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰試驗(yàn)點(diǎn)

3 試驗(yàn)件安裝

由于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)口前安裝水力測(cè)功器會(huì)影響結(jié)冰條件，目前世界各發(fā)動(dòng)機(jī)公司基本上都采用核心機(jī)代替整機(jī)進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)（如T800），某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)同樣也采用核心機(jī)進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)[5-6]。

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)冰試驗(yàn)車臺(tái)安裝狀態(tài)見圖2。

圖2 結(jié)冰試驗(yàn)車臺(tái)安裝實(shí)物圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

表2 大氣溫度對(duì)結(jié)冰量的影響

本節(jié)結(jié)合結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果分析了大氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)以及水滴直徑等因素對(duì)結(jié)冰的影響。

從表2可以看出，試驗(yàn)點(diǎn)1和試驗(yàn)點(diǎn)2大氣溫度逐漸降低，試驗(yàn)過程中進(jìn)氣壓降絕對(duì)值也逐漸降低（結(jié)冰量逐漸減小），主要是由于隨著大氣溫度降低，大氣中相應(yīng)的液態(tài)水含量逐漸減少（分別由0.7g/m3和2.4g/m3減少至0.6g/m3和2.2g/m3），因而單位時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的液態(tài)水含量也逐漸減少,導(dǎo)致了結(jié)冰量的減小。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)對(duì)結(jié)冰量的影響

從表3可以看出，試驗(yàn)點(diǎn)3和試驗(yàn)點(diǎn)1發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)逐漸增大，試驗(yàn)過程中進(jìn)氣壓降絕對(duì)值逐漸增大 （結(jié)冰量逐漸增加），主要是由于隨著發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)增大，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量逐漸增加，因而單位時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的液態(tài)水含量也逐漸增加,導(dǎo)致了結(jié)冰量的增加。

表4 水滴直徑對(duì)結(jié)冰量的影響

從表4可以看出，試驗(yàn)點(diǎn)1和試驗(yàn)點(diǎn)4水滴直徑逐漸增大，試驗(yàn)過程中進(jìn)氣壓降絕對(duì)值雖然逐漸增加，但是增加量很小，因此水滴直徑的變化對(duì)結(jié)冰量的影響較小。

5 結(jié)論

本文對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)驗(yàn)證和試驗(yàn)點(diǎn)選取情況進(jìn)行了初步研究，并結(jié)合結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果分析了大氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)以及水滴直徑等因素對(duì)結(jié)冰的影響，得到如下結(jié)論：

（1）在其他條件相同的情況下，隨著大氣溫度降低，結(jié)冰量逐漸減小。

（2）在其他條件相同的情況下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)增大，結(jié)冰量逐漸增大。

（3）在其他條件相同的情況下，水滴直徑的變化對(duì)結(jié)冰量的影響較小。