1 種民用渦軸發(fā)動機(jī)吸冰適航符合性試驗方法

陳 嶺

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)吸入其進(jìn)氣部位結(jié)冰后脫落的冰塊，可能引起功率損失、喘振、熄火、停車等問題。在CCAR 33.77 中對民用航空發(fā)動機(jī)吸冰提出了要求，其根本目的是對航空發(fā)動機(jī)在預(yù)期自然吸冰條件下進(jìn)行強(qiáng)度驗證，即驗證其不會對發(fā)動機(jī)葉片的正常工作產(chǎn)生不利影響[1-2]。

西方航空發(fā)達(dá)國家針對航空發(fā)動機(jī)吸冰問題開展了長期的數(shù)值模擬和試驗研究[3]，從20 世紀(jì)50 年代即開始對冰塊撞擊葉片的角度和撞擊位置進(jìn)行數(shù)值模擬，在冰塊撞擊特性的分析、熱載荷計算、冰形模擬等方面也積累了一些經(jīng)驗[4]，開發(fā)了一批相對成熟的吸冰數(shù)值模擬軟件，包括NASA 的LEWICE 軟件、意大利的CIR-AMIL 軟件、加拿大的FENSAP-ICE軟件，并在實際工程中應(yīng)用。開展數(shù)值模擬的同時，NASA 利用冰風(fēng)洞試驗技術(shù)來模擬真實的飛行環(huán)境，進(jìn)行了大量的結(jié)冰、吸冰試驗[5-7]。中國對發(fā)動機(jī)吸冰、結(jié)冰的研究起步較晚，而且多為發(fā)動機(jī)結(jié)冰研究。李靜[4]通過分析不同轉(zhuǎn)速對水收集系數(shù)以及結(jié)冰的影響，進(jìn)行某型發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)帽罩的3 維結(jié)冰數(shù)值模擬和試驗研究；申曉斌等[8]開展對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道短艙前緣結(jié)冰3 維模擬研究；楊軍等[9]對發(fā)動機(jī)進(jìn)口支板結(jié)冰和防冰試驗進(jìn)行了研究。在公開文獻(xiàn)中，吸冰符合性研究較少，只有曾海軍[10]對發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片結(jié)冰、吸冰適航符合性設(shè)計與驗證方法進(jìn)行了研究。隨著中國航空工業(yè)的發(fā)展，在航空技術(shù)研究領(lǐng)域投入的人力、物力和財力不斷增加，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校均開展了結(jié)冰風(fēng)洞試驗技術(shù)、防冰系統(tǒng)設(shè)計等方面的研究，并取得了一些成果[11-15]。

本文對試驗用冰、投冰系統(tǒng)及試驗程序和結(jié)果的符合性開展研究，介紹了1 種民用渦軸發(fā)動機(jī)吸冰適航符合性試驗方法。

1 試驗用冰的符合性

1.1 冰的分類

在飛行實踐中，當(dāng)所遇到的結(jié)冰飛行條件和氣象條件不同時，就會形成不同類型的結(jié)冰。各類冰的典型特征如下：

（1）毛冰。毛冰是在過冷水滴接觸飛機(jī)表面還沒來得及擴(kuò)散就完全凝結(jié)而成，通常形成于氣溫相對較低、飛行速度較慢的條件下，水滴尺寸較小、形成過程非?？?。毛冰的形狀比較規(guī)則，顏色呈灰乳白色、表面很粗糙、結(jié)構(gòu)疏松、附著力較差，對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生不可接受的影響概率較小。

（2）明冰。明冰一般在溫度較高、水滴尺寸較大、液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大、飛行速度較快條件下形成。明冰顏色透明，質(zhì)地也比其他類型的冰更硬，冰型很不規(guī)則，與表面的結(jié)合更牢固、不宜剝落，還會改變結(jié)冰部件的形狀。明冰是所有類型結(jié)冰中危害最大的。

（3）混合冰?；旌媳男纬伤俣瓤?、比較厚、表面粗糙、形狀不規(guī)則、表面凍結(jié)牢固?；旌媳鶎M(jìn)氣機(jī)匣外形會造成較大的改變，也很難脫落，一旦脫落，則會對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生很嚴(yán)重的破壞，其危害略小于明冰。

因此，為了在更加嚴(yán)酷的條件下考核發(fā)動機(jī)吸冰產(chǎn)生的影響，本文選擇明冰作為吸入物進(jìn)行試驗。

1.2 冰模設(shè)計

通過分析結(jié)冰試驗數(shù)據(jù)確定本次用冰厚度；為更嚴(yán)酷考核發(fā)動機(jī)，需盡量保持冰塊輪廓，結(jié)合進(jìn)氣網(wǎng)罩的網(wǎng)格間距，選擇正方體為試驗用冰形；綜合上述條件設(shè)計冰模，其由底盒、分離層、及4 塊冰格組成，如圖1 所示。

圖1 試驗用冰模

為讓冰塊順利通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣網(wǎng)罩的網(wǎng)格，冰模網(wǎng)格尺寸比發(fā)動機(jī)進(jìn)氣網(wǎng)罩的網(wǎng)格尺寸略小。冰?？紤]了由水制成冰過程中的物理特性后通過3D 打印而成。

由于水變?yōu)楸倪^程中具有較強(qiáng)的黏結(jié)性，導(dǎo)致脫模困難、棱角易破損等，在設(shè)計時加入超疏水分離層，分離層即為構(gòu)造超疏水表面，通過改變疏水材料表面的微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)改造表面粗糙度，達(dá)到疏水的目的。分離層的超疏水性越好，水滴在分離層表面上越接近球形，水滴的接觸面積也越小，越易從分離層表面滑落。分離層降低了冰分離的難度，提高了冰的質(zhì)量。

1.3 冰塊制作

制冰在恒定的環(huán)境溫度下進(jìn)行，在制冰過程中蒸餾水以一定速率持續(xù)冷卻降溫至相變平衡溫度，當(dāng)繼續(xù)冷卻降溫打破相變平衡溫度后持續(xù)形成冰[16]。由于測量精度所限，本文以20 ℃降至-4 ℃為例，多次測量制冰溫降數(shù)據(jù)，各測點取平均值后繪制曲線，如圖2 所示。從圖中可見，水溫約以0.21℃/min 降低，在-3℃附近溫降速率開始減緩，每單位溫度所需溫降時間變長。參考國軍標(biāo)[17]相關(guān)規(guī)定，本次試驗制冰先在-18℃的環(huán)境溫度下放置48 h 后，再在-6℃的環(huán)境溫度下放置24 h。文獻(xiàn)[4]中“水滴直徑對冰形有決定作用；隨著液態(tài)水含量增加冰霜均轉(zhuǎn)變?yōu)槊鞅薄１Ｖ票哂写笏沃睆?、液態(tài)水含量高等特點，因此制作的冰即為明冰。

圖2 制冰溫降

試驗前在常溫（日間氣溫為6～8℃）條件下開展調(diào)試：將冰塊放置在漏斗中（漏斗有保溫層）20 min 后觀察無水滴，冰塊棱角清晰未融化，質(zhì)量、溫度經(jīng)測量均滿足適航條款要求。

2 投冰系統(tǒng)的符合性

2.1 投冰裝置的符合性

該型發(fā)動機(jī)手冊規(guī)定：在任何功率狀態(tài)下，直升機(jī)進(jìn)氣道都不能在瞬間釋放超過50 g 的冰。若試驗時吸冰50 g，發(fā)動機(jī)未引發(fā)功率損失、喘振、熄火、停車等問題，則滿足CCAR33.77 條款。

投冰裝置主要由漏斗、遠(yuǎn)程控制器、閘門、及進(jìn)氣網(wǎng)罩組成。試驗前需對投冰裝置進(jìn)行調(diào)試。在靜態(tài)條件下投冰，約有22%的冰濺落在網(wǎng)罩外；在發(fā)動機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)下投冰，約有5.7%的冰濺落在網(wǎng)罩外。上述結(jié)果表明：在發(fā)動機(jī)工作時氣流對冰的軌跡有一定影響，但不能確保冰全部吸入發(fā)動機(jī)，因此吸冰符合性試驗失敗后，對投冰裝置進(jìn)氣網(wǎng)罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的投冰裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 投冰裝置及網(wǎng)罩

進(jìn)氣網(wǎng)罩增加防護(hù)網(wǎng)后可使投入的冰塊全部吸入發(fā)動機(jī)。在試驗時防護(hù)網(wǎng)對進(jìn)氣流場形成局部畸變，增加了試驗的風(fēng)險和難度，但不影響試驗結(jié)果，可滿足適航條款要求。

2.2 投冰速度的符合性

在飛行中發(fā)動機(jī)吸冰時，冰塊進(jìn)入發(fā)動機(jī)的瞬間速度為

在一般情況下，冰塊脫落后作垂直運動。由于飛行器為水平高速飛行，相對飛行器的水平速度為0，冰塊自身的下落速度可以忽略不計。在試驗時，因發(fā)動機(jī)固定不動，冰塊在發(fā)動機(jī)正上方投入進(jìn)氣網(wǎng)罩內(nèi)，冰塊的水平速度相對發(fā)動機(jī)的速度為0，垂直速度可忽略。因此在試驗時吸冰速度能模擬飛行時被吸入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的冰塊速度。

3 試驗程序及結(jié)果的符合性

3.1 試驗程序

為驗證發(fā)動機(jī)是在最大巡航功率下正面積聚最多數(shù)量的冰，試驗在發(fā)動機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)穩(wěn)定后投入全部50 g 冰。完整的試驗程序如圖4 所示。

圖4 試驗程序

3.2 試驗結(jié)果

發(fā)動機(jī)在投冰后52 s 內(nèi)吸入全部投入的50 g冰。在試驗過程中對發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速NXNH、動力渦輪轉(zhuǎn)速NXNPT、振動、渦輪進(jìn)口溫度T45M及扭矩WTRQSD進(jìn)行測量，將試驗數(shù)據(jù)整理，如圖5～7 所示。

從圖5～7 中可見，在吸冰過程中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、振動及扭矩均未明顯波動，各參數(shù)峰值均在吸冰試驗規(guī)定范圍內(nèi)；發(fā)動機(jī)未發(fā)生熄火、喘振及不可接受的損傷。

圖5 試驗轉(zhuǎn)速

圖6 試驗扭矩及溫度

圖7 燃?xì)獍l(fā)生器振動總量

33.77 條款要求試驗條件為-4 ℃，而實際試驗條件為6 ℃，由于吸冰試驗主要考核發(fā)動機(jī)吸入冰塊后壓氣機(jī)部件是否有損傷，試驗后的功率降低了0.14%滿足要求，而功率均是在換算到海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度、壓力條件下進(jìn)行對比，因此發(fā)動機(jī)功率檢查與環(huán)境溫度無關(guān)。發(fā)動機(jī)在最大連續(xù)狀態(tài)下運行時，壓氣機(jī)出口溫度接近400 ℃，在進(jìn)入燃燒室之前，冰塊經(jīng)過雙級離心葉輪的撞擊已經(jīng)氣化，對燃燒室的工作狀態(tài)和發(fā)動機(jī)熄火特性沒有影響。在發(fā)動機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)下運行時的喘振裕度差異很小，發(fā)動機(jī)有足夠的喘振裕度；同時進(jìn)口空氣流量差異很小，冰塊在發(fā)動機(jī)進(jìn)口被吸入的速度基本沒有差異。因此不管是在-4 ℃還是6 ℃條件下進(jìn)行試驗，對試驗的符合性無影響[2，15]。本次試驗滿足適航33.77 條款相關(guān)要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)飛行實踐中所遇到的飛行條件和結(jié)冰氣象條件的不同，總結(jié)了各類冰的典型特征，并選定明冰作為試驗被吸物，探索滿足符合性要求的制冰模具及制冰方法。得到以下結(jié)論：

（1）采用冰模分離層降低了冰分離的難度，提高了冰的質(zhì)量；冰塊棱角清晰未融化，其質(zhì)量、溫度測量值均滿足適航條款要求。

（2）通過靜態(tài)調(diào)試投冰裝置，進(jìn)行發(fā)動機(jī)吸冰試驗驗證：無防護(hù)網(wǎng)的進(jìn)氣網(wǎng)罩會導(dǎo)致符合性試驗失??；對進(jìn)氣網(wǎng)罩優(yōu)化設(shè)計后，可使投入的冰塊全部吸入發(fā)動機(jī)內(nèi)，保證了試驗的有效性。

（3）在試驗過程中發(fā)動機(jī)未出現(xiàn)熄火、喘振及不可接受的損傷。試驗溫差對符合性的影響分析結(jié)果表明：試驗符合33.77 條款要求。

本次試驗中由于國內(nèi)技術(shù)尚不支持疏水材料3D打印，未能進(jìn)一步降低冰塊脫模難度。同時，據(jù)查閱，中國無相關(guān)文獻(xiàn)論述冰塊與葉片撞擊有限元分析情況，因此本文缺少計算與試驗對比結(jié)果，有待進(jìn)一步研究。