防砂裝置結(jié)冰特性的實(shí)驗(yàn)研究

劉冬冬，李星萍，胡路平，王輝

（中國航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，天津 300000）

1 前言

直升機(jī)作為可垂直起降的空中平臺(tái)，具有受地形限制較弱、飛行較靈活的特點(diǎn)。但在近地面起飛及著陸時(shí)，將不可避免地?fù)P起大量砂塵，這些異物若被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，將有可能對發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行造成極大威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車，直接影響直升機(jī)飛行安全。因此，防砂裝置就成了直升機(jī)飛行時(shí)需要考慮的安全措施之一。

防砂裝置作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前端的防護(hù)設(shè)備，必須具有高分離效率及低壓損的特點(diǎn)，同時(shí)，還要符合適航規(guī)章中在最大連續(xù)和間斷結(jié)冰環(huán)境中安全飛行的能力。目前關(guān)于直升機(jī)防冰的研究主要集中于直升機(jī)進(jìn)氣道及旋翼的結(jié)冰研究。2017年，汪濤等人提出了一種基于冰霧噴灑塔的進(jìn)氣道防冰試驗(yàn)方法，并對其進(jìn)行了驗(yàn)證，表明了該方法的有效性。何潔等人通過仿真及試驗(yàn)的方法對某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行了熱氣防冰的研究，表明可通過控制熱氣溫度與流量實(shí)現(xiàn)防冰需求。2019年，林森什等人結(jié)合適航規(guī)章和國內(nèi)外的進(jìn)氣道結(jié)冰試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種考察進(jìn)氣道結(jié)冰對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)，探索了結(jié)冰參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的規(guī)律。

關(guān)于防砂裝置結(jié)冰特性及規(guī)律的研究現(xiàn)在還較少，為研究防砂裝置結(jié)冰對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及直升機(jī)飛行的影響，首先，需要了解防砂裝置的防冰特性，本文采用冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對風(fēng)速、溫度及液態(tài)水含量進(jìn)行了研究，詳細(xì)考察了三種因素對防砂面板表面積冰的冰形及內(nèi)部壓力變化的影響，對防砂裝置的防冰設(shè)計(jì)及分析提供了指導(dǎo)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由防砂裝置面板及相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)組成，防砂面板如圖1所示，考慮到渦旋管與來流方向呈90°時(shí)，面板的迎風(fēng)面不可避免的會(huì)造成一定繞流，為了減小繞流對防砂面板結(jié)冰的影響，在面板迎風(fēng)面設(shè)置導(dǎo)流罩使繞流大部分流向面板兩側(cè)。面板背面圓孔連接抽氣管道用以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，在面板內(nèi)壁設(shè)有測壓孔以連接測壓管道。

圖1 防砂裝置面板結(jié)構(gòu)示意圖

航空工業(yè)氣動(dòng)院提供了實(shí)驗(yàn)段為0.6m×0.6m×2.7m的風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該風(fēng)洞通過控制、調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制及調(diào)節(jié)目標(biāo)馬赫數(shù)，可實(shí)現(xiàn)的馬赫數(shù)范圍為0.15～1.6。風(fēng)洞通過制冷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境，滿足結(jié)冰實(shí)驗(yàn)需求，目前可實(shí)現(xiàn)的總溫范圍為233K～333K。同時(shí)，風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)能夠產(chǎn)生滿足FAR25部附錄C規(guī)定的水滴直徑和液態(tài)水含量的云霧條件。目前校測可實(shí)現(xiàn)的水滴直徑范圍為17～35μm，液態(tài)水含量的范圍為0.42～3g/m3。

3 結(jié)果和討論

本文通過冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)探究了風(fēng)速、溫度及液態(tài)水含量對結(jié)冰的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同的工況下，防砂面板表面結(jié)冰的增長具有一定的規(guī)律性，雖然受風(fēng)速、溫度及液態(tài)水含量的影響使得結(jié)冰厚度及冰型大小不一，但結(jié)冰位置及結(jié)冰過程大致相同，均是先從面板后部的渦旋管周圍開始結(jié)冰，且只沿渦旋管外圍斜向上生長，隨著時(shí)間變化積冰逐漸向前蔓延，在到一定厚度后保持穩(wěn)定，最終在表面形成后半部分結(jié)冰較厚、前半部分結(jié)冰較薄的錐形的冰層。

3.1 風(fēng)速對結(jié)冰的影響

為考查風(fēng)速對面板表面結(jié)冰的影響，選擇風(fēng)洞風(fēng)速為80m/s，68m/s和40m/s進(jìn)行對比。此時(shí)，液態(tài)水含量均為1 g/m3，水滴有效直徑為20μm，溫度為-5℃。

圖2 和圖3分別示出了三種風(fēng)速下防砂面板表面的結(jié)冰情況和內(nèi)部的壓力變化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，風(fēng)速越低結(jié)冰越嚴(yán)重，在風(fēng)速為40m/s時(shí)，面板表面的積冰最多，結(jié)冰最嚴(yán)重，同時(shí)該風(fēng)速下面板內(nèi)部壓力先升高后降低，最終基本穩(wěn)定在與未發(fā)生結(jié)冰時(shí)持平的狀態(tài)。速度升高時(shí)，面板表面積冰減少，同時(shí)面板內(nèi)部的壓力有少量增高現(xiàn)象，說明低風(fēng)速時(shí)對防砂面板進(jìn)氣更為有利。

圖2 風(fēng)速分別為80m/s、68m/s、40m/s下的冰形

圖3 風(fēng)速分別為80m/s、68m/s、40m/s時(shí)內(nèi)部壓力變化情況

3.2 溫度對結(jié)冰的影響

為考查溫度對防砂面板表面結(jié)冰的影響，選擇溫度分別為-5℃，-9℃，-20℃，-30℃進(jìn)行對比。此時(shí)，液態(tài)水含量均為1g/m3，水滴有效直徑為20μm，風(fēng)速為40m/s。

圖4 和圖5分別示出了不同溫度下防砂面板的結(jié)冰情況和內(nèi)部的壓力變化。從圖中可以看出，隨溫度降低，面板的結(jié)冰速度和結(jié)冰厚度都有所增加。面板內(nèi)部的壓力在溫度為-5℃時(shí)內(nèi)部壓力先增加后降低，最終基本恢復(fù)至結(jié)冰前的狀態(tài)并保持穩(wěn)定。在溫度為-9℃、-20℃和-30℃時(shí)，壓力也有一個(gè)初步上升過程，之后持續(xù)下降，但下降幅度不大，即使在-20℃工況下持續(xù)結(jié)冰120min的情況下，壓力下降也不大于3KPa。觀察冰形發(fā)現(xiàn)，結(jié)冰先從渦旋管后緣開始，冰形基本呈蜂窩或松塔狀，有很多空隙，這為面板進(jìn)氣構(gòu)建了獨(dú)特的“輸氣通道”，因此，壓力呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

圖4 溫度分別為-5℃、-9℃、-20℃、-30℃下的冰形

圖5 溫度分別為-5℃、-9℃、-20℃、-30℃時(shí)內(nèi)部壓力變化情況

3.3 液態(tài)水含量對結(jié)冰的影響

為考查液態(tài)水含量對防砂面板表面結(jié)冰的影響，對比1g/m3，選擇液態(tài)水含量為0.7g/m3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)，水滴有效直徑為20μm，溫度為-5℃。

圖6和圖7分別示出了液態(tài)水含量為0.7g/m3下面板的結(jié)冰情況和面板內(nèi)部的壓力變化。對比圖2和圖3中液態(tài)水含量為1g/m3時(shí)的冰形及壓力變化，可以看出，面板所結(jié)冰的大小和厚度均與液態(tài)水含量大小呈正相關(guān)，即隨液態(tài)水含量增大，結(jié)冰越嚴(yán)重。不同的液態(tài)水含量對內(nèi)部的壓力變化趨勢影響不大，壓力變化主要受溫度和速度的影響，因此，在80m/s時(shí)，兩種液態(tài)水含量工況下壓力均增大，在40m/s時(shí)，兩種液態(tài)水含量工況下壓力均先升高后降低。同時(shí)，液態(tài)水含量較大時(shí)，水滴在渦旋管后緣積聚更快，因此，液態(tài)水含量更高的工況下壓力增加值越大。LWC=1.0g/m3時(shí)，不同風(fēng)速下壓力增加約1500Pa和150Pa；LWC=0.7g/m3時(shí)，同速度下壓力增加約1200Pa和50Pa。

圖6 液態(tài)水含量為0.7g/m3，風(fēng)速分別為80m/s和40m/s下的冰形

圖7 液態(tài)水含量為0.7g/m3，風(fēng)速分別為80m/s和40m/s時(shí)內(nèi)部壓力變化情況

4 結(jié)語

本文通過冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對防砂面板的結(jié)冰特性進(jìn)行了考察，探究了風(fēng)速、溫度及液態(tài)水含量對結(jié)冰的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同的工況下，防砂面板表面結(jié)冰的增長具有一定的規(guī)律性，最終在表面形成類似錐形的冰層。在風(fēng)速越低時(shí)結(jié)冰越嚴(yán)重，但內(nèi)部分壓力變化表明，低風(fēng)速對進(jìn)氣更為有利。而隨溫度降低，面板的結(jié)冰速度和結(jié)冰厚度都有所增加，但總體而言，對進(jìn)氣的影響不大。隨液態(tài)水含量的增加，水滴在渦旋管后緣積聚的更快，結(jié)冰也越嚴(yán)重，不同風(fēng)速下防砂面板內(nèi)壓力增加值也越大。