航空發(fā)動機吞水試驗方案研究

唐 通，孔雅嬋，蔣全維，衛(wèi)仁杰，楊懷孝

（中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司，四川 成都 610000）

航空發(fā)動機是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機械，為飛行器提供所需動力。為保證航空發(fā)動機的可靠性，其在投入使用前均需要進行大量的試驗研究。發(fā)動機吸入大量雨水會引起壓氣機機匣急劇冷卻，有可能使發(fā)動機機匣局部受冷收縮，引起機匣和葉片之間的間隙減小，產(chǎn)生摩擦損壞可能降低發(fā)動機的不穩(wěn)定工作裕度并引起發(fā)動機喘振失速，甚至是熄火停車。為保證發(fā)動機使用安全性，航空發(fā)動機吞水試驗在民用和軍用發(fā)動機均會開展[1-3]。

航空發(fā)動機吞水試驗是測試發(fā)動機吞咽能力的重要試驗，主要是衡量發(fā)動機在淋雨條件下正常工作的能力，能較好地反映發(fā)動機的環(huán)境適應(yīng)性。根據(jù)以往的發(fā)動機吞水試驗開展情況來看，吞水試驗的吞水量取發(fā)動機空氣流量的2%～5%，水滴直徑不大于2 mm；為防止發(fā)動機熱部件積垢，試驗用水主要為軟化水和蒸餾水；試驗場地則一般在露天試驗臺或機場停機坪上開展[4-7]。

本文根據(jù)航空發(fā)動機研制情況，提出某型航空發(fā)動機臺架吞水試驗方案，并對發(fā)動機試車臺架進行適應(yīng)性改造，確保了航空發(fā)動機吞水試驗的順利實施。

1 吞水試驗臺架總體布局方案

發(fā)動機吞水試驗一般在露天試驗臺或機場停機坪上開展，這種試驗方式對試驗平臺的特殊需求耗費大量的協(xié)調(diào)成本影響試驗任務(wù)，試驗過程中試驗平臺與發(fā)動機匹配性也是很重要的制約因素。本項目基于時間和經(jīng)費考慮選擇室內(nèi)臺架開展試驗工作。

室內(nèi)臺架為發(fā)動機日常試車常用臺架，不存在與發(fā)動機匹配性問題。測點參數(shù)為保證發(fā)動機安全性常用參數(shù)，足以監(jiān)控發(fā)動機在吞水過程的工作狀況，僅需對臺架進行較小的適應(yīng)性改造，就可滿足試驗?zāi)康?，可以極大地減少時間和經(jīng)濟性成本。根據(jù)試車臺架的特點形成吞水試驗整體方案，如圖1 所示。

圖1 吞水試驗原理圖

整體思路如下：

（1）在升降平臺上安裝固定噴水裝置，并通過焊接將噴水裝置固定在升降平臺上。

發(fā)動機噴出的水一部分通過引射塔排入大氣，一部分水在引射塔回流后通過集水裝置回收。

（2）為盡量避免升降平臺對氣流的影響，試驗過程中升降平臺需下降；經(jīng)計算升降平臺位于地面與升降平臺3 m 高時流線分布情況和進氣總壓分布情況相近，故將升降平臺下降至離地3 m。計算情況如圖2 和圖3 所示。

圖2 升降平臺位于地面時情況

圖3 升降平臺3 m 高時情況

2 吞水裝置

根據(jù)GJB 241—1987《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》的要求，發(fā)動機進行地面吞水試驗時，水滴直徑不大于2 mm，噴水量分別為占空氣總質(zhì)量流量的2%、3.5%和5%，進水分布要求有50%的水進入1/3 扇形進口面積[8]。

將進水面設(shè)計在發(fā)動機進氣道的進口直徑范圍內(nèi)，噴水裝置如圖4 所示。

圖4 噴水裝置組成示意圖

為滿足水滴直徑不大于2 mm，本試驗選擇成品噴嘴，經(jīng)試驗標(biāo)定測量，當(dāng)噴水壓力為（0.2～0.6）MPa時，粒徑均小于2 mm。

由于單個噴嘴的流量調(diào)節(jié)范圍有限，試驗水滴流量和分布需要主要通過調(diào)整噴嘴數(shù)量滿足，噴嘴陣列方案見表1。

表1 吞水水量方案

進水分布要求有50%的水進入1/3 扇形進口面積則主要通過噴嘴的截面布局進行保證，即采用1/3 扇形噴嘴與其他部分使用相同數(shù)量的噴嘴保證，發(fā)動機慢車截面布局如圖5、圖6、圖7 所示。

圖5 慢車2%吞水對應(yīng)噴嘴分布

圖6 慢車3.5%吞水對應(yīng)噴嘴分布

圖7 慢車5%吞水對應(yīng)噴嘴分布

3 試車程序設(shè)計

根據(jù)國軍標(biāo)要求，需進行慢車和起飛的吞水試驗，噴水量分別為占空氣總質(zhì)量流量的2%、3.5%和5%。由于本次試驗過程中，噴水裝置不能進行連續(xù)性的水量調(diào)節(jié)，僅能通過改變噴嘴數(shù)量調(diào)節(jié)，因此吞水試驗程序只能分段開展，具體試驗過程如下。

（1）吞水試驗錄取發(fā)動機性能

在安裝吞水試驗裝置前，錄取發(fā)動機性能參數(shù)。安裝吞水試驗裝置后再次錄取發(fā)動機性能以確定安裝噴水裝置對發(fā)動機性能的影響。

（2）吞水試驗程序

起動發(fā)動機，慢車狀態(tài)工作2 min，0.7 額定狀態(tài)工作2 min，起飛狀態(tài)工作4 min，在慢車狀態(tài)工作4 min后停車，錄取慢車和起飛狀態(tài)性能參數(shù)。

起動發(fā)動機，慢車狀態(tài)工作2 min，0.7 額定狀態(tài)工作2 min，推油門到起飛，發(fā)動機達到起飛轉(zhuǎn)速后進行吞水試驗，工作5 min，在慢車狀態(tài)工作2 min 后停車。起動發(fā)動機，慢車狀態(tài)工作2 min 后，在慢車狀態(tài)進行吞水試驗，5 min 后停止吞水，并繼續(xù)在慢車狀態(tài)工作4 min 后停車。

重復(fù)上述起飛和慢車吞水試驗各3 次，依次噴水2%、3.5%、5%。

吞水試驗試車曲線如圖8、圖9 所示。

圖8 吞水試驗起飛試車曲線

圖9 吞水試驗慢車試車曲線

（3）吞水試驗后錄取發(fā)動機性能

發(fā)動機完成吞水試驗后，再次錄取發(fā)動機性能，用以確定吞水對發(fā)動機的影響情況。

試驗過程中未開展發(fā)動機加減速的吞水驗證，這主要是由于加減速要求吞水試驗設(shè)備與發(fā)動機加速過程匹配，目前國內(nèi)針對這一試驗過程中主要試驗有兩種方法。

（1）在發(fā)動機加減速過程中，吞水設(shè)備以慢車流量穩(wěn)定供水。

（2）在發(fā)動機轉(zhuǎn)速以階梯形式完成加速過程中，吞水設(shè)備以發(fā)動機“梯步”過程中進氣狀態(tài)進行吞水試驗，實質(zhì)還是一種穩(wěn)態(tài)供水狀態(tài)。

綜上，國內(nèi)大量的發(fā)動機未開展加減速過程吞水，且由于吞水設(shè)備控制系統(tǒng)原因，現(xiàn)有的試驗方案也無法模擬國軍標(biāo)規(guī)定的加減速吞水過程，因此在試驗過程中未開展發(fā)動機加減速吞水試驗。

4 試驗風(fēng)險控制

（1）發(fā)動機吸入大量雨水會引起壓氣機機匣急劇冷卻，有可能使發(fā)動機機匣局部受冷收縮，引起機匣和葉片之間的間隙減小，產(chǎn)生摩擦損壞；水會改變發(fā)動機工作介質(zhì)，影響發(fā)動機部件之間的工作匹配性，可能降低發(fā)動機的不穩(wěn)定工作裕度并引起發(fā)動機喘振失速，甚至是熄火停車。因此制定了發(fā)動機試車風(fēng)險防控措施，加強發(fā)動機試車過程中的試車參數(shù)監(jiān)控，噴水裝置設(shè)置了緊急斷水系統(tǒng)，發(fā)動機設(shè)計了緊急停車程序，以防止意外發(fā)生。

（2）由于本次試驗為吞咽試驗，吞入異物打傷發(fā)動機的風(fēng)險較大，針對該問題，制定了發(fā)動機臺架和噴水裝置等各方面檢查措施。

5 吞水試驗結(jié)果

根據(jù)GJB 241—1987《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》的要求，發(fā)動機吞水后，發(fā)動機保持了足夠的間隙，在試驗過程中未發(fā)生損傷或有害擦傷，性能未惡化，并且沒有造成失速、喘振、發(fā)動機主燃燒室熄火，燃氣流路中的零件也未受到損傷，則認為試驗通過[7]。

圖10 為某型發(fā)動機實施吞水試驗時，水進入發(fā)動機進氣道的截面現(xiàn)場圖，由圖可見水柱受氣流影響，開始收縮，水量分布符合方案設(shè)計要求。試驗時大氣壓力（95.9～96.0）kPa，大氣溫度（23.9～24.0）℃。試驗結(jié)果見表2。

表2 吞水試驗結(jié)果

圖10 吞水試驗入口截面圖

試驗后對發(fā)動機進行了檢查，發(fā)動機結(jié)構(gòu)無異常損傷。吞水試驗完成后，重新對發(fā)動機錄取性能，發(fā)動機檢試性能試驗前后無衰減。試驗結(jié)果顯示發(fā)動機具有良好的吞水能力，能夠保證在雨天或穿過高含水量云層的使用安全。同時試驗結(jié)果也證明了航空發(fā)動機臺架吞水試驗方案的安全性、可靠性及易實施性。

6 結(jié)論

（1）本次試驗利用已有的室內(nèi)臺架，通過對臺架進行試驗性改造，避免了新建或改造室外平臺，降低了試驗的經(jīng)濟成本和時間成本。

（2）本次試驗通過在臺架上安裝噴水裝置，以及采用噴水裝置與試車程序相匹配的方式進行整體方案設(shè)計，極大地降低了臺架改裝和噴水裝置研制的技術(shù)難度。

（3）試驗結(jié)果顯示，本試驗方案合理可行，能夠滿足發(fā)動機試驗驗證要求，摸清了某型發(fā)動機吞水能力，為發(fā)動機后續(xù)技術(shù)保障提供了理論依據(jù)。