發(fā)動機(jī)吞水試驗(yàn)用噴水裝置管路調(diào)控特性試驗(yàn)分析

孫科，馬昌，任博揚(yáng)，宋江濤，賈文杰

(中國飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動機(jī)所，西安 710089)

飛機(jī)穿過云層時(shí)，發(fā)動機(jī)會吸入云層中的水，對安全運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，進(jìn)而會影響飛行安全。飛機(jī)如在跑道積水的機(jī)場起飛、降落，發(fā)動機(jī)會吸入跑道積水。為保證發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性，需進(jìn)行相關(guān)考核試驗(yàn)，驗(yàn)證說明發(fā)動機(jī)在吸雨/吞水條件下的安全可靠性。對于民用航空發(fā)動機(jī)，必須通過適航認(rèn)證試驗(yàn)，才能獲得商業(yè)運(yùn)行許可。軍用發(fā)動機(jī)同樣需要進(jìn)行吞水試驗(yàn)，才能通過設(shè)計(jì)定型。

中外均制定了相應(yīng)的適航條款，美國航空局制定的FAR 33部[1]中33.78條即規(guī)定發(fā)動機(jī)需在工作包線范圍內(nèi)，遭遇任何連續(xù)3分鐘降雨時(shí)，具有可接受的工作能力。歐洲航空安全局(European Aviation Safety Agency，EASA)和中國民航局同樣制定了適航條款[2-3]，其中規(guī)定發(fā)動機(jī)吸雨時(shí)必須具備工作穩(wěn)定性?！逗娇諟u輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》(GJB 241A—2010)[4]規(guī)定，發(fā)動機(jī)在慢車及最大推力狀態(tài)工作時(shí)，需吞入占空氣總質(zhì)量流量2%、3.5%、5%的水，發(fā)動機(jī)在上述每一條件下工作5 min?！逗娇諟u輪發(fā)動機(jī)吞水試驗(yàn)要求》(GJB 4877—2003)[5]中提出了發(fā)動機(jī)吞水試驗(yàn)具體要求。進(jìn)行發(fā)動機(jī)吞水試驗(yàn)，需模擬降水環(huán)境，噴水裝置用于提供試驗(yàn)所需用水，其對試驗(yàn)開展起非常重要的作用。Nikolaidis[6]通過數(shù)值計(jì)算研究吞入水對發(fā)動機(jī)性能的影響，夏國正等[7]、馬宇晨[8]通過數(shù)值模擬研究了吸雨對壓氣機(jī)的影響，但是仿真計(jì)算僅從原理角度模擬吞水對發(fā)動機(jī)的影響，最終需要通過吞水試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)動機(jī)在吞水時(shí)的工作穩(wěn)定可靠性。邢洋等[9]在地面臺架上進(jìn)行了發(fā)動機(jī)吞水試驗(yàn)。米曉童等[10]對吞水試驗(yàn)臺噴霧系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，薛洪科等[11]研制了一款航空發(fā)動機(jī)地面吞水試驗(yàn)設(shè)備，這種試驗(yàn)設(shè)備是在進(jìn)氣道進(jìn)口外噴水。田小江等[12]研制的噴水試驗(yàn)設(shè)備，是在進(jìn)氣道流道內(nèi)布置噴嘴，其設(shè)備指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但對噴水裝置及其管路特性均沒有明確的介紹。不同發(fā)動機(jī)狀態(tài)所需的水量變化較大，需專門針對噴水裝置調(diào)控進(jìn)行研究。賀元驊等[13]針對細(xì)水霧滅火技術(shù)中水霧粒徑的影響因素開展了實(shí)驗(yàn)分析研究，其噴頭噴出水滴的過程與噴水裝置類似。張華杰等[14]針對細(xì)水霧滅火技術(shù)中粒徑對滅火的影響進(jìn)行了研究。王瑜等[15]針對數(shù)據(jù)中心噴霧冷卻系統(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行了研究，其中噴霧系統(tǒng)使用的噴嘴與噴水裝置相似。

吞水試驗(yàn)過程中，噴水裝置需將試驗(yàn)所需的水量噴入至發(fā)動機(jī)進(jìn)口，其噴水流量的調(diào)節(jié)性能是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為此，針對研制的噴水裝置，進(jìn)行管路調(diào)控特性試驗(yàn)，形成噴水量及水滴粒徑調(diào)節(jié)方法，為噴水裝置調(diào)控提供指導(dǎo)及支撐。

1 噴水裝置簡介

噴水裝置主要包含供水系統(tǒng)、噴水環(huán)。圖1為噴水裝置工作原理示意圖。供水系統(tǒng)向噴水環(huán)供水，經(jīng)過噴水環(huán)上分布的噴嘴噴出，水滴被發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道吸入。圖2為供水系統(tǒng)元件組成示意圖，供水系統(tǒng)管網(wǎng)由主供水路、大流量路、小流量路及回水路組成。主供水路由水泵及過濾器等組成。大流量路由流量計(jì)、電磁開關(guān)閥等組成；小流量路由流量計(jì)、電磁開關(guān)閥組成；回水路由電動調(diào)節(jié)閥組成。水箱中的水在水泵作用下首先進(jìn)入主供水管路，一部分水通過回水路流回至水箱中，剩余的水則通過大流量路或小流量路進(jìn)入噴水環(huán)。

圖1 噴水裝置工作原理簡圖Fig.1 Working principle diagram of sprinkler

M為電動機(jī)構(gòu)；P為壓力傳感器；H為液位傳感器圖2 供水系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of water supply system

該噴水裝置供水系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)包括：①水箱的有效容積為8 m3，可保障發(fā)動機(jī)最大吞水試驗(yàn)工況的試驗(yàn)；②所選水泵在額定狀態(tài)下的流量為65 m3/h，對應(yīng)的揚(yáng)程為102 m；③回水調(diào)節(jié)閥的通徑為80 mm，公稱壓力1.6 MPa；④大流量路的流量測量范圍為10～80 m3/h，0.5級；⑤小流量路的流量測量范圍為2～20 m3/h，0.5級。

2 水流量調(diào)節(jié)原理

噴水裝置調(diào)試過程中，主要調(diào)節(jié)回水路中電動調(diào)節(jié)閥的開度，即電動調(diào)節(jié)閥1的開度，調(diào)整通過回水路流回至水箱的水流量，即可調(diào)整供應(yīng)至噴水環(huán)的水流量。

通過閥門的水流量與閥門流量系數(shù)有關(guān)，閥門的流動狀態(tài)分為阻塞流和非阻塞流兩種。Kv為閥門的流量系數(shù)[16]，定義是溫度為(5～40 ℃)的水在105Pa壓降下，1 h內(nèi)流過閥的立方米數(shù)。流量系數(shù)直接反映了流體通過閥門的能力。

當(dāng)閥門前后的壓力差滿足式(1)時(shí)，流動狀態(tài)為非阻塞流。流量系數(shù)與通過閥門的流量呈正相關(guān)，流量系數(shù)的計(jì)算公式見式(2)。

(1)

式(1)中：Δp為閥門前后的壓差，Pa；FL為壓力恢復(fù)系數(shù)，對于O型球閥，取0.55；p1為閥前壓力，Pa；pv為液體飽和蒸汽壓力，Pa；FF為閥入口溫度下的pv與液體臨界壓力之比的函數(shù)。

(2)

式(2)中：Kv為流量系數(shù)；m為通過調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量流量，kg/h；ρL為水的密度，kg/m3。

(3)

式(3)中：pc為臨界壓力，對于水，取21 966.5 kPa。

當(dāng)閥門前后的壓力差滿足式(4)時(shí)，流動狀態(tài)為阻塞流，此時(shí)將產(chǎn)生阻塞流的壓差值代入式(2)中進(jìn)行計(jì)算，得到流量系數(shù)的表達(dá)式見式(5)。

(4)

(5)

供水系統(tǒng)中所用的O型球閥，通過調(diào)節(jié)閥芯角度調(diào)整流通面積，從而調(diào)節(jié)流通能力。圖3為球閥閥芯旋轉(zhuǎn)角度為θ時(shí)的工作示意圖，此時(shí)有效流通面積有較大減小，有效流通面積與開度之間的關(guān)系如式(6)所示，隨著閥門開度增大有效流通面積隨之增大，因此隨著開度增大流量系數(shù)逐漸增大。研究表明，隨著閥門開度的增大流量系數(shù)隨之增大[17-18]。閥門開度較大時(shí)，流通面積的變化趨勢很小，相應(yīng)的流量系數(shù)在該區(qū)域的變化趨勢也很小。

圖3 球閥工作示意圖Fig.3 Working diagram of ball valve

(6)

式(6)中：v為閥門開度，%；A為閥門開度為v時(shí)有效流通面積，m2；A0為閥門開度為100%時(shí)有效流通面積，m2。

由于發(fā)動機(jī)吞水試驗(yàn)需在不同發(fā)動機(jī)狀態(tài)及不同吞水量條件下開展，因此噴水裝置供水流量需在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。如一味調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)整噴水流量，則供水壓力變化范圍較大，不利于水滴粒徑控制。因此除通過調(diào)節(jié)閥門開度調(diào)整供水流量外，還可以通過調(diào)整噴嘴數(shù)量調(diào)節(jié)供水流量。采用調(diào)節(jié)閥門開度與噴嘴數(shù)量結(jié)合的方式進(jìn)行噴水流量控制，保證供水壓力在一定范圍內(nèi)，進(jìn)而可以保證水滴粒徑滿足相關(guān)要求。

通過不同數(shù)量噴嘴、不同回水閥開度的調(diào)試試驗(yàn)，分析供水系統(tǒng)管網(wǎng)特性，為吞水試驗(yàn)噴水裝置水流量調(diào)節(jié)提供支撐。表1為試驗(yàn)工況。

表1 調(diào)試試驗(yàn)工況Table 1 Commissioning test condition

圖4為可安裝噴嘴的位置分布，噴水環(huán)上最多可安裝69個(gè)噴嘴，可通過噴嘴及堵頭的更換調(diào)整噴嘴數(shù)量。圖5為某次試驗(yàn)現(xiàn)場示意圖。分別調(diào)整噴嘴數(shù)量為9、10、14、18、44?；厮y門開度在20%～100%進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于供水管網(wǎng)中元件公稱壓力為1.6 MPa，試驗(yàn)中閥門開度適當(dāng)調(diào)整。

圖4 噴水環(huán)噴嘴分布位置Fig.4 Distribution position of sprayring nozzle

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場示意圖Fig.5 Schematic diagram of test site

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 管路調(diào)控特性分析

圖6為10個(gè)噴嘴工況條件下的閥門調(diào)節(jié)結(jié)果，圖7為水流量隨開度變化，圖8為供水壓力隨開度變化。試驗(yàn)過程中，將閥門開度由100%逐漸減小，得到不同開度下水流量及供水壓力。在閥門開度較大條件下，供水流量和供水壓力變化較小，供水壓力為130 kPa，較小的供水壓力條件下，噴嘴噴出的水滴粒徑較大，不能滿足試驗(yàn)要求，此時(shí)對應(yīng)的回水流量值較大。在大開度區(qū)間內(nèi)，隨開度變化回水流量的變化很小，這是由于閥門為O型球閥，在開度較大條件下，隨著開度的變化，閥門流通面積變化很小，因此通過閥門的水流量值變化幅度很小。

圖6 回水閥開度實(shí)際值與給定值對比Fig.6 Comparison between actual value and given value of return valve opening

圖7 10個(gè)噴嘴流量隨回水閥開度變化Fig.7 Flow of 10 nozzles varies with the opening of the return valve

圖8 10個(gè)噴嘴供水壓力隨回水閥開度變化Fig.8 Change of water supply pressure and return valve opening of 10 nozzles

3.2 供水管網(wǎng)流阻特性分析

圖9為不同噴嘴數(shù)量條件下供水壓力和供水流量的對比，其中9個(gè)噴嘴、10個(gè)噴嘴、14個(gè)噴嘴、18個(gè)噴嘴采用小流量路供水，44個(gè)噴嘴采用大流量路供水。

圖9 不同噴嘴數(shù)量供水壓力、供水流量隨回水閥開度變化Fig.9 Variation of water supply pressure and flow rate with the opening of return valve for different number of nozzles

對于回水閥開度小于55的某一特定開度，供水壓力隨著噴嘴數(shù)量的減少而增大，這是由于隨著噴嘴數(shù)量的減小，供水流路的流阻增大，則整個(gè)管路的流阻增大，因此整個(gè)管路的流通能力下降，通過水泵的水流量減小，進(jìn)而水泵揚(yáng)程增大，因此供水壓力增大。此時(shí)，由于噴嘴數(shù)量減小，噴水環(huán)供水流量減小，且供水流量減小值大于回水流路流量增大值，因此主供水管流量減小。44個(gè)噴嘴工況與其他工況相比，相同回水閥開度條件下，供水壓力有較大程度的減小，這是由于44個(gè)噴嘴工況采用大流路進(jìn)行供水，大流路供水管徑較大，且44個(gè)噴嘴流通面積較大，供水管路整體的流阻有較大程度的降低，從而管路整體的流阻降低，因此總供水流量增大，水泵的揚(yáng)程減小，因此供水壓力有較大程度的降低。

對于回水閥開度大于55時(shí)，由于回水流路的閥門流通能力很強(qiáng)，其流阻較小，從而整個(gè)供水管網(wǎng)的流阻較小，主供水管路水流量較大，因此水泵后的壓力較小，從而噴水環(huán)供水壓力較小，此時(shí)大量的水通過回水路流回至水箱。雖然噴嘴數(shù)量變化會造成大流量路/小流量路流阻變化，但對整個(gè)供水管網(wǎng)的影響微乎其微，因此不同噴嘴工況條件下，供水壓力基本一致。由于噴嘴數(shù)量變化會造成大流量路/小流量路流阻變化，在相同供水壓力條件下，水流量自然有所不同，對于噴嘴數(shù)量多的工況，水流量較大；對于噴嘴數(shù)量少的工況，水流量則較小。

3.3 噴水粒徑分析

圖10為44個(gè)噴嘴調(diào)節(jié)過程，通過調(diào)節(jié)回水閥開度調(diào)節(jié)噴水壓力和噴水流量。圖11為供水流量變化，圖12為供水壓力變化。試驗(yàn)過程中回水閥開度由大逐漸減小，對應(yīng)的供水壓力和供水流量逐漸增大。

圖10 44個(gè)噴嘴工況調(diào)節(jié)過程Fig.10 44 nozzles condition adjustment processes

圖11 44個(gè)噴嘴工況流量變化Fig.11 Flow variation under 44 nozzles condition

圖12 44個(gè)噴嘴工況供水壓力變化Fig.12 Variation of water supply pressure under 44 nozzles condition

圖13為不同供水壓力條件下對應(yīng)的水滴粒徑分布示意。隨著供水壓力的增大，水流量逐漸增大，另外隨著供水壓力的增大，水滴粒徑明顯變小，在供水壓力小于200 kPa時(shí)，噴嘴噴出的水呈明顯滴狀，且由于供水壓力較小，水滴噴出速度較小，噴出的水滴在重力作用下呈明顯的下落趨勢。供水壓力在200～400 kPa范圍，噴出的水滴較200 kPa以下供水壓力時(shí)破碎程度有明顯加大，但依然呈現(xiàn)小水滴狀液滴。當(dāng)供水壓力大于400 kPa時(shí)，噴嘴噴出的水呈霧狀，此時(shí)的水滴霧化程度較高，水滴粒徑很小，當(dāng)供水壓力大于600 kPa時(shí)，噴霧效果尤為明顯。

圖13 不同供水壓力條件下的水滴粒徑分布示意圖Fig.13 Schematic diagram of droplet size distribution under different water supply pressure

使用激光粒度儀進(jìn)行水滴粒徑測量，試驗(yàn)結(jié)果表明供水壓力在400 kPa以上時(shí)，最大水滴粒徑可充分滿足小于2 mm的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

針對發(fā)動機(jī)吞水試驗(yàn)用噴水裝置，進(jìn)行了供水系統(tǒng)管路特性試驗(yàn)研究。由于噴水裝置需適應(yīng)不同工況條件下吞水量需求，因此進(jìn)行供水管網(wǎng)調(diào)控特性研究。得出如下結(jié)論。

(1)通過分析供水管網(wǎng)中主要組成部件的調(diào)控特性，揭示了供水管網(wǎng)水流量調(diào)節(jié)原理，如僅采用回水閥開度調(diào)節(jié)水流量，會造成供水壓力在不同工況條件下有很大變化。因此采用回水閥開度調(diào)節(jié)及噴嘴數(shù)量調(diào)節(jié)組合的調(diào)控方法，進(jìn)行噴水流量調(diào)整。這種方法可將供水壓力控制在一定范圍內(nèi)，從而使得水滴粒徑滿足技術(shù)要求。通過分析噴嘴水滴粒徑分布特性，當(dāng)供水壓力在400 kPa以上時(shí)，水滴粒徑滿足要求，當(dāng)供水壓力超過600 kPa時(shí)，水滴破碎程度更強(qiáng)，霧化效果更好。這種流量調(diào)控方法可應(yīng)用于后續(xù)同類發(fā)動機(jī)吞水試驗(yàn)中。

(2)隨著回水閥開度的減小，回水路流量逐漸減小，噴嘴供水流路流量逐漸增大。在閥門開度較大時(shí)，閥門開度變化引起的供水壓力及供水流量變化很小。對于不同噴嘴數(shù)量間的對比試驗(yàn)，當(dāng)閥門開度為特定值時(shí)，隨著噴嘴數(shù)量的增多，大流量路/小流量路流阻減小，因此管網(wǎng)整體流通能力增強(qiáng)，從而流經(jīng)水泵的水流量增大，因此水泵增壓減小，從而供水壓力略有減小。但由于噴嘴數(shù)量增多的效果明顯，因此噴嘴供水流量增大。