渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)適航吸雨試驗(yàn)器噴水特性研究

唐利軍 ，朱明明 ，王 歡

（1.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

0 引言

直升機(jī)在雨天飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可能吸入大量的雨水，使機(jī)匣受冷收縮，導(dǎo)致機(jī)匣與轉(zhuǎn)子葉尖間隙變小，易產(chǎn)生碰摩損害發(fā)動(dòng)機(jī)；同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入雨水后還會(huì)改變壓氣機(jī)的工作狀態(tài)[1]，影響發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率[2-4]，導(dǎo)致失速、喘振、熄火等異?，F(xiàn)象發(fā)生[5-7]，嚴(yán)重影響直升機(jī)的飛行安全，尤其在慢車狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量較小，雨水占空氣流量的百分比較大，更易引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火[8-9]。甚至造成空中停車[10]。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在雨天可靠運(yùn)行，歐美等民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)均給出吸雨合格審定的相關(guān)要求[11]。中國民用航空局適航規(guī)章《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33R2）附錄B吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)大氣降雨濃度的水滴尺寸分布要求[12]：粒徑范圍為0～7 mm，平均直徑為2.66 mm，并且主要集中于1.00～3.99 mm，約占總雨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的85%；另外，只要所使用的替代方法沒有降低試驗(yàn)的嚴(yán)格程度，通常通過噴灑液態(tài)水模擬降雨，并且允許使用不同于附錄B規(guī)定的水滴尺寸和尺寸分布。

吸雨試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的一項(xiàng)重要試驗(yàn)[13]。目前，國外已有多款民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了適航取證，吸雨適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)已較為成熟[14]。而中國民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航吸雨符合性驗(yàn)證技術(shù)成熟度不高，公開資料較少。滿足適航要求的吸雨試驗(yàn)器的研制是民用旋翼航空器發(fā)動(dòng)機(jī)適航吸雨符合性驗(yàn)證工作的前提和關(guān)鍵。而噴嘴作為吸雨試驗(yàn)器的關(guān)鍵部件，其噴水特性的研究具有重要意義。

本文針對如何形成吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)中大氣降雨濃度的水滴尺寸分布，利用激光粒度儀對渦流噴嘴、離心噴嘴以及直射式噴嘴的噴水特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備與原理

噴水特性試驗(yàn)布局如圖1所示。

圖1 噴水特性試驗(yàn)布局

從圖中可見，主要試驗(yàn)設(shè)備包括儲(chǔ)水池、水泵、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、壓力表、激光粒度儀、試驗(yàn)噴嘴以及其他必要的管路連接設(shè)備、噴嘴安裝支架等。在試驗(yàn)中，由水泵將儲(chǔ)水池內(nèi)的水輸送至試驗(yàn)噴嘴，由噴嘴噴出的水經(jīng)激光粒度儀的測試區(qū)域?qū)y量結(jié)果傳至計(jì)算機(jī)采集與處理軟件。通過調(diào)節(jié)供水閥改變進(jìn)水壓力和流量。

1.1 激光粒度儀

試驗(yàn)使用德國產(chǎn)激光粒度儀，測量范圍為0.5～8750 μm，系統(tǒng)測量精度為±1.5%。該激光粒度儀通過采用激光衍射法分析顆粒的粒度分布，其工作原理如圖2 所示。當(dāng)激光源發(fā)出的光束照射測量區(qū)的顆粒時(shí)，產(chǎn)生光的衍射，衍射光的強(qiáng)度分布符合Fraunhofer 衍射理論，通過放置在Fourier 變換透鏡聚焦平面上的探測器得到的衍射光的強(qiáng)度計(jì)算顆粒的大小和分布，具有測量精度高、分辨率高、范圍廣、結(jié)果穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 激光粒度儀工作原理

1.2 噴嘴

試驗(yàn)使用的噴嘴包括1 個(gè)離心噴嘴、2 個(gè)渦流噴嘴和1 個(gè)直射式噴嘴，其特性參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)噴嘴特性參數(shù)

直射式噴嘴利用高壓液體經(jīng)小孔高速射出而霧化[15]，流動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 直射式噴嘴內(nèi)部流動(dòng)原理

本試驗(yàn)采用的離心噴嘴為實(shí)心錐噴嘴，利用高壓液體流過內(nèi)部旋流葉片產(chǎn)生的離心力形成液膜，在空氣作用下破碎而霧化[16]，內(nèi)部流動(dòng)原理如圖4所示。

圖4 離心噴嘴內(nèi)部流動(dòng)原理

渦流噴嘴內(nèi)部流動(dòng)原理如圖5 所示。從圖中可見，從噴嘴進(jìn)口流入的液體進(jìn)入渦流室的同時(shí)，受渦流器的影響，在渦流室內(nèi)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)流向下游，經(jīng)過帶有錐角的噴口后呈圓形截面均勻噴出。

圖5 渦流噴嘴內(nèi)部流動(dòng)原理

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》33.78（b）條要求：旋翼航空器發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛狀態(tài)時(shí)的功率和最小慢車吸雨流量與空氣流量的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)比至少為4%。根據(jù)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量確定了噴水特性研究流量為6～13 L/min。測量布局如圖6所示。

圖6 測量布局

為了確保噴嘴噴出的雨滴能夠完全覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，測量截面距噴嘴出口的距離為

式中：R為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道半徑；θ為噴嘴的噴霧錐角。當(dāng)θ=60°時(shí)，L≥200 mm。

2.1 直射式噴嘴的噴水特性

直射式噴嘴特性測量試驗(yàn)場景如圖7 所示。從圖中可見，液體離開噴孔后仍聚集，在實(shí)心的液柱與周圍空氣作用下，沒有水滴產(chǎn)生，與吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)雨滴分布相差較大。

圖7 直射式噴嘴特性測量試驗(yàn)場景

2.2 離心噴嘴的噴水特性

在離心噴嘴測量截面L=200 mm時(shí)，分別在4組供水壓力和相應(yīng)流量下的雨滴粒徑及分布如圖8所示。

圖8 離心噴嘴雨滴粒徑及分布（L=200 mm）

從圖中可見，隨著供水壓力的提高，流量增大，雨滴粒徑逐漸減小。因此壓力越高，離心力越大，離開噴嘴后的液滴速度越快，液滴與空氣間的作用力也越大。相應(yīng)試驗(yàn)條件下測得的雨滴粒徑及其分布見表2。表中離心噴嘴的雨滴粒徑與吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)的平均粒徑（2660 μm）偏差較大。

表2 離心噴嘴雨滴粒徑及分布（L=200 mm）

2.3 渦流噴嘴的噴水特性

2.3.1 1#渦流噴嘴

1#渦 流 噴 嘴（90° 錐角）噴水特性測量試驗(yàn)場景如圖9所示。

圖9 1#渦流噴嘴特性測量試驗(yàn)場景

從圖中可見，由于錐角過大，當(dāng)供水壓力較低時(shí)，噴出的雨滴出現(xiàn)泄漏與飛濺現(xiàn)象。由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道截面較小，若噴嘴錐角過大，不利于雨滴均勻地進(jìn)入進(jìn)氣道截面及實(shí)際吸雨流量的準(zhǔn)確測量。

1#渦流噴嘴在測量截面位置L=200 mm 時(shí)，分別在3 組供水壓力與相應(yīng)流量下的雨滴粒徑及其分布如圖10所示。

圖10 1#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布（L=200 mm）

從圖中可見，隨著供水壓力的提高，流量增大，雨滴粒徑逐漸減小。此外，在接近目標(biāo)流量范圍內(nèi)，雨滴尺寸分布與吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)的偏差較小，集中在1.00～3.99 mm 各區(qū)間的雨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)最大偏差約為9.42%。

在各試驗(yàn)條件下測得的1#渦流噴嘴雨滴粒徑及分布見表3。

表3 1#渦流噴嘴雨滴粒徑及分布（L=200 mm）

為研究1#渦流噴嘴在不同截面位置上的噴水特性變化情況，分別對L=200、300 mm 處的雨滴粒徑及其分布進(jìn)行了比較如圖11所示，結(jié)果見表4。

表4 不同測量截面1#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布

圖11 不同測量截面1#渦流噴嘴雨滴粒徑和分布

從圖表中可見，在相同供水壓力的情況下，雨滴粒徑隨測量截面距離的增大略有減小。

2.3.2 2#渦流噴嘴

2#渦流噴嘴（60°錐角）噴嘴特性測量試驗(yàn)場景如圖12所示。

圖12 2#渦流噴嘴特性測量試驗(yàn)場景

2#渦流噴嘴在測量截面L=200 mm 時(shí)，在4 組供水壓力與相應(yīng)流量下的雨滴粒徑及其分布如圖13所示。

圖13 2#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布

從圖中可見，2#渦流噴嘴的雨滴粒徑分布特性與1#渦流噴嘴的相似，集中在1.00～3.99 mm，各區(qū)間的雨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)最大偏差約為8.42%。

各試驗(yàn)條件下測得的2#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布見表5。

表5 2#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布（L=200 mm）

從表中可見，隨著壓力變化2#渦流噴嘴的雨滴DVM=2077～3365 μm，與吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)的平均粒徑（2660 μm）偏差不大。

為說明測量結(jié)果的穩(wěn)定性，選擇2#渦流噴嘴在供水壓力P=0.02 MPa 條件下的3 次噴水特性測量結(jié)果進(jìn)行比較，如圖14所示。

圖14 2#渦流噴嘴3次噴水特性測量結(jié)果比較

因前2 次測量為同一次試驗(yàn)過程中的取樣（圖14），故前2 次測量結(jié)果更加接近；第3 次測量與前2次的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)及測量位置都有偏差，故其測試結(jié)果與前2次的稍有偏差，但偏差不大。

3 結(jié)論

（1）激光粒度儀的測量結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性；

（2）直射式噴嘴和離心噴嘴的雨滴粒徑與吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)偏離較大；

（3）在滿足某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)適航吸雨流量的前提下，渦流噴嘴的雨滴尺寸和分布與吸雨合格審定標(biāo)準(zhǔn)的偏差較小，并且雨滴尺寸隨供水壓力的提高和測量截面距離的增大而逐漸減?。?/p>

（4）當(dāng)錐角較大時(shí)，渦流噴嘴出口發(fā)生液滴泄漏與飛濺現(xiàn)象，不利于雨滴均勻進(jìn)入進(jìn)氣道截面與實(shí)際吸雨流量的準(zhǔn)確測量，若要確定合適的錐角范圍，需對不同錐角的噴嘴噴水特性做進(jìn)一步研究。

本文研究結(jié)果為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)適航吸雨試驗(yàn)器的研制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也可為其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航吸雨試驗(yàn)器研制提供參考。