航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰適航性條款研究

白尨，劉月平

航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰適航性條款研究

白尨1，劉月平2

(1.中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京100028；2.中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司，湖南株洲412002)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰通常給發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來(lái)不利影響，甚至引起飛行事故，因此CCAR 33.68“進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰”對(duì)每型發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)冰條件下的運(yùn)行提出了適航性要求。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)的適航性要求進(jìn)行了解讀，歸納了防冰方式對(duì)防冰系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算/關(guān)鍵點(diǎn)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行了研究，介紹了典型符合性驗(yàn)證案例。本研究了可為國(guó)內(nèi)開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)防冰適航性工作提供技術(shù)支持。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定；進(jìn)氣系統(tǒng)；防冰系統(tǒng)；分析/計(jì)算；試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

飛機(jī)穿過(guò)含有過(guò)冷水汽等具有結(jié)冰氣象條件的云層時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口部分(進(jìn)氣道唇口、整流罩、傳感器等)會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口結(jié)冰會(huì)改變進(jìn)口流場(chǎng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能變壞；發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器結(jié)冰，可能會(huì)造成傳輸電子控制系統(tǒng)的信號(hào)失真；發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致冰層破裂，冰塊吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，可能引起飛行事故。為此，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章CCAR 33部第33.68條“進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰”，明確規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)在空中和地面結(jié)冰狀態(tài)下的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)于美國(guó)FAR 33.68。

關(guān)于本條款，美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)頒布了咨詢通告AC 20-147和AC 20-73A，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰條款進(jìn)行了解釋，并給出了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)點(diǎn)、試驗(yàn)程序及試驗(yàn)結(jié)果判定準(zhǔn)則[1，2]。國(guó)內(nèi)楊彬等就條款的要求、符合性驗(yàn)證方法等進(jìn)行了研究，給出了結(jié)冰試驗(yàn)工況選擇方法和不同條件下結(jié)冰試驗(yàn)要求[3]。某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研究小組對(duì)CCAR 33.68條款符合性驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究，正在開發(fā)結(jié)冰數(shù)值計(jì)算軟件，并籌劃進(jìn)行部件結(jié)冰試驗(yàn)。

本文在上述成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)該方面適航性工作需求，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)的適航性要求、防冰方式、數(shù)值模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證方法、典型案例等進(jìn)行總結(jié)和研究，以期為國(guó)內(nèi)開展民用發(fā)動(dòng)機(jī)防冰適航性工作提供技術(shù)支持。

2 條款及要求解讀

CCAR 33.68條[4]明確規(guī)定，每型發(fā)動(dòng)機(jī)必須滿足以下兩個(gè)要求：

(1)在中國(guó)民用航空規(guī)章第25部附件C中規(guī)定的連續(xù)最大或間斷最大結(jié)冰狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)在其整個(gè)飛行功率范圍(包括慢車)內(nèi)的工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)部件上不應(yīng)出現(xiàn)影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失的結(jié)冰情況。

(2)在臨界狀態(tài)進(jìn)行引氣防冰時(shí)，地面慢車30 min不出現(xiàn)不利影響，此時(shí)大氣溫度在-9～-1℃之間，每立方米含液態(tài)水不少于0.3 g，且以平均有效直徑不小于20 mm的水珠形式存在，接著發(fā)動(dòng)機(jī)以起飛功率或推力進(jìn)行短暫運(yùn)轉(zhuǎn)。在30 min慢車運(yùn)轉(zhuǎn)期間，該發(fā)動(dòng)機(jī)可以以中國(guó)民用航空局接受的方式，周期性地加速運(yùn)轉(zhuǎn)到中等功率或推力調(diào)定值。

條款(1)的實(shí)質(zhì)是確保發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，使其在規(guī)定的結(jié)冰環(huán)境條件下安全運(yùn)行，且必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行功率范圍內(nèi)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)部件上不會(huì)出現(xiàn)會(huì)造成不利影響的結(jié)冰。條款(2)的建立是考慮在凍霧天氣下，飛機(jī)可能在很長(zhǎng)一段時(shí)間里停在跑道上等待起飛，此時(shí)引氣防冰能保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰適航性研究一般會(huì)涉及防冰設(shè)計(jì)、氣動(dòng)分析/計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證等(圖1)，這些環(huán)節(jié)都要考慮適航性要求。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防冰研究思路Fig.1 Research methods of anti-icing system

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)防冰技術(shù)，按工作方式，可大致分為結(jié)構(gòu)防冰技術(shù)、熱防冰技術(shù)和液體防冰技術(shù)[5](圖2)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)防冰設(shè)計(jì)Fig.2 The design of anti-icing system

(1)結(jié)構(gòu)防冰技術(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)防冰。如進(jìn)氣道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免明顯的進(jìn)口彎曲和進(jìn)口回流等。

整流罩設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用錐形設(shè)計(jì)。如CFM56-5發(fā)動(dòng)機(jī)的整流罩呈錐形，與常用的橢圓形整流罩的對(duì)比試驗(yàn)表明：在相同條件下，其結(jié)冰量?jī)H為橢圓形整流罩的6%，因而該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)沒采用專門的防冰裝置。但這種全錐形整流罩不易將內(nèi)涵氣流中的沙石、雨水等外物甩到外涵道，若將整流罩做成前、后兩段，并將前錐改為橢圓形，可解決該問(wèn)題。GE90發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了這種前橢后錐的結(jié)構(gòu)。

在現(xiàn)代大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，如CF6、PW4000和V2500等，壓氣機(jī)進(jìn)口處只有與風(fēng)扇一起旋轉(zhuǎn)的整流罩，加強(qiáng)的寬弦風(fēng)扇葉片和防外物損傷措施的廣泛采用，使得結(jié)冰不易產(chǎn)生，即使有結(jié)冰現(xiàn)象也不會(huì)造成超容限的損壞，所以這些發(fā)動(dòng)機(jī)的整流罩無(wú)需采用防冰措施[6]。

除上述結(jié)構(gòu)防冰技術(shù)外，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口部分材料的選擇、風(fēng)扇/壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)、附件的分布等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口防冰也有著重要意義。

(2)熱防冰技術(shù)。對(duì)容易結(jié)冰的零件表面進(jìn)行加熱是最常用的防冰技術(shù)，常用的熱源有壓氣機(jī)的熱空氣和電加熱。

氣熱防冰系統(tǒng)是利用熱空氣加熱發(fā)動(dòng)機(jī)零件防冰表面的熱防冰技術(shù)，大多應(yīng)用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，如WS-9、WP-7、PW6000等。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)需要加熱的零件有進(jìn)氣裝置、進(jìn)口導(dǎo)流葉片和整流罩，有時(shí)前幾級(jí)整流葉片也需要加熱。但轉(zhuǎn)子葉片不需要加熱，因?yàn)樵陔x心力作用下，冰層在葉片上無(wú)法形成。防冰的熱空氣通常由壓氣機(jī)最后一級(jí)引來(lái)，工作后的空氣可排入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口或大氣中。

電熱防冰系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而加熱發(fā)動(dòng)機(jī)零件防冰表面的熱防冰技術(shù)，常用在渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)上，如T56-A-15等。電加熱的零件有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣罩、槳葉和槳榖。電加熱系統(tǒng)所耗電能由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)供給。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的加熱既可持續(xù)進(jìn)行，也可周期性進(jìn)行；持續(xù)加熱起防冰作用，周期加熱可實(shí)現(xiàn)除冰。

(3)液體防冰技術(shù)。將撞擊在零件防冰表面上的過(guò)冷水滴與噴涂的防冰液混合，使部件表面溫度高于液體凝固點(diǎn)或混合物冰點(diǎn)溫度低于環(huán)境溫度而不結(jié)冰的防冰技術(shù)。常用的防冰液有乙二醇、丙二醇、乙酸鉀等。該技術(shù)多用于發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩等部位。

除上述方法外，防冰還可采用減小零件表面水的附著力來(lái)實(shí)現(xiàn)。最常用的方法是在零件表面涂憎水劑，如WP7發(fā)動(dòng)機(jī)的整流罩上就采用這種措施。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)分析/計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)分析/計(jì)算，包括防冰系統(tǒng)的數(shù)值模擬和關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)分析(CPA)。

3.2.1數(shù)值模擬

防冰系統(tǒng)符合性驗(yàn)證最直接和最可靠的方法，是進(jìn)行冰風(fēng)洞或飛行試驗(yàn)，但冰風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用高昂，自然結(jié)冰條件又非常有限。因此，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，來(lái)確定積冰形狀、計(jì)算和設(shè)計(jì)防冰系統(tǒng)或分析結(jié)冰條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能成為必然手段。采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰研究包括(圖3)：①分析計(jì)算結(jié)冰部件表面的流場(chǎng)；②計(jì)算過(guò)冷水滴的運(yùn)動(dòng)方程和其對(duì)物面的撞擊特性；③根據(jù)能量守恒原理，建立冰型生長(zhǎng)模型，研究結(jié)冰過(guò)程，分析結(jié)冰對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響；④防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。數(shù)值模擬作為對(duì)結(jié)冰現(xiàn)象研究的一種重要手段，一是可為防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)，以進(jìn)行設(shè)計(jì)修正和防冰驗(yàn)證；二是可為關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)分析提供數(shù)據(jù)，以分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能和說(shuō)明結(jié)冰條件及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

圖3 數(shù)值模擬Fig.3 Numerical simulation

3.2.2關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)分析

為符合第33.68條要求，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商首先應(yīng)進(jìn)行關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)分析。關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)包括所有可能的結(jié)冰條件組合，這些結(jié)冰條件通常與25部附錄C、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、結(jié)冰位置及延長(zhǎng)暴露在結(jié)冰條件中(如空中保持等待)等相關(guān)(圖4)，且需通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

圖4 關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)分析Fig.4 Critical point analysis

(1)氣象條件。影響發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰的主要?dú)庀髤?shù)，有云層溫度、液態(tài)水含量、水滴平均有效直徑和云層范圍四個(gè)。另外，CPA分析還需考慮不同氣象條件下，結(jié)冰類型及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)對(duì)結(jié)冰有很大影響，如隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，整流罩、轉(zhuǎn)子葉片等旋轉(zhuǎn)件的表面局部水收集系數(shù)下降，且撞擊區(qū)域變小。在驗(yàn)證試驗(yàn)中，一般推薦的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，有地面慢車、飛行慢車、50%連續(xù)最大功率、75%連續(xù)最大功率和起飛功率。

(3)結(jié)冰位置。進(jìn)氣道結(jié)冰后，使得進(jìn)氣道流場(chǎng)分布發(fā)生畸變，流場(chǎng)不均勻，氣流局部分離，可能導(dǎo)致壓氣機(jī)工作不正常；進(jìn)氣道傳感器結(jié)冰會(huì)引起其失效；風(fēng)扇葉片結(jié)冰后，使得氣流通道變窄，進(jìn)氣面積減小，空氣質(zhì)量流量減小，引起推力下降等。

(4)數(shù)值模擬。結(jié)冰的數(shù)值模擬應(yīng)能說(shuō)明結(jié)冰系數(shù)和相關(guān)空氣動(dòng)力學(xué)影響，如風(fēng)扇入口和核心機(jī)入口的水收集系數(shù)，關(guān)鍵表面的水撞擊率，空速影響，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)影響和飛行高度影響。冰積聚計(jì)算需要結(jié)合關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)表面的能量平衡，如潛熱、熔解熱影響，金屬與冰之間熱傳導(dǎo)影響。對(duì)于防冰部件，關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)的確定，應(yīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)功率和結(jié)冰環(huán)境需要的熱負(fù)荷的能量平衡計(jì)算中確定。

除上述各因素外，關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)還可通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果和先前相似型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。

過(guò)去的幾十年，工業(yè)界和適航部門制定了一套標(biāo)準(zhǔn)的合格審定試驗(yàn)點(diǎn)，并通過(guò)若干發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸試驗(yàn)予以了驗(yàn)證。推薦試驗(yàn)點(diǎn)旨在通過(guò)個(gè)別工況選取來(lái)覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)符合性驗(yàn)證試驗(yàn)要求，以滿足第33.68條的規(guī)定。CPA分析并不是用來(lái)替代這些試驗(yàn)點(diǎn)，而是針對(duì)特定設(shè)計(jì)，通過(guò)CPA分析來(lái)預(yù)測(cè)是否存在其它更為臨界的試驗(yàn)點(diǎn)并進(jìn)行試驗(yàn)，因此CPA分析是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)冰試驗(yàn)點(diǎn)的補(bǔ)充。

3.3試驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算雖然是一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低成本手段，但其結(jié)果受網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、方程模型和邊界條件等多種因素影響，其計(jì)算精度必須通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。所以，只有將數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究結(jié)合在一起，才能更好地研究發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)。

3.3.1試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)試驗(yàn)的目的主要有：一是符合性驗(yàn)證，在自然結(jié)冰條件下，防冰系統(tǒng)的性能是否符合設(shè)計(jì)要求，是否達(dá)到最低安全標(biāo)準(zhǔn)；二是確定不防冰表面結(jié)冰對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。目前，一般采用以下幾種方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)試驗(yàn)：

(1)冰風(fēng)洞試驗(yàn)。該試驗(yàn)是將發(fā)動(dòng)機(jī)部件或模型(全部或部分)放在冰風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)。冰風(fēng)洞模擬結(jié)冰云層的氣象條件(液態(tài)水含量、水滴直徑、氣溫、風(fēng)速)及飛行條件。

冰風(fēng)洞是綜合技術(shù)含量很高的大型試驗(yàn)設(shè)備。至今，除采用特批的等效方法外，F(xiàn)AA認(rèn)可了三處冰風(fēng)洞設(shè)備。歐洲航空安全局(EASA)批準(zhǔn)了法國(guó)CEPr發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中心的冰風(fēng)洞設(shè)備。而我國(guó)還沒有一座真正意義上的大型冰風(fēng)洞。冰風(fēng)洞關(guān)鍵技術(shù)在于大型冰風(fēng)洞的建造，包括制冷系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、速度模擬和整流，及各項(xiàng)模擬參數(shù)的校準(zhǔn)和控制。

(2)模擬結(jié)冰條件的飛行試驗(yàn)。由于在實(shí)際環(huán)境中找到合乎要求的自然結(jié)冰狀態(tài)氣象條件十分困難，且冰風(fēng)洞的尺寸有限。因此，采用人工模擬結(jié)冰狀態(tài)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，是解決大部件及整機(jī)防冰系統(tǒng)試驗(yàn)的有效手段。其形式一般有兩種：一是對(duì)本身加裝模擬自然結(jié)冰氣象條件設(shè)備的航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處加裝噴霧柵欄，在預(yù)定氣溫的大氣中，模擬能使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰的過(guò)冷云霧以考核發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)氣道的防冰系統(tǒng)。二是試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在試驗(yàn)機(jī)上并尾隨噴霧機(jī)之后，在適當(dāng)大氣條件下進(jìn)行防冰試驗(yàn)。噴霧機(jī)是一種加裝了可制造結(jié)冰云設(shè)備的大型飛機(jī)，目前在模擬結(jié)冰條件的飛行試驗(yàn)中被廣泛采用。它已成為獲得數(shù)據(jù)、嚴(yán)格考核防冰系統(tǒng)的主要手段。

(3)海平面防冰系統(tǒng)試驗(yàn)。在海平面試車臺(tái)上進(jìn)行防冰系統(tǒng)的符合性試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在試車臺(tái)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口與側(cè)風(fēng)裝置排氣口之間安裝噴水霧化設(shè)備，這樣噴嘴噴出的霧可由側(cè)風(fēng)裝置排出的風(fēng)送往發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口。此時(shí)，大氣溫度應(yīng)在-9～-1℃之間，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣液態(tài)水含量不少于0.3 g/m3，且液態(tài)水以平均有效直徑不小于20 mm的水珠形式存在。試驗(yàn)時(shí)主要監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度來(lái)判斷防冰系統(tǒng)的性能。

(4)自然結(jié)冰條件下的飛行試驗(yàn)。實(shí)踐證明，在自然結(jié)冰條件下，將發(fā)動(dòng)機(jī)裝在原型機(jī)上并在規(guī)定結(jié)冰條件下進(jìn)行試驗(yàn)，是評(píng)價(jià)防冰系統(tǒng)的最好方法。由于在實(shí)際飛行中很難找到與設(shè)計(jì)狀態(tài)完全相同的氣象條件，所以發(fā)動(dòng)機(jī)一般是在近似氣象條件下飛行，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，已進(jìn)行的地面冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，及模擬結(jié)冰條件的飛行試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推算，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)狀態(tài)下防冰系統(tǒng)的性能是否滿足要求。

自然結(jié)冰條件下的飛行試驗(yàn)，從結(jié)冰條件、地理范圍和季節(jié)等的選擇來(lái)看，都是一項(xiàng)周期較長(zhǎng)且很復(fù)雜的技術(shù)工作。因此只有在對(duì)一新機(jī)種做最后驗(yàn)證，才進(jìn)行自然結(jié)冰條件試驗(yàn)。

FAA頒布的咨詢通告AC 20-147[1]和EASA頒布的《發(fā)動(dòng)機(jī)合格證規(guī)范(CS-E)》[7]中，給出了標(biāo)準(zhǔn)結(jié)冰試驗(yàn)點(diǎn)及試驗(yàn)程序。結(jié)冰試驗(yàn)可按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序，在能代表飛行條件的高空試車上或在充分模擬結(jié)冰條件的飛行中完成，試驗(yàn)中應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是所有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)點(diǎn)的結(jié)冰試驗(yàn)，都應(yīng)驗(yàn)證在意外進(jìn)入結(jié)冰條件時(shí)，可能發(fā)生的防冰系統(tǒng)的滯后開啟(代表性滯后時(shí)間為2 min)，不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成不可接受的影響；二是在每項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)加速到相應(yīng)試驗(yàn)高度的最大功率/推力狀態(tài)，以驗(yàn)證冰脫落的任何影響。

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果符合性判定準(zhǔn)則

在上述試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足條款的要求，即結(jié)冰不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不利影響：①風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、核心機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣溫度、扭矩、燃油流量等穩(wěn)定；②不會(huì)出現(xiàn)熄火、喘振、失速、振動(dòng)過(guò)大；③不會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的推力/功率損失；④不應(yīng)造成不可接受的機(jī)械損失。

4 案例說(shuō)明

CF6-80E1是雙轉(zhuǎn)子高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，裝有具有防冰功能的進(jìn)氣道，防冰的熱空氣來(lái)自一單獨(dú)的供氣設(shè)備，發(fā)動(dòng)機(jī)在所有功率下工作都有充足的熱空氣[8]。

4.1試驗(yàn)裝置

(1)冰風(fēng)洞。GE公司的防冰試驗(yàn)設(shè)備是一個(gè)直接置于自由噴氣風(fēng)洞后的戶外發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架。風(fēng)洞出口的速度大概是28.3 m/s，主要由13個(gè)置于風(fēng)洞進(jìn)口高壓區(qū)的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇產(chǎn)生。噴霧柵格為均勻排列的內(nèi)部混合霧化噴嘴提供熱空氣和水，這些噴嘴每隔0.5 m交錯(cuò)排列。水流量和水滴直徑由噴霧柵格調(diào)節(jié)水和空氣壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)使用儀器。風(fēng)洞排氣溫度由5個(gè)安裝在噴霧柵格上游絞線上的鎳銅合金熱電偶的吹氣傳感器測(cè)量。熱電偶有多重屏蔽，且對(duì)熱輻射影響不敏感。環(huán)境溫度由安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口支架上的兩個(gè)吸氣熱電偶傳感器測(cè)定。實(shí)時(shí)的液體含水量和水滴大小及分布，由兩個(gè)激光照明的粒子分光計(jì)測(cè)量，且這兩個(gè)分光計(jì)直接耦合到電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)還原和顯示。使用專用的電腦數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)和控制測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)結(jié)冰條件進(jìn)行精確測(cè)量，并提供實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣可控制噴射柵格，使其在環(huán)境溫度改變時(shí)獲得所需的云層水含量和液滴大小。數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用多重測(cè)量系統(tǒng)來(lái)減小測(cè)量的不確定性，并提供備用測(cè)量系統(tǒng)。

4.2試驗(yàn)流程

發(fā)動(dòng)機(jī)首先加速到起飛功率以確定結(jié)冰前的目標(biāo)推力水平。目標(biāo)推力確定后，設(shè)定合適的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，開啟模擬結(jié)冰云層。在完成規(guī)定時(shí)間的結(jié)冰試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后，關(guān)掉模擬結(jié)冰云層。隨后發(fā)動(dòng)機(jī)加速到起飛功率使冰脫落，并記錄結(jié)冰試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)、檢查。

4.3試驗(yàn)點(diǎn)

CF6-80E1采用9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(表1)做驗(yàn)證試驗(yàn)[8]。

(1)地面慢車結(jié)冰試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)1是在FAR 33.68(2)規(guī)定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行，即在凍霧結(jié)冰條件下，地面慢車工作30 min。發(fā)動(dòng)機(jī)在這種工作狀態(tài)下，風(fēng)扇后溫升為2.0℃。因此，為使風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉在結(jié)冰溫度下工作，發(fā)動(dòng)機(jī)必須在環(huán)境溫度低于-2.0℃下進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)空中慢車雨凇結(jié)冰試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)2～5是發(fā)動(dòng)機(jī)在雨凇條件下，從慢車功率到起飛功率所有工作范圍的結(jié)冰驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)2，風(fēng)扇后溫升為5.0℃。因此，為使風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉和進(jìn)氣道到增壓級(jí)之間處于結(jié)冰溫度下，試驗(yàn)點(diǎn)2必須在環(huán)境溫度低于-5.0℃下進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 CF6-80E1防冰試驗(yàn)試驗(yàn)點(diǎn)Table 1 Anti-icing certification test points of induction system

(3)空中慢車結(jié)晶冰結(jié)冰試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)6～9是發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)晶冰條件下，從慢車功率到起飛功率所有工作范圍的結(jié)冰驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)6，風(fēng)扇和增壓級(jí)后的溫升為10.0℃。因此，為使增壓級(jí)到高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉之間處于結(jié)冰溫度下，試驗(yàn)點(diǎn)6必須在環(huán)境溫度低于-10.0℃下進(jìn)行試驗(yàn)。

4.4試驗(yàn)結(jié)果

CF6-80E1發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)在雨凇、結(jié)晶冰等條件下完成。所有試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)成功完成，發(fā)動(dòng)機(jī)沒有嚴(yán)重的功率/推力損失。在結(jié)冰試驗(yàn)中，沒有發(fā)生熄火和油門調(diào)節(jié)等。CF6-80E1在地面凍霧條件下，能以慢車狀態(tài)很好工作。試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作30 min，沒有進(jìn)行油門調(diào)節(jié)，并在試驗(yàn)結(jié)束后成功加速到起飛功率。另外，控制器和附件在試驗(yàn)中滿足防冰要求，沒有出現(xiàn)任何問(wèn)題。

試驗(yàn)證明，該發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)冰條件下，不會(huì)發(fā)生失速、熄火、嚴(yán)重振動(dòng)和其它導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了CCAR 33.68“進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰”的目的和意圖，概述了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)方法，闡述了分析/計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證要求，并對(duì)典型符合性驗(yàn)證案例進(jìn)行了介紹。本研究將有助于工業(yè)方在型號(hào)設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證中更好地貫徹該條款的要求，為型號(hào)適航取證工作提供技術(shù)支持。

[1]FAA.AC 20-147[Z].2004.

[2]FAA.AC 20-73A[Z].2006.

[3]楊彬，周燕佩.民用發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰審定[J].國(guó)際航空，2010，55(9)：50—53.

[4]中國(guó)民用航空局.航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定(CCAR-33R2) [Z].2011.

[5]FAA Technical Center.Aircraft Icing Handbook[Z].1991.

[6]劉長(zhǎng)福，鄧明.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[7]EASA.Certification Specification for the Engine CS-E[S]. 2003.

[8]GE.CF6 Certification Report-Induction System and Fan Blade Icing[R].1992.

Airworthiness Standards on Aero-Engine Induction System Icing

BAI Meng1，LIU Yue-ping2
(1.China Aero-Polytechnology Establishment，Beijing 100028，China；2.China National South Aviation Industry CD.LTD，Zhuzhou 412002，China)

Induction system icing can normally lead to the hazardous effect to aero-engine during the oper?ation.So,Airworthiness Standard CCAR 33.68-Induction System Icing provides the requirements on every aero-engine’s operation in the icing environment.To provide a useful guideline to the domestic industry community to improve the engine anti-icing capability,the airworthiness requirement of Induction System Icing has been interpreted,the methods of anti-icing have been summarized,the calculation critical point/ analysis and experimental demonstration of anti-icing system has been studied,and typical case of Induc?tion System Icing compliance certification has been introduced.

aero-engine airworthiness standard；induction system；anti-icing system；analysis/calculation；test demonstration

V231

A

1672-2620(2013)05-0041-05

2013-01-06；

2013-10-10

白尨(1987-)，男，陜西榆林清澗縣人，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航性與安全性研究。