民用飛機發動機防冰性能指標定義與計算

徐佳佳

【摘 要】在防冰系統設計時，通常使用防冰表面溫度作為性能指標。對于濕蒸發的防冰系統，表面溫度衡量指標無法直觀的表達防冰表面未凍結水的溢流情況。本文在使用防冰表面溫度作為一般性能指標的基礎上，采用溢流冰尺寸作為短艙防冰系統性能另一指標的評估方法，并根據發動機實際吞冰能力和發動機尺寸結構將結冰量等效為結冰厚度，同時給出溢流冰厚度的計算算例。

【關鍵詞】民用飛機；發動機防冰；溢流冰；吞冰能力

0 引言

由于高空云層中過冷水滴的存在，飛機穿過云層時，迎面表面可能會產生結冰危及飛行安全[1]。因此民用飛機都配備防冰系統，對于發動機短艙防冰，一般使用發動機中壓壓氣機引氣對短艙前緣加熱達到防冰目的。

在防冰系統設計時，通常使用防冰表面溫度作為性能指標。通過仿真計算出CCAR25部附錄C確定的連續和間斷的最大結冰狀態下防冰表面溫度，判斷防冰表面溫度是否高于冰點。現代民用飛機大多采用高涵道比的渦輪風扇發動機，該類發動機在設計時均考慮了一定的吞冰能力。因此對于發動機短艙防冰系統，可以設計為濕蒸發系統，即撞擊水在防護表面未被完全蒸發，允許產生溢流冰的情況。

對于濕蒸發的防冰系統，傳統的表面溫度衡量指標無法直觀的表達防冰表面未凍結水的溢流情況。本文在使用防冰表面溫度作為一般性能指標的基礎上，采用溢流冰尺寸作為短艙防冰系統性能另一指標的評估方法，并根據發動機實際吞冰能力和發動機尺寸結構將結冰量等效為結冰厚度，同時給出溢流冰厚度的計算算例。

1 適航條款分析

適航條款 CCAR 33.77（e）（1）關于發動機吞冰能力試驗使用冰塊尺寸的規定為[2]：冰的數量應是由于滯后2分鐘開啟防冰系統而在典型的進氣道整流罩和發動機正面積聚的最多數量的冰；或者使用質量和厚度與該發動機的尺寸可比擬的一塊冰。

FAA對于發動機吞冰能力試驗中應選用的最小冰塊尺寸作出了建議[3]，見表1。

2 防冰表面溢流計算模型

某型民用飛機裝備的發動機進氣道截面面積約為2000 sq inch，依據表1的建議，進氣道截面積介于700～2800 sq inch，利用插值方法估算出吞冰能力試驗用地冰塊尺寸為12inch×6.67inch×0.32inch，重量為18磅。

和發動機吞冰試驗使用的冰塊尺寸保持一致，以0.32inch作為短艙防冰最大溢流冰限制尺寸，同時作為防冰性能的考核指標。

在性能計算時，考慮到未凍結的水在表面溢流的主要驅動力是氣流的剪切力，選用三維壁面上的剪切力方向來描述液態水的溢流方向，根據剪切力方向與控制體周向面的底邊長度來進行溢流水量的分配。

因為性能計算是基于穩態的傳熱傳質模擬，以防護區最后一層網格流出水量作為該控制體處的溢流水量，再對0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、360°截面處取±22.5°的平均值輸出作為該截面的總溢流水量。該型號發動機共有24個風扇葉片，每個葉片的最大吞冰體積為（12inch×6.67inch×0.32inch）/24，每個截面對應3個葉片即每個截面的最大吞冰體積為（12inch×6.67inch×0.32inch）/8，再結合發動機實際尺寸測量出每個截面±22.5°的弧長和溢流區長度，即可計算出每個截面的溢流冰厚度。3 防冰表面溢流結冰厚度計算利用商業軟件FLUENT自編程建立三維發動機性能計算模型，在某個典型嚴酷工況下發動機防冰表面的溢流水分布情況見圖1。

3 總結

本文在結合傳統防冰表面溫度的性能指標的基礎上，提出了一種利用溢流水尺寸作為發動機防冰性能評判的指標。根據發動機實際吞冰能力和發動機尺寸結構將結冰量等效為結冰厚度， 同時建立計算模型，利用CFD方法對某典型工況下發動機防冰表面溢流結冰厚度進行了計算。

【參考文獻】

[1]裘燮綱，韓鳳華.飛機防冰系統[M].航空專業教材編審組出版，1985.6.

[2]CCAR 33-R1航空發動機適航規定[S].中國：中國民用航空局，2002.

[3]Proposed Rules. Federal Register， Vol. 75， No. 124， June 29， 2010.

[責任編輯：朱麗娜]endprint