基于某型機(jī)結(jié)冰噴水系統(tǒng)的噴霧試驗研究

張曉 楊園園 程磊

摘 要：某型機(jī)結(jié)冰噴水系統(tǒng)進(jìn)行模擬飛機(jī)部件表面結(jié)冰的噴霧試驗，首先對噴霧試驗設(shè)計輸入進(jìn)行驗證，得出供水壓力、供氣壓力分別與供水流量、供氣流量的關(guān)系，進(jìn)而驗證其與霧滴直徑、含水量間的關(guān)系。最后，通過試驗驗證噴霧顆粒的均勻性。試驗為后續(xù)飛行試驗結(jié)冰噴霧試驗提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：噴霧試驗 供水流量 霧滴直徑 含水量 均勻性

中圖分類號：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0061-05

Abstract： A certain type ice machine hydraulic system to simulate aircraft parts surface ice spray test， first of all to spray test design input validation， pressure of water supply， gas supply pressure， respectively， and the relationship between water flow rate， gas flow， and then verify its and the droplet diameter， the relationship between water content. Finally， through experiment verify the uniformity of spray particles. Experiment provide a basis for subsequent flight test freeze spray test.

Key Words： Spray test； Water flow； The droplet diameter； Water content； Uniformity

飛機(jī)飛行時，由于環(huán)境溫度和氣流速度的作用下在一些部位常出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，嚴(yán)重結(jié)冰時會危及飛機(jī)的飛行安全[1]。國外對結(jié)冰的研究開始于20世紀(jì)40年代，經(jīng)過60多年的發(fā)展取得了豐碩的成果。然而國內(nèi)結(jié)冰試驗研究與國外還存在著較大的差距，飛行試驗中驗證結(jié)冰還沒有開展相關(guān)驗證工作[2]。

由于自然結(jié)冰條件非常難遇到，型號試飛的周期進(jìn)度又要求較緊，因此需要在空中模擬產(chǎn)生結(jié)冰氣象條件，進(jìn)行防除冰系統(tǒng)的部分飛行試驗。根據(jù)某型機(jī)防/除冰系統(tǒng)飛行要求，按中國民用航空規(guī)章第25部[3]《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》附錄C確定的連續(xù)和間斷的最大結(jié)冰條件，研制結(jié)冰噴水子系統(tǒng)和地面試驗系統(tǒng)，用于制造地面冰云并提供形成冰云的基本條件，通過調(diào)整給水和給氣的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，掌握控制冰云形成的規(guī)律，在地面進(jìn)行充分的試驗后，再進(jìn)行空中結(jié)冰噴水試驗，為飛機(jī)空中飛行結(jié)冰試驗提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 噴霧系統(tǒng)

1.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

噴霧系統(tǒng)主要包括空氣處理系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、模擬風(fēng)筒、噴水環(huán)組件、操控系統(tǒng)、氣源車、水源車、電源及管線等部分組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.1.2 系統(tǒng)工作原理

如圖2所示，正常供水時，水泵1或水泵2工作，水泵出口端安裝單向閥保證給水不會經(jīng)過另一個水泵回流，開啟電動閘閥1，給水經(jīng)過電動三通球閥分流，多余給水經(jīng)過電動三通球閥回流至水箱，給水部分經(jīng)過水濾器進(jìn)行過濾，然后經(jīng)過管路中的流量傳感器采集數(shù)據(jù)并通過PID調(diào)節(jié)控制電動三通球閥的開度，保證給水控制在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)。

正常送氣時，氣量的調(diào)節(jié)主要是由流量傳感器采集的信號通過PID調(diào)節(jié)控制氣動閥門的開度，氣壓的大小采用手動調(diào)壓閥控制，送氣溫度是由管道溫度傳感器采集的信號通過PID調(diào)節(jié)控制氣源加熱器來實現(xiàn)氣溫控制，以保證送氣的技術(shù)指標(biāo)要求。

當(dāng)停止試驗時，為了清除水路管道中的余水，在給水停止后，啟動單向閥1，使熱空氣導(dǎo)入水路中，此時電動閘閥關(guān)閉，熱空氣將水路中的入水吹除干凈，避免水管凍結(jié)，清除時間可根據(jù)需求設(shè)定，清除后單向閥1自動關(guān)閉。

應(yīng)急排水時，關(guān)閉氣動調(diào)節(jié)閥、電動閘閥1，電動三通球閥回流通道截止，同時啟動1、2水泵和電動閘閥2，排空水箱儲水至一定的水位時停止，但電動閘閥2保持開啟狀態(tài)，此時再開啟電動閘閥3，靠重力自然排空水箱余水，水箱排完余水后，電動閘閥2及電動閘閥3關(guān)閉。

1.1.3 噴霧系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)

給水壓力：3.0～3.5bar；

給水流量：16.8～31.2L/min；

給氣壓力：3.5bar；

給氣流量：8.16～9.57N·m3/min（2.46～2.88m3/min）。

按以上技術(shù)條件對給水進(jìn)行噴霧試驗見圖3，要求形成的霧滴直徑范圍：15μm≤VMD（體積中位直徑）≤50μm；

50m處空氣中的液態(tài)水含量：0.2g/m3≤LWC（液態(tài)水含量）≤3g/m3。

1.2 均勻性試驗

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試驗裝置主要由三部分組成，即試管、孔板網(wǎng)格柵和底板。

其中試管為Φ20×200mm，共計1908個，試管間距為3mm，試管用兩層孔板網(wǎng)格柵均勻分布，底板為托板，孔板網(wǎng)與底板組焊成一個完整空間隔架，試管可以自由取出，如圖4所示。

1.2.2 系統(tǒng)工作原理

在噴嘴選定后，可根據(jù)噴嘴的技術(shù)指標(biāo)和噴霧特性，通過調(diào)整噴霧技術(shù)參數(shù)（壓力、流量），確定噴嘴的分布尺寸，并由此設(shè)計液態(tài)水收集隔柵系統(tǒng)，通過直接測量各隔柵的余水收集量來確定噴嘴環(huán)系統(tǒng)的均勻性。

1.2.3 均勻性試驗設(shè)計指標(biāo)

以平均值為標(biāo)準(zhǔn)，高低差不大于20%為均勻性合格。

2 測試數(shù)據(jù)及處理

2.1 流量、壓力測試

經(jīng)過手動反復(fù)調(diào)試后，進(jìn)行電腦自動控制運(yùn)行并自動記錄測試數(shù)據(jù)，利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得出如圖5、圖6的曲線。

圖5是在供氣壓力恒定（380kPa）的條件下，改變供水壓力，得出供水流量隨供水壓力變化曲線圖；圖6是在供水壓力恒定（380kPa）的條件下，改變供氣壓力，得出供氣流量隨供氣壓力變化曲線圖。

2.2 液滴直徑及含水量測試

由圖5、圖6流量、壓力測試結(jié)果延續(xù)測試霧滴直徑和含水量關(guān)系。利用測試所提供的激光測試儀，測試并自動記錄測試數(shù)據(jù)，利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得出如圖7、圖8的曲線。

由圖7、圖8可得出：供氣壓力不變，供水壓力越大，霧滴的含水量越高，霧滴的直徑越大；供水壓力不變，供氣壓力越大，霧滴的含水量越底，霧滴的直徑越小。由設(shè)計輸入要求液滴直徑范圍：15μm≤VMD（體積中位直徑）≤50μm，0.2g/m3≤LWC（液態(tài)水含量）≤3g/m3，圖7、圖8顯示以上測試結(jié)果均滿足設(shè)計輸入要求。

2.3 均勻性試驗數(shù)據(jù)分析

對圓盤上1908個試管進(jìn)行逐一測量、統(tǒng)計。利用MATLAB和CATIA軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理如圖9、圖10所示。

通過對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出：試管液滴平均高度為41.9mm，根據(jù)技術(shù)參數(shù)得出不合格率如表1所示。

從表1可得出不合格概率為19.81%，即：合格的概率為80.19%。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，結(jié)果滿足均勻性試驗要求。

3 結(jié)論及展望

試驗結(jié)果表明：本結(jié)冰噴霧地面試驗系統(tǒng)運(yùn)行正常，設(shè)定的技術(shù)參數(shù)可控，測試數(shù)據(jù)滿足輸入技術(shù)指標(biāo)要求。

此地面試驗系統(tǒng)研制主要是通過結(jié)冰噴水系統(tǒng)的地面試驗，掌握噴霧特性的規(guī)律，由上文得出的結(jié)論可為后續(xù)空中試驗做前期技術(shù)準(zhǔn)備。

本試驗的成功也填補(bǔ)了結(jié)冰試驗在飛行試驗結(jié)冰噴霧方面工作國內(nèi)的空白。

參考文獻(xiàn)

[1] 周潔敏.飛機(jī)電氣系統(tǒng)[M].科學(xué)出版社，2010.

[2] 楊勤，賀繼林.小型無人飛機(jī)活塞式發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰問題的研究[J].中南大學(xué)學(xué)報，2010（5）：1-4.

[3] 中國民用航空規(guī)章第25部[Z].