基于某型機結冰噴水系統的噴霧試驗研究

張曉 楊園園 程磊

摘 要：某型機結冰噴水系統進行模擬飛機部件表面結冰的噴霧試驗，首先對噴霧試驗設計輸入進行驗證，得出供水壓力、供氣壓力分別與供水流量、供氣流量的關系，進而驗證其與霧滴直徑、含水量間的關系。最后，通過試驗驗證噴霧顆粒的均勻性。試驗為后續飛行試驗結冰噴霧試驗提供了依據。

關鍵詞：噴霧試驗 供水流量 霧滴直徑 含水量 均勻性

中圖分類號：V24 文獻標識碼：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

飛機飛行時，由于環境溫度和氣流速度的作用下在一些部位常出現結冰現象，嚴重結冰時會危及飛機的飛行安全[1]。國外對結冰的研究開始于20世紀40年代，經過60多年的發展取得了豐碩的成果。然而國內結冰試驗研究與國外還存在著較大的差距，飛行試驗中驗證結冰還沒有開展相關驗證工作[2]。

由于自然結冰條件非常難遇到，型號試飛的周期進度又要求較緊，因此需要在空中模擬產生結冰氣象條件，進行防除冰系統的部分飛行試驗。根據某型機防/除冰系統飛行要求，按中國民用航空規章第25部[3]《運輸類飛機適航標準》附錄C確定的連續和間斷的最大結冰條件，研制結冰噴水子系統和地面試驗系統，用于制造地面冰云并提供形成冰云的基本條件，通過調整給水和給氣的相關技術參數，掌握控制冰云形成的規律，在地面進行充分的試驗后，再進行空中結冰噴水試驗，為飛機空中飛行結冰試驗提供依據。

1 系統工作原理

1.1 噴霧系統

1.1.1 系統總體結構

噴霧系統主要包括空氣處理系統、供水系統、模擬風筒、噴水環組件、操控系統、氣源車、水源車、電源及管線等部分組成，系統構成如圖1所示。

1.1.2 系統工作原理

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過另一個水泵回流，開啟電動閘閥1，給水經過電動三通球閥分流，多余給水經過電動三通球閥回流至水箱，給水部分經過水濾器進行過濾，然后經過管路中的流量傳感器采集數據并通過PID調節控制電動三通球閥的開度，保證給水控制在規定指標范圍內。

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

當停止試驗時，為了清除水路管道中的余水，在給水停止后，啟動單向閥1，使熱空氣導入水路中，此時電動閘閥關閉，熱空氣將水路中的入水吹除干凈，避免水管凍結，清除時間可根據需求設定，清除后單向閥1自動關閉。

應急排水時，關閉氣動調節閥、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，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關閉。

1.1.3 噴霧系統的設計指標

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）。

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

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

1.2 均勻性試驗

1.2.1 系統結構

試驗裝置主要由三部分組成，即試管、孔板網格柵和底板。

其中試管為Φ20×200mm，共計1908個，試管間距為3mm，試管用兩層孔板網格柵均勻分布，底板為托板，孔板網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 系統工作原理

在噴嘴選定后，可根據噴嘴的技術指標和噴霧特性，通過調整噴霧技術參數（壓力、流量），確定噴嘴的分布尺寸，并由此設計液態水收集隔柵系統，通過直接測量各隔柵的余水收集量來確定噴嘴環系統的均勻性。

1.2.3 均勻性試驗設計指標

以平均值為標準，高低差不大于20%為均勻性合格。

2 測試數據及處理

2.1 流量、壓力測試

經過手動反復調試后，進行電腦自動控制運行并自動記錄測試數據，利用Origin軟件對數據進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、壓力測試結果延續測試霧滴直徑和含水量關系。利用測試所提供的激光測試儀，測試并自動記錄測試數據，利用Origin軟件對數據進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（液態水含量）≤3g/m3，圖7、圖8顯示以上測試結果均滿足設計輸入要求。

2.3 均勻性試驗數據分析

對圓盤上1908個試管進行逐一測量、統計。利用MATLAB和CATIA軟件對數據進行分析處理如圖9、圖10所示。

通過對所有數據進行分析得出：試管液滴平均高度為41.9mm，根據技術參數得出不合格率如表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%。根據設計指標，結果滿足均勻性試驗要求。

3 結論及展望

試驗結果表明：本結冰噴霧地面試驗系統運行正常，設定的技術參數可控，測試數據滿足輸入技術指標要求。

此地面試驗系統研制主要是通過結冰噴水系統的地面試驗，掌握噴霧特性的規律，由上文得出的結論可為后續空中試驗做前期技術準備。

本試驗的成功也填補了結冰試驗在飛行試驗結冰噴霧方面工作國內的空白。

參考文獻

[1] 周潔敏.飛機電氣系統[M].科學出版社，2010.

[2] 楊勤，賀繼林.小型無人飛機活塞式發動機進氣系統結冰問題的研究[J].中南大學學報，2010（5）：1-4.

[3] 中國民用航空規章第25部[Z].