基于冷庫環境下的渦扇發動機葉片冰脫落試驗

陳功， 楊坤， 王利平， 孔維梁， 王福新,*

(1. 上海交通大學 航空航天學院, 上海 200240； 2. 中國航發商用航空發動機有限責任公司, 上海 200240)

渦扇發動機葉片冰脫落(以下簡稱“冰脫落”)現象是指：當飛機穿過濕度較高且具有一定過冷度的云層時，大氣中的過冷液態水滴撞擊并附著在發動機渦扇葉片上，結成固態冰；當冰累積一定程度后，在特定情況下可能發生斷裂并從葉片表面脫落。

冰脫落一般發生在飛機起飛、低空巡航、降落階段。發生冰脫落時，葉片的旋轉動平衡可能被打破，造成渦扇振動而損壞；部分脫落的冰塊可能被吸入發動機內核，導致內構件磨損及燃燒不穩定等現象。2014年，亞洲航空公司航班號為QZ8501、型號為A320的客機失事，造成包括機組成員在內的162人遇難。印尼氣象、氣候和地球物理局(BMKG)認為，發動機結冰是導致該事故的可能原因之一[1]。

近年來，飛機發動機結冰問題已成為各國民航部門關注的重點之一，而民用飛機主機廠商及發動機供應商在研發、制造、使用渦扇發動機時均對其葉片結冰及冰脫落問題進行了大量研究，并將冰脫落問題的研究納入了研發、生產及取證等各個環節。結合當前的技術手段，用于研究該類問題較為成熟的方法主要有試驗飛行、CFD仿真、冰風洞試驗等。

試驗飛行驗證是研究飛機發動機結冰問題最直接的手段。民用飛機適航條款對結冰試飛科目也有明確的要求[2]。但試驗飛行驗證主要用于型號飛機取證階段，實施的代價大，風險高，條件匹配難，無法用于常規研究，且自然結冰條件隨機性大，常無法保證試驗按預定計劃進行。

CFD仿真計算是當前廣泛用于研究與飛機結冰相關各種問題的重要方法。周宏奎等[3]利用fensap-ice模塊進行了仿真計算，獲得了發動機葉片在不同溫度下的結冰規律；Ryosuke和Makoto[4]使用結冰及冰脫落模型提高了仿真計算的效率。上述2項研究證明了通過仿真手段研究冰脫落問題的可行性，但其結果尚未通過大量的試驗進行驗證，其有效性和準確性有待考察。Chen等[5]采用數值計算的方式建立了風扇葉片冰脫落預測模型，考慮了冰本身的力學性能、所受離心力及振動等因素耦合后對冰脫落特性的影響，是當前極少數采用“流固耦合”對冰脫落問題進行動態分析的嘗試之一。嚴曉雪等[6]通過四自由度方程模擬了冰脫落后的飛行軌跡，是對冰脫落問題研究的后續延伸。然而冰脫落問題涉及到水滴破碎、碰撞、附著、斷裂等復雜物理動態過程，以當前仿真的軟、硬件水平很難保證計算精度。

冰風洞試驗是當前研究發動機葉片冰脫落問題的另一種重要手段。意大利的CIRA-IWT及美國的Lewice風洞都有能力進行發動機結冰及冰脫落的試驗驗證。Britton[7]對美國Lewice風洞中關于冰脫落的研究進行了較為詳細的總結，系統歸納了針對該類問題的研究方法和主要結論，建立了該類問題的研究框架。Mason等[8]在1∶1臺架試驗中觀測了發動機葉片上冰的生長情況，將原本在飛行過程中較難獲得的發動機葉片結冰情況在地面得以重現，提供最直觀的信息。Kraj和Bibeau[9]通過冰風洞試驗獲取了葉片前緣冰形，并檢測了冰的附著力。但用上述方法進行冰風洞試驗的成本較高，一期試驗費用在百萬人民幣左右，且試驗周期長，一般用于型號試制階段前的最終驗證，而不適用于研發階段或學術課題研究。

地面自然環境結冰試驗成本低，便于對較大比例的試驗件進行研究。中國某型號民用飛機發動機全尺寸和2∶1縮比模擬器在哈爾濱開展過地面結冰試驗，是目前為止中國為數不多的采用地面自然結冰條件開展的研究，彌補了中國該項技術的空白。但地面試驗環境很大程度上依賴于當地氣候條件，試驗環境通常較為惡劣且無法保持長時間的穩定，不利于獲得可靠的結果。

相對于在自然環境下的地面結冰試驗，在商業存儲用的冷庫中進行試驗具有與冰風洞一樣的溫度可控性(但無法模擬高空氣壓環境)。本文基于某型號民用飛機渦扇發動機研發過程中對其葉片結冰及冰脫落特性預測的需求。通過使用渦扇發動機縮比模型作為研究對象，首次在冷庫中構建了結冰云霧環境，使用相關設備創造結冰所需的條件，并對試驗參數進行標定。借助所搭建的試驗體系對渦扇發動機葉片上結冰及冰脫落的過程進行模擬，獲得了可靠的結果，為后續制定該發動機的防冰、除冰方案提供重要依據。

1 研究對象與內容

研究葉片上結冰及冰脫落的主要目的是獲得冰脫落發生的過程及形態，以及在不同環境溫度T及風扇轉速ω等工況下，冰脫落的周期和程度。上述結果可進一步用于預測冰脫落后對發動機正常運行的影響，并能有效地提出相應的預防及解決方法。

為了達成上述研究目的， 試驗中將通過動態影像更直觀地呈現冰脫落的完整過程。另外，在試驗過程中還將引入冰脫落所需時間Δt、剩余冰特征長度lc等2個指標，分別用于描述冰脫落發生的周期及脫落的程度。

1.1 冰脫落動態過程觀察

冰脫落的完整過程涵蓋了積冰產生、生長、脫落等各階段，并包括積冰產生位置、生長進程、脫落方式等多重信息。該過程將通過高速攝像機予以記錄并呈現。

1.2 剩余冰特征長度

通過觀察可知，葉片前緣所堆積的冰一般呈細長條狀，且長細比η較大。故定義冰條沿葉片展長方向的長度為li；冰條寬度w在數值上約等于葉片前緣厚度；冰條厚度δ在試驗中隨時間累積而增大，沿葉片弦長方向反向延長。從圖1中可以看出，冰條的長度li在數值上遠大于w及δ，且w、δ沿li方向保持均勻。而冰脫落的主要原因——離心力沿li方向向外單調遞增，使li方向上的脫落成為主要形式。

在此情況下，將葉片前緣冰脫落程度由無量綱參數剩余冰特征長度lc進行衡量。lc定義為發生冰脫落后，葉片前緣未脫落的冰長度li與葉片前緣總長lb的比值。

圖1 剩余冰特征長度Fig.1 Residual ice characteristic length

lc=li/lb

(1)

如圖1所示，lc越小，葉片前緣剩余冰占冰未發生脫落時總量的比例越小，即說明冰脫落程度越大。

1.3 冰脫落所需時間

冰脫落周期由冰脫落所需時間Δt進行衡量。Δt定義為從葉片處于結冰環境開始直至葉片前緣積冰發生斷裂并脫落所經過的時間。

Δt=ts-t0

(2)

式中：t0和ts分別為葉片處于結冰環境的初始時刻和冰脫落開始發生的時刻。Δt越小，冰脫落發生所需的時間越短，即發生冰脫落較容易。

2 試驗設備

2.1 試驗場地及總體布置

本次試驗場地選址于上海市嘉定區某商業用冷庫內。該冷庫室溫可在0～-20℃的范圍內進行調控，調控精度可達0.5℃。該溫度范圍基本覆蓋了本文對結冰環境溫度的需求，可實現對環境溫度T的模擬。

冷庫的有效面積為30 m×60 m，高約5 m。其空間遠大于國內外各冰風洞試驗段，較大的空間不僅有利于減小阻塞度，保證流場質量，還能提高室溫的穩定性，減小試驗時可能出現的溫度場畸變現象，足以容納試驗所需的全部大型設備、儀器，并方便研究人員進出觀察。

試驗設備在冷庫內的布置如圖2所示。試驗所需設備按不同功能劃分為驅風系統、噴霧系統、發動機簡易模擬系統、冰塊收集系統及云霧吸附系統等5個部分。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic of test facility

2.2 驅風系統

驅風系統的作用是通過電機驅動風扇引導空氣定向流動,建立穩定流場，起到模擬飛機飛行時來流速度V∞的作用。

如圖3所示，驅風系統由動力段、穩定段、擴散段組成。動力段核心部件為斜流風機11.0-4，其最大功率為45 kW，動力段入口處安裝層有防護網以防止吸入異物打壞風機；穩定段內安裝一層蜂窩器和一層阻尼網以降低流場湍流度；擴散段內安裝一層防分離網以防止氣流發生分離。

通過風機的輸出功率可獲得不同的來流速度并保持穩定，該套驅風系統可提供的來流速度范圍約為0～10 m/s。

圖3 驅風系統實物圖Fig.3 Wind driving system

2.3 噴霧系統

噴霧系統的作用是按試驗要求將水和氣通過噴霧桿、噴霧耙實現水和氣的混合后均勻噴出，保證平均粒徑和液態水含量LWC達到試驗規定的指標。噴霧系統由噴霧裝置、供氣/供水裝置及控制裝置組成。

噴霧系統與驅風系統的出風口連接，其噴霧區域范圍為1.2 m×1.2 m。噴霧耙在該區域內按矩陣形式布置，其具體布置位置如圖4所示。該系 統可以提供平均粒徑MVD的范圍為15～40 μm的水滴，液態水含量的范圍可以達到0.3～3 g/m3，并確保0.6 m×0.6 m的范圍內液滴均勻分布。

圖4 噴霧耙分布位置Fig.4 Distribution position of water spray

2.4 發動機簡易模擬系統

發動機模擬器的作用是模擬真實渦扇發動機的外形、構造及工況。

發動機簡易模擬器由金屬材料制成，主要分為短艙殼體、涵道、風扇葉片及轉軸等部分，其外形與結構參考某商用渦扇發動機，按1∶4的比例進行縮比設計。風扇由18片相同的葉片組成。該系統的結構如圖5所示。

圖5 發動機簡易模擬系統Fig.5 Simple analog system of engine

該模擬系統凈輸入功率為25.6 kW，凈輸入扭矩為58 N·m。所需電機功率為32 kW，扭矩為73 N·m。電機驅動風扇的轉速最高可達4 450 r/min，滿足試驗對轉速ω的模擬要求。

模型的縮比效應可能會使試驗結果在數值上發生偏離，但試驗結果隨變量(T，ω)變化的規律和趨勢(如單調性、是否存在拐點等)是本文主要關注的對象，其一般不會因縮比效應發生質變。另外，現存研究結果也可作為旁證驗證本文結果的可靠性。

2.5 冰塊收集系統與云霧吸附系統

冰塊收集系統安裝于簡易發動機模型的噴口處，其作用為收集試驗中從葉片上脫落的冰塊碎粒，防止其在試驗場地中四處飛散，以免對冰庫中的試驗等設備造成破壞。

云霧吸附系統安裝于簡易發動機模型的下游附近。該系統采用電加熱方式，將發動機模擬器噴出的水霧進行加熱變為液態水沿云霧吸附系統出口處的紗網流至地面，避免冷庫中水霧的累積及擴散而出現“重吸入”現象，確保上游流場中的液態水含量不受影響。

3 參數校準試驗

本文所構建的試驗體系首次應用于試驗中，為了保證各設備的正常運轉，并創造符合要求的試驗條件，在進行正式試驗前需對各系統進行檢查及校準。

3.1 試驗參數條件

參考其他類似結冰問題的研究[10]可以發現，環境溫度、來流速度、大氣液態水含量及水滴平均粒徑均對冰脫落產生影響[8]。李嘉祥等[11]在工程問題中針對不同來流速度下冰脫落的變化規律進行了研究；高揚[12]通過試驗飛行獲得了最容易導致冰脫落的大氣液態水含量及水滴平均粒徑。而本次試驗將重點關注環境溫度和轉速對冰脫落時間及冰脫落程度的影響。

表1中列舉了試驗中各條件參數及其取值。如表1所示，根據試驗采用控制變量法，將環境溫度T及葉片轉速ω作為自變量，并確定其取值范圍。同時，將來流速度V∞、液態水含量LWC、水滴平均粒徑MVD等其他參數視為常數，參考葉片結冰類試驗的常規范圍[12-14]設定其常數值后，通過可靠的方法對該設定值進行標定。

表1 試驗條件參數

3.2 來流速度標定

試驗中，來流速度V∞設定為9 m/s，來流速度V∞采用熱線風速儀進行速度標定。熱線風速儀及其使用方法如圖6所示。

進行標定時，架設熱線風速儀在驅風系統噴口下游2 m處，其空速管部分對準噴口中心，再逐漸增大驅風系統輸出功率并監控熱線風速儀的指示值，當熱線風速儀的讀數穩定在9 m/s附近時，記錄驅風系統此時的功率作為試驗時的額定功率。經標定，來流速度V∞≈9.1 m/s，滿足試驗要求。

圖6 熱線風速儀Fig.6 Hot-wire anemometer

3.3 液態水含量標定

流場中的液態水含量LWC設定為1 g/m3。該參數采用標準冰刀結冰試驗進行標定。標準冰刀的使用方法及標定結果如圖7所示。

將標準冰刀固定在測量截面，保證冰刀截面與來流速度方向垂直；啟動驅風系統并進行噴霧，選定噴霧水流量及氣壓，持續噴霧15 min后將冰刀移出試驗段，測量冰刀前緣結冰厚度。此時，流場中的液態水含量LWC可根據式(3)進行換算：

(3)

式中：ρice為冰密度，ρice=900 kg/m3；來流速度V∞=9 m/s；t為持續時間，t=15 min；τice為冰刀上積冰厚度，經測量τice=7.907 mm；β0為水滴收集率，通過CFD仿真手段，根據逐次二分逼近法[15]，結合冰刀的幾何外形計算流場軌跡在冰刀上下表面撞擊的極限位置，經多次迭代最終計算得β0=0.92。

根據式(3)可計算出流場中液態水含量LWC約為0.955 g/m3，符合試驗要求。

圖7 標準冰刀標定液態水含量Fig.7 Standard ice blade for LWC calibration

3.4 水滴平均粒徑標定

水滴平均粒徑MVD采用Winner319工業噴霧激光粒度儀器進行測定。

測定時，在噴口下游2 m處架設噴霧激光粒度儀，將檢測粒子調至30 μm。啟動驅風裝置及噴霧裝置，持續5 min，期間觀察測量過程中粒徑是否可以保持到5 μm以內的波動范圍。

經測量，流場水霧中的液態水滴平均粒徑MVD≈26.5 μm，滿足試驗需求。

3.5 噴霧均勻度檢測

噴霧均勻度Λ擬采用金屬格柵進行測量標定，噴霧均勻度的標定裝置如圖8所示。

圖8 噴霧均勻度檢測裝置與結果Fig.8 Spray evenness measurement facility and result

用于測量噴霧均勻度的金屬格柵由縱橫各17根長桁架交叉組成，共計289個交叉點。設中心點坐標為(0,0)。定義噴霧均勻度為各交叉點上的相對結冰厚度，即各交叉點的結冰厚度與中心交叉點(0,0)上結冰厚度的比值。

標定時，將金屬格柵固定在噴霧系統出口下游2 m處，保證金屬格柵與來流速度方向垂直。持續噴霧15 min后停止，然后將金屬格柵移出試驗段。之后對整個金屬格柵區域采用空間掃描儀進行外形掃描獲取金屬格柵上結冰的形狀；將掃描結果傳輸至計算機并生成對應的幾何文件；通過CATIA建模軟件進行測量獲得各交叉點處的結冰厚度，最后進行均勻度的計算。

經測量，在該區域95%的面積內的噴霧均勻度的偏差不超過20%，滿足試驗要求。

4 試驗內容與步驟

4.1 試驗內容

研究在不同環境溫度T及葉片轉速ω的情況下，冰脫落所需時間及冰脫落后剩余冰特征長度的變化情況。溫度變量T取值為-2、-3.5、-5、-7、-9℃，葉片轉速變量ω取2 400、2 700、3 000 r/min。經有效排列組合，試驗有效車次共計7次，如表2所示。

表2 試驗車次

4.2 試驗步驟

試驗按照表2中的順序依次進行，其步驟如下：

步驟1啟動發動機簡易模擬系統，控制電機使葉片轉速ω達到當前試驗工況所需的指定值，并保持穩定。

步驟2同時開啟驅風、噴霧裝置并記錄當前時刻記作t0。

(4)

步驟4觀察高速攝像機所拍攝的視頻，記錄每個葉片上冰脫落發生所需的時刻ts，計算時間Δt=ts-t0并進行初步比較，如有不超過2個葉片上的脫落時間明顯不同于其他葉片，則也視為“奇點”結果進行剔除，并計算其平均值Δt′。

(5)

步驟5在步驟4和步驟5中出現的“奇點”較多，應暫停試驗，并檢查試驗設備安裝是否出現松動；葉片轉動是否平穩；噴霧和流場是否均勻，必要時應對各系統進行局部或整體校準。

步驟6重復步驟1～步驟5，按表2中次序進行后續試驗，直至所有試驗狀態進行完畢。

在試驗進行的同時，采用高速攝像機對葉片上結冰及冰脫落的完整過程進行拍攝，為了保證高速攝像機測量圖像的清晰，利用大功率照明燈對待測區域進行照明。

5 試驗結果分析

5.1 冰脫落過程分解

試驗中，通過高速攝像機對葉片上開始結冰直至冰脫落的整個過程進行了記錄。

圖9 葉片結冰—冰脫落過程Fig.9 Process of icing and ice shedding on blade

以表2中車次3的試驗工況為例(T=-7℃，ω=3 000 r/min)，葉片前緣結冰—冰脫落的完整過程如圖9所示，觀察總時長為15 min。

圖9(a)為結冰潛伏階段，葉片前緣尚無明顯的固體積冰出現，但在葉片根部的前緣可觀測到已有白色霜層出現。圖9(b)為初始結冰階段。當風扇在試驗環境下運轉一段時間后，葉片根部的前緣陸續有積冰產生，并逐漸向梢部發展。圖9(c)為冰持續生長階段。隨時間推移，積冰從葉片根部前緣逐漸向梢部發展，直至覆蓋整個葉片前緣。圖9(d)為冰脫落階段。葉片上積冰開始出現脫落現象。在同一個工況下，不同葉片上發生脫落現象在時間上較為集中，前后間隔不超過2 s。冰脫落基本發生于葉片梢部，而葉片根部前緣的積冰依舊附著，基本均未發生脫落現象，且各葉片上剩余冰的特征長度差異較小。

5.2 環境溫度對冰脫落特性的影響

分析圖10中各結果可知，當環境溫度為-2、-3.5、-5℃時，葉片前緣積冰為透明狀，基本為明冰[7]；而當環境溫度為-7、-9℃時，積冰呈白色，應為混合冰，由明冰與霜冰共同組成。

分析表3中的數據并結合圖10可知，當環境溫度在-2～-5℃范圍內降低時，脫落所需時間與剩余冰特征長度均有減小趨勢；當環境溫度在-5～-9℃范圍內繼續降低時，脫落所需時間與剩余冰特征長度均有增大趨勢。當環境溫度低至-9℃時，葉片上脫落的冰的特征長度已不足10%。通過分析以上結果可知，在轉速不變的情況下，隨著環境溫度的持續降低，冰的成分由單一的明冰向混合冰轉變，冰脫落程度先增大后減小，冰脫落所需時間先縮短再延長。該趨勢變化的拐點可能出現在-3.5～-5℃的溫度范圍內。在此溫度條件下，冰較容易脫落，且發生脫落的程度較大。

圖10 環境溫度對冰脫落的影響Fig.10 Effect of environmental temperature on ice shedding

T/℃Δt/sl′c-2427.40.735-3.5325.00.389-5259.10.433-7274.00.624-9360.50.904

5.3 轉速對冰脫落特性的影響

分析圖11可知，葉片前緣積冰均為呈白色狀，為混合冰，其成分不隨轉速變化而改變。

圖11 葉片轉速對冰脫落的影響Fig.11 Effect of blade rotational speed on ice shedding

ω/(r·min-1)Δt/sl′c2400266.310.6242700198.570.3893000134.390.368

6 結 論

本文通過分析葉片冰脫落風洞試驗的結果可獲得以下結論：

1) 葉片前緣冰脫落的整個過程，包括結冰潛伏階段、初始結冰階段、冰持續生長階段及冰脫落階段。

2) 葉片根部結冰較早，且不容易脫落；葉片末梢結冰需較長時間，但容易脫落。不同工況下，冰脫落所需的時間及脫落的程度均不同。

3) 冰脫落所需時間及冰脫落程度與轉速有關。在試驗設定的轉速下(2 400、2 700、3 000 r/min)，轉速越快，脫落發生的越早，脫落的程度越大。該結論與文獻[16-17]對發動機結冰脫落的預測結果在趨勢上具有一致性。

4) 冰脫落所需時間及冰脫落程度與環境溫度有關。當環境溫度不同時，冰的成分將發生變化，在試驗設定的環境溫度范圍[-2,-9]℃內，當環境溫度持續降低時，冰脫落所需的時間先縮短再延長，冰脫落程度先增大后減小，變化趨勢的拐點出現在-3.5～-5℃附近，在該環境溫度下，冰脫落最容易發生，且脫落程度最大。該結論與文獻[18]關于環境溫度對結冰附著力和冰脫落影響規律的分析部分吻合。同時，該結論與中國某型號民用飛機在哈爾濱氣動進行的全機與1∶2縮比模型試驗的結果一致。

本文使用了冷庫來模擬結冰環境的試驗技術，在中國相關研究中尚屬首次。通過該試驗技術，以較小的成本及代價獲得具有一定可靠性、可信性的試驗結果，為研究渦扇發動機葉片結冰—冰脫落問題提供了新的手段，具有重要意義。