船用燃氣輪機導流罩結冰試驗研究

申連洋，任永鵬，周少偉，萬 雷

(1.海裝沈陽局駐哈爾濱地區第二軍事代表室，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院, 哈爾濱 150000； 3.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

燃氣輪機以其單位功率大、機動性強、噪音頻率低等優勢得以快速發展，在船舶、航空領域廣泛應用。隨著燃氣輪機功率的逐漸增大、應用領域的逐漸增多以及使用環境的逐漸惡劣，燃氣輪機進氣部件的結冰現象逐漸顯現出來[1-2]。燃氣輪機進氣部件的結冰主要發生在進氣濾清器、進氣道轉角處、進口支板及導流罩等位置，當工作環境溫度極低、含水量較大時，也會在壓氣機前幾級葉片處產生積冰。這些位置的積冰會嚴重減小發動機進氣通流面積，擾亂進氣流場均勻度，降低發動機工作效率，增大耗油量，甚至引發壓氣機喘振，威脅發動機運行安全[3-4]。

目前，由于相關技術的限制，國內外相關的結冰試驗研究主要集中在航空領域，大多借助翼型結冰開展相關試驗。1992年，美國NASA的Jaiwon Shint和Thomas H.Bond[5]在NASA Lewis研究中心的冰風洞中對NACA0012翼型進行了結冰測試。試驗得到了翼型在一定條件下結冰的數據以及由于結冰而增加的阻力和模型的表面溫度。結果表明，在低溫下，結冰形狀的再現性是很好的，但只有在接近凍結溫度時的結冰才是均勻的。2001年洛克希德·馬丁航空公司的Jeffrey P. Luttrell和Timothy G. West[6]、2017年愛荷華州立大學的Haixing Li[7]均對翼型結冰進行了相關研究。國內2013年中國空氣動力研究與發展中心利用冰風洞進行了全尺寸不同錐角的航空發動機整流帽罩模型的結冰試驗，為我國結冰風洞的建設與研究提供了技術保障[8-9]。

然而，船用燃氣輪機導流罩在結構形式、工作環境等多方面均不同于飛機翼型，需要進行針對性更強的試驗研究，獲得相對準確的結冰冰形。為此，在前期研究的基礎上，基于自行設計搭建的利用自然低溫的開口式船用燃氣輪機進氣結冰試驗臺，對某型號船用燃氣輪機導流罩進行結冰試驗研究，總結不同液態水含量情況下，導流罩的結冰規律。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

船用燃氣輪機導流罩結冰試驗所采用的結冰試驗臺如圖1所示。該風洞為一開口吸入式結冰試驗臺，該試驗臺由1-電機控制臺；2-電機；3-管道；4-高壓氣囊；5-噴槍；6-水槽；7-電子天平；8-導流罩試驗件；9-流量表；10-離心風機等部件構成，試驗臺實物如圖2所示。離心風機可提供0～120 m/s的空氣流速；噴霧系統可提供直徑為0～100 μm呈正態分布的液態水含量。

該試驗模型為某型號燃氣輪機壓氣機整流罩帽實物的縮比模型。試驗階段，該模型被放置在結冰管道的最前端，試驗模型直接與外界大氣環境接觸，結冰試驗過程中保持試驗件與氣流方向平行。

圖1 結冰試驗臺結構圖Fig.1 Structure chat of ice test-bed

1.2 試驗方法

本試驗主要研究不同的液態水含量分布對試驗用整流罩帽結冰的影響。試驗條件如表1所示，試驗工況點分別對120 g、150 g、180 g的噴水量進行試驗，顆粒直徑為0～100 μm正態分布，以測試不同噴水量、不同液態水含量對試驗件結冰冰形的影響。試驗過程中保證液滴直徑不變，試驗環境溫度恒定為3℃。由于試驗設備的限制，本試驗中對于液態水含量參數由噴霧系統和風機流量共同控制：

液態水含量LWC(g/m3)

此外，為保證組間、工況點間的對照作用，需要保證每個工況點具有相同的水滴系數，即氣流速度×液滴濃度分布×噴霧時間=常數[10-11]。

表1 噴水量對積冰冰型影響的試驗條件Tab.1 Test condition of working water jet capacity influence on icing type

本試驗的主要流程為：

(1)平行安裝試驗件。

(2)氣流速度及試驗溫度的設定。

(3)設定并調試噴霧系統以達到要求的液滴直徑及濃度分布。

(4)開啟風機，待氣流速度達到設定值并穩定后開啟噴霧系統，并記錄噴霧時間，利用攝像機對結冰全過程進行記錄。

(5)關閉風機，確認最終冰型，然后對積冰進行清理。

(6)設定下一數據點的結冰參數。

(7)對所有結冰冰型數據進行處理，并進行規律總結。

(8)利用攝像機對不同時間段的冰型進行記錄。為了獲得最終的冰型數據，后期利用photoshop軟件對攝像機記錄下的冰型進行處理，描繪積冰的外輪廓，獲得冰型的二維數據。

2 試驗結果與分析

從圖2可見，當其他條件保持一致時，隨著液態水含量的增大，導流罩表面的積冰量逐漸增大，冰形外輪廓線逐漸變得不規則，形成了無規律的凸起。這主要是因為相同時間內，隨著液態水含量的增大，導流罩表面能夠捕捉的液滴量就不斷增多，因此結冰量逐漸增大。而液態水含量的增大還會導致結冰冰形從毛冰向混合冰發生過渡，這導致了冰形輪廓的不規則化。此外，從圖中不難發現，在結冰過程開始后第1 s內的結冰冰層厚度要遠大于后面沒時間內的結冰厚度，這一方面可能是因為隨著結冰過程的持續，結冰面積的擴大導致結冰厚度的減小。另一方面，可能是由于結冰過程初期，液滴與試驗件金屬直接接觸，液滴與固體壁面間的換熱更強，結冰量更大。當結冰發展到后面階段時，液滴與冰層間進行換熱，換熱強度降低，更多的液滴無法凍結，受氣流作用向下游移動并脫離試驗件表面。最后，從試驗條件可知，本次試驗均在環境溫度高于冰點0℃的條件下進行，因此可以斷定，當研究大流量、高流速氣動部件的結冰問題時，熱力學溫降是必須考慮的一個因素。

圖2 結冰形貌Fig.2 Ice morphology

3 結論

通過對某型號船用燃氣輪機導流罩縮比模型進行的開口結冰試驗，獲得的主要結論如下：

本研究設計搭建的試驗臺及相應試驗方案具有一定的可重復性，可以對船用燃氣輪機導流罩的結冰情況進行模擬試驗研究。同時，該試驗臺通過后續改造可適用于船用燃氣輪機進氣部件的結冰試驗工作。

當其他條件保持一致時，導流罩表面的積冰情況隨著液態水含量的增大而逐漸惡劣，積冰量逐漸增大，且冰形輪廓發展的更為不規則。

導流罩表面發生結冰現象時，積冰強度隨時間的推移逐漸下降。同時，高流速導致的熱力學溫降對導流罩表面的結冰有重要影響。