航空發動機吞水試驗方法研究

李長暉

摘要：飛機在飛行中由于氣象條件的變化，導致發動機進口可能吸入大量的雨水，這將會改變發動機的工作狀態，可能造成發動機熄火、喘振、機械損壞，甚至嚴重的推力損失。為了模擬吞水對發動機性能和穩定性的影響，開展航空發動機吞水試驗技術研究，本文梳理了航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范、航空發動機適航標準的相關要求，分析了不同類型飛機的使用條件，明確了不同用途的發動機吞水試驗依據標準和方法。

關鍵詞：航空發動機;吞水;試驗方法

前言

空中13km以下大氣環境條件下，存在著體積不同、含水量不等的各種云層，當飛機穿越云層或在云層中做較長時間飛行時，發動機會吸入含有液態水的空氣。如果遇到的是正在下雨的云層，則不但吸入的液態水量大，且液態水會呈不均勻分布地進入發動機。暴雨天時，飛機起飛、著陸通過跑道上的積水以及飛機頭部輪子濺起的水，都可能被吸入發動機。過量液態水的吞入，會對發動機工作特性產生影響。如果液態水量較大，會使燃油氣化困難，燃油氣化物不易點燃，嚴重時有可能使燃燒室熄火。此外，不均勻地吸入液態水又會引起機匣的變化，進而導致葉片間隙發生變化，可能會使部件效率下降發動機性能水平降低，或由于間隙過小導致葉尖磨損，將對發動機工作可靠性產生不良影響。因此，有必要在飛行前，對發動機吞水能力進行充分的考核驗證，保證發動機使用安全。

本文對國外成熟發動機的吞水試驗方法進行了研究，梳理了目前國內常用的吞水試驗相關考核試驗標準，針對不同用途的飛機發動機，分析了相關的試驗方法，為后續航空發動機吞水試驗提供支撐和借鑒。

1.國外發動機吞水試驗介紹

1.1 PW4000發動機

PW公司研發的PW4000發動機吞水試驗，是在地面試驗臺上采用兩個獨立控制的噴水系統，其中一個系統安裝在靠發動機中心線位置（見圖1）向內涵噴水。該系統共有兩個噴嘴，一個噴嘴用于慢車狀態狀態下噴水，另一個噴嘴在起飛狀態下噴水;第二個系統沿風扇外涵風扇前方布置，共8個噴嘴，其中4個在慢車狀態時噴水，在起飛狀態時8個噴嘴同時噴水。試驗時在慢車和起飛狀態各運行了3min，供水設備比較簡單，可用水箱儲水，也可用泵連續供水，供水系統包括閥門、過濾器和流量計等，使用軟化水或蒸餾水以避免發動機熱部件積垢[1]。

1.2 BR710發動機

根據適航要求，BR710發動機吞水試驗必須在最大起飛推力和進場慢車狀態下進行。該試驗在地面試驗臺上進行，通過1個裝在發動機前面的多噴嘴噴射柵格向發動機噴射適當形式和數量的水來實現。

在進行最大起飛推力吞水試驗期間，發動機加速到最大狀態，穩定2min，接著吞水3min，然后再減速到低速慢車。在試驗中，發動機吞水量為7297g/h（27619L/h），大約占發動機空氣流量的4.5%;發動機推力損失為530lb（3.8%），監視器檢查和常規檢查都沒有發現問題。油樣分析表明：含水量與試驗前采樣相比有輕微變化;最大起飛推力在吞水試驗前和試驗后沒有明顯惡化。

在進場慢車狀態吞水試驗期間，發動機工作在慢車推力狀態，模擬吞水3min，然后加速到部分推力（5%以上的放氣閥關閉），在230.17lb/in2壓力下，吞水量保持在20039g/h（75848L/h）;當監測到1個穩定的N2信號時，從部分推力減速到慢車，隨后停止噴水，監視器檢查沒有發現問題。油樣分析表明：含水量同試驗前的相比偏高，但仍在可接受的限制值內;發動機性能在吞水試驗前和試驗后沒有明顯惡化。目視和光學檢查儀檢查發現，少量和大量吞水試驗都沒有發現發動機有任何的損壞和腐蝕。

1.3 CFM56發動機

CFM56發動機吞水試驗是按適航的要求進行的，滿意的指標為：在慢車、起飛運轉，增加和減少水量至少4%發動機空氣流量;試驗后無持續的推力損失，并且發動機不需要停車。試驗首先在發動機試驗前校準噴水器;同時進行取證及工程試驗;慢車試驗包括最小慢車及空中慢車;經常按手冊起動至慢車;錄取試驗前的發動機性能作為基本性能。

試驗設備要求均勻、寬范圍水量噴水器10至400 gpm以上;蒸餾水可控制水滴大小的內部混合霧化噴嘴。

穩態：正常起動及暖機;發動機加速到試驗點，穩定3min后讀取數據;啟動噴水裝置-所有噴水槍覆蓋進氣道時進行;系統穩定運轉3min后讀取數據;在達到規定的時間后，關閉噴水裝置，穩定后讀取數據。

瞬態：正常起動及暖機;發動機加速到起飛點，穩定3min后讀取數據;啟動噴水裝置（4% T.O.）-使系統穩定;1min內減速到進場慢車，穩定運轉3min后讀取數據;1min內加速到起飛點，穩定運轉5min后讀取數據;關閉噴水裝置。

需要注意的是，CFM56發動機雖然滿足了適航的要求，通過FAA的審定，但是裝機后出現多起吞入雨水造成發動機空中停車喪失推力的故障，CFM公司針對此種情況仍然對發動機進行了改進，提高核心機的排水能力，改進后的發動機裝在飛行臺上又進行了噴水試驗。改進措施還被用于GE90和V2500發動機上。

2.目前我國吞水試驗相關標準

2.1 航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范

試驗發動機按GJB 4877-2003規定進行吞入大氣中液態水試驗。當發動機以最大推力狀態工作時，把占總空氣總質量流量2.0 %、3.5 %和5.0 %的水（液態和氣態）引進發動機進口，其中有50 %的液態水進入1/3的進口扇形面積。發動機在上述每一條件下工作5 min后，再在慢車狀態重復上述程序。在試驗中，注意和記錄吞入水對發動機性能的影響，試驗結束時將發動機停車，并冷卻到環境溫度，然后再進行試驗后的性能檢查。性能檢驗后，將發動機完全分解、檢驗。如發動機保持了適當的間隙、在試驗中未發生損傷或有害擦傷、性能未惡化、燃氣流路中的零件未受到損傷，則認為滿意地完成了驗證3.8.6.5的要求。

2.2 航空發動機適航標準

每型發動機必須證明當其突然遭遇濃度達到規定的審查標準的雨和冰雹時，在其整個規定的工作包線范圍內仍有可接受的工作能力。發動機可接受的工作能力是指在任何連續3分鐘的降雨周期內，和任何連續30秒的降冰雹周期內，發動機不熄火、不降轉、不發生持續或不可恢復的喘振或失速、或不失去加速和減速的能力。還必須證明吸入之后沒有不可接受的機械損壞，不可接受的推力損失或其他不利的發動機異常情況。

3.吞水試驗方法

不同類型的航空發動機吞水試驗考核方面有較大的區別，主要與飛機的用途有關。

3.1 軍機發動機

軍機包含了殲擊機、轟炸機、殲擊轟炸機、強擊機反潛巡邏機等多種機型，多數機型均具有速度快、機動性好的特點，與民機相比，軍機常采用大攻角飛行，變換各種飛行姿態，進氣條件不穩定。

在吞入雨水時，由于進氣條件不穩定，同時進氣道較長，雨水可能會在進氣道下部聚集，因此在考核時，盡可能模擬出真實的使用環境，通常采用國軍標規定的考核方法，在發動機進口下部的扇形區域加嚴雨水吸入量的考核。

3.2 民機發動機

民用飛機首要滿足安全性的使用需求，機動性一般，飛行過程中無大攻角飛行。目前國際上的民機發動機多為大涵道比發動機，與軍機發動機相比，大涵道比發動機進氣道相對較短，進氣條件相對穩定，雨水不會在進氣道下部聚集，因此在考核時，通常采用適航標準規定的考核方法，按照均勻進水的方法進行考核。

結束語

航空發動機配裝飛機在使用過程中可能吸入大量的雨水，對發動機的正常使用和飛行安全帶來一定的影響。在發動機研制期間，應根據飛機不同的用途，依據相應的標準，對發動機進行相應的吞水考核，保證飛行安全。

參考文獻

[1] 馬慶祥.航空發動機地面模擬吞水試驗[J].燃氣渦輪試驗與研究，2002.15（4）：43-44.