1 種民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)吸冰適航符合性試驗(yàn)方法

陳 嶺

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)吸入其進(jìn)氣部位結(jié)冰后脫落的冰塊，可能引起功率損失、喘振、熄火、停車等問(wèn)題。在CCAR 33.77 中對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)吸冰提出了要求，其根本目的是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在預(yù)期自然吸冰條件下進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，即驗(yàn)證其不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的正常工作產(chǎn)生不利影響[1-2]。

西方航空發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)吸冰問(wèn)題開(kāi)展了長(zhǎng)期的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[3]，從20 世紀(jì)50 年代即開(kāi)始對(duì)冰塊撞擊葉片的角度和撞擊位置進(jìn)行數(shù)值模擬，在冰塊撞擊特性的分析、熱載荷計(jì)算、冰形模擬等方面也積累了一些經(jīng)驗(yàn)[4]，開(kāi)發(fā)了一批相對(duì)成熟的吸冰數(shù)值模擬軟件，包括NASA 的LEWICE 軟件、意大利的CIR-AMIL 軟件、加拿大的FENSAP-ICE軟件，并在實(shí)際工程中應(yīng)用。開(kāi)展數(shù)值模擬的同時(shí)，NASA 利用冰風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)來(lái)模擬真實(shí)的飛行環(huán)境，進(jìn)行了大量的結(jié)冰、吸冰試驗(yàn)[5-7]。中國(guó)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吸冰、結(jié)冰的研究起步較晚，而且多為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰研究。李靜[4]通過(guò)分析不同轉(zhuǎn)速對(duì)水收集系數(shù)以及結(jié)冰的影響，進(jìn)行某型發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帽罩的3 維結(jié)冰數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究；申曉斌等[8]開(kāi)展對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道短艙前緣結(jié)冰3 維模擬研究；楊軍等[9]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口支板結(jié)冰和防冰試驗(yàn)進(jìn)行了研究。在公開(kāi)文獻(xiàn)中，吸冰符合性研究較少，只有曾海軍[10]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片結(jié)冰、吸冰適航符合性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究。隨著中國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，在航空技術(shù)研究領(lǐng)域投入的人力、物力和財(cái)力不斷增加，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校均開(kāi)展了結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)、防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的研究，并取得了一些成果[11-15]。

本文對(duì)試驗(yàn)用冰、投冰系統(tǒng)及試驗(yàn)程序和結(jié)果的符合性開(kāi)展研究，介紹了1 種民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)吸冰適航符合性試驗(yàn)方法。

1 試驗(yàn)用冰的符合性

1.1 冰的分類

在飛行實(shí)踐中，當(dāng)所遇到的結(jié)冰飛行條件和氣象條件不同時(shí)，就會(huì)形成不同類型的結(jié)冰。各類冰的典型特征如下：

（1）毛冰。毛冰是在過(guò)冷水滴接觸飛機(jī)表面還沒(méi)來(lái)得及擴(kuò)散就完全凝結(jié)而成，通常形成于氣溫相對(duì)較低、飛行速度較慢的條件下，水滴尺寸較小、形成過(guò)程非常快。毛冰的形狀比較規(guī)則，顏色呈灰乳白色、表面很粗糙、結(jié)構(gòu)疏松、附著力較差，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不可接受的影響概率較小。

（2）明冰。明冰一般在溫度較高、水滴尺寸較大、液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大、飛行速度較快條件下形成。明冰顏色透明，質(zhì)地也比其他類型的冰更硬，冰型很不規(guī)則，與表面的結(jié)合更牢固、不宜剝落，還會(huì)改變結(jié)冰部件的形狀。明冰是所有類型結(jié)冰中危害最大的。

（3）混合冰?；旌媳男纬伤俣瓤?、比較厚、表面粗糙、形狀不規(guī)則、表面凍結(jié)牢固?；旌媳鶎?duì)進(jìn)氣機(jī)匣外形會(huì)造成較大的改變，也很難脫落，一旦脫落，則會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很嚴(yán)重的破壞，其危害略小于明冰。

因此，為了在更加嚴(yán)酷的條件下考核發(fā)動(dòng)機(jī)吸冰產(chǎn)生的影響，本文選擇明冰作為吸入物進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 冰模設(shè)計(jì)

通過(guò)分析結(jié)冰試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定本次用冰厚度；為更嚴(yán)酷考核發(fā)動(dòng)機(jī)，需盡量保持冰塊輪廓，結(jié)合進(jìn)氣網(wǎng)罩的網(wǎng)格間距，選擇正方體為試驗(yàn)用冰形；綜合上述條件設(shè)計(jì)冰模，其由底盒、分離層、及4 塊冰格組成，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)用冰模

為讓冰塊順利通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣網(wǎng)罩的網(wǎng)格，冰模網(wǎng)格尺寸比發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣網(wǎng)罩的網(wǎng)格尺寸略小。冰模考慮了由水制成冰過(guò)程中的物理特性后通過(guò)3D 打印而成。

由于水變?yōu)楸倪^(guò)程中具有較強(qiáng)的黏結(jié)性，導(dǎo)致脫模困難、棱角易破損等，在設(shè)計(jì)時(shí)加入超疏水分離層，分離層即為構(gòu)造超疏水表面，通過(guò)改變疏水材料表面的微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)改造表面粗糙度，達(dá)到疏水的目的。分離層的超疏水性越好，水滴在分離層表面上越接近球形，水滴的接觸面積也越小，越易從分離層表面滑落。分離層降低了冰分離的難度，提高了冰的質(zhì)量。

1.3 冰塊制作

制冰在恒定的環(huán)境溫度下進(jìn)行，在制冰過(guò)程中蒸餾水以一定速率持續(xù)冷卻降溫至相變平衡溫度，當(dāng)繼續(xù)冷卻降溫打破相變平衡溫度后持續(xù)形成冰[16]。由于測(cè)量精度所限，本文以20 ℃降至-4 ℃為例，多次測(cè)量制冰溫降數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)取平均值后繪制曲線，如圖2 所示。從圖中可見(jiàn)，水溫約以0.21℃/min 降低，在-3℃附近溫降速率開(kāi)始減緩，每單位溫度所需溫降時(shí)間變長(zhǎng)。參考國(guó)軍標(biāo)[17]相關(guān)規(guī)定，本次試驗(yàn)制冰先在-18℃的環(huán)境溫度下放置48 h 后，再在-6℃的環(huán)境溫度下放置24 h。文獻(xiàn)[4]中“水滴直徑對(duì)冰形有決定作用；隨著液態(tài)水含量增加冰霜均轉(zhuǎn)變?yōu)槊鞅?。冰模制冰具有大水滴直徑、液態(tài)水含量高等特點(diǎn)，因此制作的冰即為明冰。

圖2 制冰溫降

試驗(yàn)前在常溫（日間氣溫為6～8℃）條件下開(kāi)展調(diào)試：將冰塊放置在漏斗中（漏斗有保溫層）20 min 后觀察無(wú)水滴，冰塊棱角清晰未融化，質(zhì)量、溫度經(jīng)測(cè)量均滿足適航條款要求。

2 投冰系統(tǒng)的符合性

2.1 投冰裝置的符合性

該型發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)規(guī)定：在任何功率狀態(tài)下，直升機(jī)進(jìn)氣道都不能在瞬間釋放超過(guò)50 g 的冰。若試驗(yàn)時(shí)吸冰50 g，發(fā)動(dòng)機(jī)未引發(fā)功率損失、喘振、熄火、停車等問(wèn)題，則滿足CCAR33.77 條款。

投冰裝置主要由漏斗、遠(yuǎn)程控制器、閘門、及進(jìn)氣網(wǎng)罩組成。試驗(yàn)前需對(duì)投冰裝置進(jìn)行調(diào)試。在靜態(tài)條件下投冰，約有22%的冰濺落在網(wǎng)罩外；在發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)下投冰，約有5.7%的冰濺落在網(wǎng)罩外。上述結(jié)果表明：在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣流對(duì)冰的軌跡有一定影響，但不能確保冰全部吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，因此吸冰符合性試驗(yàn)失敗后，對(duì)投冰裝置進(jìn)氣網(wǎng)罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的投冰裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 投冰裝置及網(wǎng)罩

進(jìn)氣網(wǎng)罩增加防護(hù)網(wǎng)后可使投入的冰塊全部吸入發(fā)動(dòng)機(jī)。在試驗(yàn)時(shí)防護(hù)網(wǎng)對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)形成局部畸變，增加了試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)和難度，但不影響試驗(yàn)結(jié)果，可滿足適航條款要求。

2.2 投冰速度的符合性

在飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)吸冰時(shí)，冰塊進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬間速度為

在一般情況下，冰塊脫落后作垂直運(yùn)動(dòng)。由于飛行器為水平高速飛行，相對(duì)飛行器的水平速度為0，冰塊自身的下落速度可以忽略不計(jì)。在試驗(yàn)時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)固定不動(dòng)，冰塊在發(fā)動(dòng)機(jī)正上方投入進(jìn)氣網(wǎng)罩內(nèi)，冰塊的水平速度相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度為0，垂直速度可忽略。因此在試驗(yàn)時(shí)吸冰速度能模擬飛行時(shí)被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的冰塊速度。

3 試驗(yàn)程序及結(jié)果的符合性

3.1 試驗(yàn)程序

為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)是在最大巡航功率下正面積聚最多數(shù)量的冰，試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)穩(wěn)定后投入全部50 g 冰。完整的試驗(yàn)程序如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)程序

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)在投冰后52 s 內(nèi)吸入全部投入的50 g冰。在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速NXNH、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速NXNPT、振動(dòng)、渦輪進(jìn)口溫度T45M及扭矩WTRQSD進(jìn)行測(cè)量，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，如圖5～7 所示。

從圖5～7 中可見(jiàn)，在吸冰過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)及扭矩均未明顯波動(dòng)，各參數(shù)峰值均在吸冰試驗(yàn)規(guī)定范圍內(nèi)；發(fā)動(dòng)機(jī)未發(fā)生熄火、喘振及不可接受的損傷。

圖5 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速

圖6 試驗(yàn)扭矩及溫度

圖7 燃?xì)獍l(fā)生器振動(dòng)總量

33.77 條款要求試驗(yàn)條件為-4 ℃，而實(shí)際試驗(yàn)條件為6 ℃，由于吸冰試驗(yàn)主要考核發(fā)動(dòng)機(jī)吸入冰塊后壓氣機(jī)部件是否有損傷，試驗(yàn)后的功率降低了0.14%滿足要求，而功率均是在換算到海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度、壓力條件下進(jìn)行對(duì)比，因此發(fā)動(dòng)機(jī)功率檢查與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)在最大連續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，壓氣機(jī)出口溫度接近400 ℃，在進(jìn)入燃燒室之前，冰塊經(jīng)過(guò)雙級(jí)離心葉輪的撞擊已經(jīng)氣化，對(duì)燃燒室的工作狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火特性沒(méi)有影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的喘振裕度差異很小，發(fā)動(dòng)機(jī)有足夠的喘振裕度；同時(shí)進(jìn)口空氣流量差異很小，冰塊在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口被吸入的速度基本沒(méi)有差異。因此不管是在-4 ℃還是6 ℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)的符合性無(wú)影響[2，15]。本次試驗(yàn)滿足適航33.77 條款相關(guān)要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)飛行實(shí)踐中所遇到的飛行條件和結(jié)冰氣象條件的不同，總結(jié)了各類冰的典型特征，并選定明冰作為試驗(yàn)被吸物，探索滿足符合性要求的制冰模具及制冰方法。得到以下結(jié)論：

（1）采用冰模分離層降低了冰分離的難度，提高了冰的質(zhì)量；冰塊棱角清晰未融化，其質(zhì)量、溫度測(cè)量值均滿足適航條款要求。

（2）通過(guò)靜態(tài)調(diào)試投冰裝置，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)吸冰試驗(yàn)驗(yàn)證：無(wú)防護(hù)網(wǎng)的進(jìn)氣網(wǎng)罩會(huì)導(dǎo)致符合性試驗(yàn)失??；對(duì)進(jìn)氣網(wǎng)罩優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可使投入的冰塊全部吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，保證了試驗(yàn)的有效性。

（3）在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)未出現(xiàn)熄火、喘振及不可接受的損傷。試驗(yàn)溫差對(duì)符合性的影響分析結(jié)果表明：試驗(yàn)符合33.77 條款要求。

本次試驗(yàn)中由于國(guó)內(nèi)技術(shù)尚不支持疏水材料3D打印，未能進(jìn)一步降低冰塊脫模難度。同時(shí)，據(jù)查閱，中國(guó)無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)論述冰塊與葉片撞擊有限元分析情況，因此本文缺少計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，有待進(jìn)一步研究。