航空發動機中冰晶結冰的研究進展

沈 浩,韓冰冰,張麗芬

(1.中國民用航空上海航空器適航審定中心,上海 200335;2.西北工業大學 動力與能源學院,西安 710072)

0 引 言

航空發動機結冰是飛機安全飛行的一個重要隱患。發動機結冰輕則引起壓氣機失速、喘振，重則引起空中停車、發動機機械損傷，甚至導致災難性后果。傳統的發動機結冰是指發動機裸露表面的結冰[1]，如發動機整流帽罩、進口支板、導葉等，這些區域通常采用熱空氣[2-4]、電加熱[5]或者熱滑油[6]進行防冰，因此危害可提前預防。然而，發動機的壓氣機結冰不容易被探測，也無法提前預防，即使飛行員發現壓氣機結冰，也很難采取有效措施，因此其危害遠大于傳統的發動機結冰。一般認為經過風扇壓縮后的空氣溫度會高于零度，因此發動機的壓縮部件不會發生結冰。而近年來通過對多起發動機推力損失事件的研究[7]，人們發現低壓壓氣機甚至高壓壓氣機前幾級都可能發生結冰，并且冰晶是導致壓氣機結冰的罪魁禍首[8]。冰晶導致的壓氣機結冰研究比傳統的發動機結冰研究更為復雜，涉及的動力學及熱力學問題更多。因此，冰晶導致的壓氣機結冰已經成為航空發動機領域面臨的一個新的課題和挑戰。

本文對冰晶導致的壓氣機結冰研究文獻進行收集整理，分析目前的研究狀況及研究中存在的一些問題，期望能夠引起相關科研工作者的關注和重視。

1 冰晶的特點及危害

冰晶一般發生在6700 m以上具有強對流特性的云層中[9]，這一高度已經達到了液態水存在的上限，因此液態水含量幾乎為零。從圖1中可以看出,絕大部分壓氣機結冰導致的推力損失事件都發生在FAA聯邦航空條例(FAR-25)附錄C規定的連續最大結冰和間斷最大結冰包線之外。這說明冰晶存在的區域不同于過冷水滴。

圖1 發動機功率損失和發動機損傷事件發生的高度和溫度范圍[10]Fig.1 Altitude and temperature of engine power loss and damage events[10]

冰晶一旦形成，其含量最高可達9 g/m3，平均粒徑最大可達200 μm[10]。其含量高、粒徑大的特點與傳統的過冷水滴也有很大區別。冰晶撞擊到飛機的機翼、尾翼等迎風部件時，由于其表面溫度很低，冰晶不會黏結在物體表面，因此不會引起飛機結冰。而冰晶進入發動機內部則可能出現先融化再黏附凍結的現象，可能引起低壓壓氣機甚至高壓壓氣機的前幾級結冰。圖2是一個典型的渦扇發動機潛在結冰位置的示意圖。從圖中可以看出，發動機的進口部件是過冷水滴的結冰區域，而低壓壓氣機和高壓壓氣機的前幾級是可能發生冰晶結冰的區域。這說明冰晶與過冷水滴導致的結冰范圍明顯不同。冰晶在穿越壓氣機的過程中，由于周圍空氣溫度高于0 ℃，表面逐漸融化成水膜，粒徑變小，在氣動力作用下表面水膜可能剝離形成小水滴，因此發動機攝入冰晶研究是空氣-冰晶-水滴三相混合流動，比傳統發動機結冰中空氣-水滴兩相流研究更加復雜。另外冰晶融化、表面水膜剝離形成的小水滴撞擊在壓氣機葉片上逐漸積累會形成水，后續的冰晶撞擊水膜的過程中可能發生冰晶的破碎、反彈、黏附和水膜的飛濺等，這一過程比一般過冷水滴撞擊壁面的過程更復雜。

冰晶引起的壓氣機結冰可導致壓氣機喘振、發動機停車、燃燒室熄火以及發動機的機械損傷等[11]，這些都會引起發動機推力損失，甚至更嚴重的后果。冰晶對發動機的潛在危害必須引起重視，雖然目前尚無冰晶結冰導致的飛行事故報道，但是由冰晶結冰引起的發動機故障卻時有發生[10-11]，NASA為此部署了詳細的研究計劃[12]，并與NRCC(加拿大國家研究委員會)展開了合作研究[13]。另外，文獻[11]指出60%壓氣機結冰導致的發動機推力損失事件發生在亞太地區，其原因可能是因為海水表面溫度高，易引發強對流天氣，使高海拔的云層中產生冰晶結冰條件，而我國正處于這一區域，因此有必要開展這一研究。

圖2 典型的渦輪風扇發動機空氣壓縮系統圖(潛在結冰位置)[11]Fig.2 Schematic of typical turbofan engine compression system with potential ice accretion sites noted[11]

2 冰晶導致的壓氣機結冰研究

早在20世紀80年代初期，一架大型運輸機曾經在8500 m的高空發生過發動機推力損失故障，當時的研究者曾考慮過是否是冰晶的影響，但由于無法解釋冰晶導致結冰的原因，研究被擱淺。20世紀90年代以來，不斷發生的發動機推力損失故障,迫使研究者對這一問題進行深入研究。直到2002年，研究者才證實導致發動機失效的結冰不只是過冷水，還包括冰晶，但當時冰晶導致結冰的原因尚不明確[10]。2006年，Mason[10]對46起發動機推力損失事件進行了總結分析，明確了冰晶導致的壓氣機結冰是引起發動機推力損失的原因，并對冰晶引起結冰的過程進行了簡要分析。Mason認為冰晶進入壓氣機后，由于周圍空氣溫度高于冰點，部分冰晶融化，在葉片表面形成水膜，后續冰晶撞擊到葉片表面時，由于水膜的存在，部分冰晶即“黏附”在表面，并發生熱量交換，由于不斷有冰晶通過撞擊黏附在葉片表面，與周圍水膜及葉片發生熱量交換，因此溫度不斷降低，當葉片表面溫度低于冰點時，水開始凝固成冰。Mason的分析與FAA的專家在研究相似類型的高空發動機故障時得出的結論是一致的[14]。從此，冰晶對發動機的威脅引起了人們的重視和研究興趣[15-17]。

2.1 試驗研究

美國和加拿大率先就這一問題展開了試驗研究[18-22]。NRCC建立了模擬冰晶結冰環境的試驗臺架[23]。整個試驗系統包括：送冰、研磨、冰粒攝入等3個部分，如圖3所示。這3部分均可獨立控制測試參數，系統設計單次運行最高送冰量為200 kg，經研磨后的冰粒中位質量直徑MMD (Median Mass Diameter)為100～300 μm。該系統還安裝有8個空氣霧化噴嘴，霧化后的水滴粒徑為20～40 μm。

圖3 NRCC高空測試試驗室安裝的冰晶測試系統[23]Fig.3 Ice crystal test system installed in the NRCC research altitude test facility[23]

Fuleki等[23-25]通過試驗再現了溫度高于冰點時冰晶結冰的現象，證實了Mason分析的合理性。2009年，波音公司聯合NRCC和NASA研究了典型噴氣發動機中介機匣處冰晶的結冰[25]。研究者認為冰晶結冰量是液態水含量和總水含量比例(LWC/TWC)的函數，如圖4所示，下限為液態水很少不足以黏附冰晶發生結冰，上限是液態水含量過多，冰晶融化后不足以使水膜溫度降低到冰點而結冰，上下限之間是最容易產生冰晶結冰的比例范圍。

圖4 給定總壓，總溫，液態水含量，總水含量和馬赫數下的最佳冰晶結冰條件概念曲線 [25]Fig.4 Conceptual curve showing optimal ice-crystal icing conditions for a given pt,Tt,LWC,TWC,and Mach number[25]

在證實冰晶確實可以導致發動機結冰這一事實后，研究者開始關注不同因素對冰晶結冰的影響。冰晶存在的環境下，結冰的發生需要以冰-水共存的混合相為前提。在壓氣機內高于冰點的環境溫度中，冰晶的融化為結冰提供了條件。濕球溫度、壓力、LWC/TWC和粒徑等是影響冰晶結冰的關鍵因素，而這些因素之間又有一定的聯系。Currie等[26]研究了濕球溫度(Twb)對積冰的影響。研究證實Twb<0 ℃時，可以獲得黏附性良好的積冰，但是當LWC/TWC足夠大時，即使Twb<0 ℃，黏附性仍會較差。Twb>0 ℃時，即使空氣中僅含有冰晶，由于冰晶的融化，也會發生稀松的積冰。濕球溫度對冰晶融化率的影響非常大[27]，濕球溫度從-1 ℃增加到2 ℃時,融化率增加了13%。而積冰率和冰脫落對融化率非常敏感[24]。同時，粒徑對融化率也有影響，小粒徑融化率更高，而大粒徑融化率較低。

壓力對冰晶結冰的影響主要表現在壓力影響濕球溫度。Struk等[25]在總壓為45 kPa時，得到了黏附性良好的結冰，3 min內前緣冰的增長厚度超過了15 mm;而在總壓為93 kPa時，只在葉片前緣極小部分有積冰。在Struk等研究的試驗工況下，93 kPa時，濕球溫度高于冰點；而45 kPa時，濕球溫度低于冰點。

Knezevici等[27]通過試驗研究分析了冰晶粒徑對結冰表面的侵蝕作用。研究發現(見圖5)，在相同的冰晶質量流率下，冰晶粒子直徑較小時，侵蝕效果比較弱，積冰量較多；隨著冰晶粒徑增加，侵蝕效果愈發明顯，使積冰量減少。

圖5 濕球溫度為2 ℃時不同中位質量直徑冰晶積聚示例[27]Fig.5 Sample accretion for different crystal MMD at Twb =2 ℃[27]

Bartkus[28]對混合相云霧進行了分析，發現溫度和濕度變化時，濕球溫度基本保持不變或有少許增長。另外,濕球溫度對于云霧中相的變化是一個很大的影響因素。Struk[29]繼續開展了云霧凍結特性研究，并且進行了混合相云霧在NACA0012翼型上的結冰研究，發現冰型有以冰晶侵蝕為特征的箭頭樣結冰，也有過冷水滴特征的雙角冰型。

已開展的試驗研究對影響冰晶結冰的多種因素進行了初步分析，得到定性的結論，同時在研究中更新和發展了模擬冰晶結冰的試驗裝置和方法[30-31]。如發展了冰晶粒徑測量方法[32]，混合相云霧參數測量方法，結冰生長率測量方法[13]，以及滯止壓力、溫度、馬赫數能夠獨立調節測試冰晶現象的新裝置[33]等。

2.2 數值研究

冰晶引起的壓氣機結冰數值研究[34]主要包括冰晶的動力學研究和熱力學研究。

2.2.1 冰晶動力學數值研究

冰晶的動力學研究包括空氣與冰晶之間的相互作用，以及冰晶在結冰表面的黏附、反彈和水膜表面的飛濺等。

傳統發動機結冰流場是空氣-水滴兩相流，水滴的含量較低，一般水滴對空氣的作用可以忽略。而冰晶在空氣中的含量較高，最高可達9 g/m3，且冰晶的粒徑也較大，最大可達200 μm，因此冰晶與空氣之間的相互作用機理不同于傳統的空氣-水滴之間的關系。是否考慮冰晶對空氣的影響是空氣-冰晶流動中首先要解決的問題，而目前這一問題沒有一致的結論。Ríos等[35]認為冰晶會影響空氣的流動，因此理論上應該采用雙向耦合的方法，但在研究50、100、150和200 μm的非球形冰晶的運動特性時，僅采用了單向耦合的方法。Ríos[36]對冰晶的動力學特性進行了研究，根據顆粒間距定義了稠密離散相流動和稀疏離散相流動，并指出冰晶存在的兩相流中，應該采用雙向耦合的稀疏離散相流動，即考慮冰晶對空氣的影響。Kundu等[37]計算分析了單向耦合和雙向耦合的差異，發現采用雙向耦合時，溫降更大，指出含有冰晶的多相流計算需要采用雙向耦合。Nilamdeen等[34,38]則認為冰晶雖然粒徑大、含量高，但是仍然滿足單項耦合計算的條件，并采用這一方法對空氣、水滴、冰晶三相共存的流場進行了研究。綜上所述,目前對空氣-冰晶的兩相流計算大多采用單向耦合的計算方法，僅有少量研究開展了雙向耦合計算。空氣-冰晶相間是否需要耦合的判據、理論基礎以及計算方法仍需要深入研究。

空氣對冰晶作用力的大小與冰晶的形狀密切相關。傳統結冰計算的空氣-水滴兩相流中(不考慮SLD)，一般假設水滴為球形，不考慮變形和破碎。由于水滴的尺寸較小，因此這一假設是合理的。而冰晶的粒徑較大、形狀與球形的假設相差較多，并且運動中有可能發生破碎，因此準確描述空氣對冰晶的作用力是空氣-冰晶兩相流研究需要解決的另一個問題。Wright等[39]假設冰晶始終保持球形，不考慮冰晶的變形及受到空氣剪切作用可能發生的破碎，計算了冰晶直徑為200 μm時，發動機分離唇口的收集效率;Kundu[37]同樣采用了球形假設，計算了從25.3～253 μm呈R-R分布的冰晶的運動。采用球形假設是一種最簡單的處理方式，但是對于粒徑較大的冰晶仍采用球形假設，勢必帶來計算的不準確。Ríos[36]和Nilamdeen[38]對此進行了改進，假設冰晶的形狀為具有固定長寬比E的扁圓球，并且根據冰晶可能的形狀確定E的范圍為0.05～0.20，計算了冰晶直徑為150和200 μm時，NACA0012翼型的撞擊范圍和冰型。Veillard[9]引入了六棱柱冰晶的拖曳力計算公式，適用冰晶的雷諾數為0.2～150.0。目前的研究針對非球形冰晶，主要采用的是扁圓形和六棱柱的拖曳力系數。自然環境中冰晶的形狀多種多樣，如何計算真實非球形冰晶的運動軌跡依然是個挑戰。

冰晶撞擊到物體表面后會發生反彈、黏附、破碎，當表面有水膜存在時，會導致水膜的飛濺等。已開展的研究對這一問題進行了較大程度的簡化。Nilamdeen[38]考慮了冰晶反彈的動力學效應，但進行了簡化，即在霜冰區域完全反彈，在有水膜的區域則完全黏附，而未考慮水膜的飛濺效應。Wright[39]分析了冰晶撞擊結冰表面可能發生的各種物理現象，如：冰晶撞擊液膜表面發生黏附后，可能只有部分融化，未融化部分如何處理；冰晶反彈引起的液膜能量和質量的變化；冰晶撞擊引起的液膜飛濺的動力學效應等。但在研究中將以上問題要么忽略要么簡化。冰晶撞擊壓氣機葉片表面的動力學效應目前僅停留在對這一現象的定性分析，深入、定量的試驗研究有待進一步開展。

2.2.2 冰晶熱力學數值研究

冰晶在穿過壓氣機的過程中升華，或者吸收周圍空氣的熱量發生融化，形成一層包裹冰晶的水膜，之后水膜會蒸發，并與周圍空氣換熱。當冰晶穿過壓氣機且沒有完全融化時，可能會進入燃燒室，使燃燒室溫度降低，甚至導致燃燒室熄火。另外，冰晶撞擊到具有水膜的葉片表面時會發生黏附，繼而與周圍的水膜和空氣發生傳熱傳質現象，最終導致積冰。冰晶熱力學數值研究包含了冰晶融化、凍結等一系列過程。

(1) 冰晶融化的數值研究

冰晶融化的數值研究主要為一維計算。Lou[40]研究了冰晶穿過壓氣機的一維傳熱傳質過程，考察了表面有無水膜的2種冰晶模型(見圖6)。結果表明，表面有水膜的冰晶融化率更大；初始冰晶直徑越大，融化率越小。根據文中給出的壓氣機尺寸及工作參數，初始冰晶為200 μm時，到達燃燒室時冰晶直徑為初始直徑的65%。此外，有研究者在冰晶融化的一維計算中將冰晶的融化過程與壓氣機的特性計算耦合起來，充分考慮壓氣機內的溫度、速度變化對冰晶融化的影響。Veres[41]對壓氣機內特定位置結冰的可能性進行了一維的預測，結果表明評估冰晶結冰的2個參數非常關鍵，即當地濕球溫度要接近或低于冰點溫度、最小的當地融化率高于10%。特定位置達到這樣2個條件即認為可能發生結冰。Bidwell[42]計算了冰晶尺寸為5、20和100 μm，冰晶含量為0.3 g/m3時，冰晶穿過發動機低壓壓氣機的傳熱傳質情況，結果表明，較大粒徑的冰晶在穿過低壓壓氣機時獲取的加熱量較少，只有最小的5 μm小冰晶能夠融化，但是融化量較小，平均融化系數只有0.836。董威等[43]分析了冰晶在發動機內涵道的運動和融化過程，結果表明，冰晶半徑越大，溫度升高越慢，液態水質量分數越低，壓氣機葉片發生黏附結冰現象的可能性越小。

圖6 無水膜模型和有水膜模型[40]Fig.6 Model without water film and with water film[40]

已開展的研究注重從傳熱傳質、相變的角度去探究冰晶的傳熱傳質過程，而冰晶在壓氣機內的融化是伴隨著運動、撞擊、破碎的復雜過程。由于這一過程中運動和傳熱傳質的復雜性，以及對冰晶的運動尚缺乏清晰的認識，因此完整模擬冰晶在壓氣機內運動、撞擊、破碎、融化的過程還面臨較大難度。

(2) 冰晶凍結的熱力學模型

目前對冰晶凍結的熱力學模型研究主要是對已有的結冰熱力學模型進行改進，如Ríos等[36]的研究。Rios等將冰晶積冰分為2個階段，如圖7所示：第一階段是冰晶在葉片表面形成水膜，第二階段是后續的冰晶被水膜“捕獲”，之后利用改進的Messinger熱力學模型計算積冰。

圖7 冰晶積冰的2個階段[36]Fig.7 The two stages of ice crystal icing[36]

Nilamdeen等[34]在FENSAP-ICE基礎上發展了針對空氣-水滴-冰晶的混合相結冰的熱力學模型，由于試驗數據缺乏，僅對NACA0012翼型混合相結冰進行了驗證。結果表明，由于沒有考慮反彈，高估了積冰量。Tsao[44]建立了描述渦扇發動機壓縮系統內未加熱表面冰晶結冰的熱力學模型。該模型將冰晶結冰分為2種典型過程：(1) 當“表面凍結系數”在0和1之間時，熱力學過程由水的凍結主導，此時形成黏附性強的結冰；(2) 當“表面融化系數”在0和1之間時，熱力學過程由冰晶的進一步融化主導，此時形成黏附性弱的疏松結冰。通過對試驗數據的分析認為，該模型能夠捕捉到不同結冰條件下，發動機低壓壓氣機目標區域冰晶結冰過程的一些重要定性趨勢。

冰晶凍結的熱力學模型與冰晶撞擊表面的動力學過程是密不可分的，目前對于冰晶撞擊表面的動力學過程沒有公認的結論和試驗數據，因此精確的熱力學模型研究還存在一定困難。

3 冰晶結冰研究展望

發動機攝入冰晶導致的壓氣機結冰現象已被國內外研究者廣泛認識，并逐步得到了重視。雖然對于冰晶結冰已開展了試驗和數值研究，但是關于冰晶結冰仍有一些機理性的問題尚待解決：

(1) 在與空氣的相互作用機理研究中，幾乎都忽略了冰晶對空氣的作用，并且假設冰晶為球形或扁球形，未考慮冰晶受剪切力發生的破碎。毋庸置疑，增加冰晶對空氣的作用研究，并開展空氣對非球形冰晶的作用機理研究以及冰晶的破碎機理研究將更具有實際意義。

(2) 冰晶運動過程中的蒸發與相變研究。冰晶在壓氣機內運動過程中相變與蒸發決定了撞擊葉片前的狀態，這一研究是準確預測冰晶撞擊與凍結的基礎。

(3) 冰晶與表面作用機理研究。目前的研究對冰晶撞擊表面進行了簡單處理，認為要么反彈，要么黏附，對冰晶撞擊到水膜表面時飛濺的水滴質量進行粗略估計，而冰晶反彈判定準則、表面水膜是否足以黏附一定粒徑的顆粒、撞擊的能量是否足以引起水膜飛濺等沒有進行深入研究，這些問題的研究有助于準確預估表面的結冰量。

(4) 冰晶在葉片表面結冰的熱力學模型研究。已開展的研究僅對傳統的結冰熱力學模型進行了改進，但沒有考慮冰晶融化、部分融化、撞擊表面帶來的質量和能量的變化對積冰的影響。定量研究對評估冰晶的危害更具有指導意義。

(5) 試驗研究對影響冰晶結冰的不同因素進行了分析，并得到了定性的結論，但是各影響因素的定量研究需要進一步開展。

(6) 國內需要具備開展冰晶結冰試驗研究的能力，建立能夠準確模擬冰晶結冰過程的試驗臺，發展混合相云霧參數的測試技術和設備，為深入、定量開展冰晶結冰影響因素研究提供支撐。

4 結束語

目前歐美等發達國家對冰晶導致的壓氣機結冰已開展了較為深入的研究，并且制定了與冰晶結冰相關的適航規章。如2014年FAA正式發布了25-140號和33-34號修正案，其中包含了冰晶氣象條件下的要求[45]。而我國目前冰晶結冰研究剛剛起步[46]，僅僅開展了初步的數值研究[43,47-48]，試驗研究幾乎是空白，更沒有相關的適航規章。冰晶導致的壓氣機結冰比過冷水滴結冰問題更復雜，涉及到的動力學及熱力學問題更多。這一問題應當引起相關科研人員重視，并積極開展關于冰晶結冰的基礎理論與工程應用研究，為適航審定研究提供理論基礎和依據。