防砂裝置結冰特性的實驗研究

劉冬冬，李星萍，胡路平，王輝

（中國航空工業直升機設計研究所，天津 300000）

1 前言

直升機作為可垂直起降的空中平臺，具有受地形限制較弱、飛行較靈活的特點。但在近地面起飛及著陸時，將不可避免地揚起大量砂塵，這些異物若被吸入發動機，將有可能對發動機的安全運行造成極大威脅，嚴重時甚至導致發動機停車，直接影響直升機飛行安全。因此，防砂裝置就成了直升機飛行時需要考慮的安全措施之一。

防砂裝置作為發動機進氣道前端的防護設備，必須具有高分離效率及低壓損的特點，同時，還要符合適航規章中在最大連續和間斷結冰環境中安全飛行的能力。目前關于直升機防冰的研究主要集中于直升機進氣道及旋翼的結冰研究。2017年，汪濤等人提出了一種基于冰霧噴灑塔的進氣道防冰試驗方法，并對其進行了驗證，表明了該方法的有效性。何潔等人通過仿真及試驗的方法對某型直升機發動機進氣道進行了熱氣防冰的研究，表明可通過控制熱氣溫度與流量實現防冰需求。2019年，林森什等人結合適航規章和國內外的進氣道結冰試驗，設計了一種考察進氣道結冰對發動機性能影響的試驗，探索了結冰參數對發動機性能影響的規律。

關于防砂裝置結冰特性及規律的研究現在還較少，為研究防砂裝置結冰對發動機進氣及直升機飛行的影響，首先，需要了解防砂裝置的防冰特性，本文采用冰風洞實驗，對風速、溫度及液態水含量進行了研究，詳細考察了三種因素對防砂面板表面積冰的冰形及內部壓力變化的影響，對防砂裝置的防冰設計及分析提供了指導依據。

2 實驗系統

本文的實驗系統主要由防砂裝置面板及相應的支撐結構組成，防砂面板如圖1所示，考慮到渦旋管與來流方向呈90°時，面板的迎風面不可避免的會造成一定繞流，為了減小繞流對防砂面板結冰的影響，在面板迎風面設置導流罩使繞流大部分流向面板兩側。面板背面圓孔連接抽氣管道用以模擬發動機進氣，在面板內壁設有測壓孔以連接測壓管道。

圖1 防砂裝置面板結構示意圖

航空工業氣動院提供了實驗段為0.6m×0.6m×2.7m的風洞進行實驗，該風洞通過控制、調節壓縮機轉速實現控制及調節目標馬赫數，可實現的馬赫數范圍為0.15～1.6。風洞通過制冷系統可以實現低溫環境，滿足結冰實驗需求，目前可實現的總溫范圍為233K～333K。同時，風洞噴霧系統能夠產生滿足FAR25部附錄C規定的水滴直徑和液態水含量的云霧條件。目前校測可實現的水滴直徑范圍為17～35μm，液態水含量的范圍為0.42～3g/m3。

3 結果和討論

本文通過冰風洞實驗探究了風速、溫度及液態水含量對結冰的影響。實驗發現，在不同的工況下，防砂面板表面結冰的增長具有一定的規律性，雖然受風速、溫度及液態水含量的影響使得結冰厚度及冰型大小不一，但結冰位置及結冰過程大致相同，均是先從面板后部的渦旋管周圍開始結冰，且只沿渦旋管外圍斜向上生長，隨著時間變化積冰逐漸向前蔓延，在到一定厚度后保持穩定，最終在表面形成后半部分結冰較厚、前半部分結冰較薄的錐形的冰層。

3.1 風速對結冰的影響

為考查風速對面板表面結冰的影響，選擇風洞風速為80m/s，68m/s和40m/s進行對比。此時，液態水含量均為1 g/m3，水滴有效直徑為20μm，溫度為-5℃。

圖2 和圖3分別示出了三種風速下防砂面板表面的結冰情況和內部的壓力變化。從實驗結果來看，風速越低結冰越嚴重，在風速為40m/s時，面板表面的積冰最多，結冰最嚴重，同時該風速下面板內部壓力先升高后降低，最終基本穩定在與未發生結冰時持平的狀態。速度升高時，面板表面積冰減少，同時面板內部的壓力有少量增高現象，說明低風速時對防砂面板進氣更為有利。

圖2 風速分別為80m/s、68m/s、40m/s下的冰形

圖3 風速分別為80m/s、68m/s、40m/s時內部壓力變化情況

3.2 溫度對結冰的影響

為考查溫度對防砂面板表面結冰的影響，選擇溫度分別為-5℃，-9℃，-20℃，-30℃進行對比。此時，液態水含量均為1g/m3，水滴有效直徑為20μm，風速為40m/s。

圖4 和圖5分別示出了不同溫度下防砂面板的結冰情況和內部的壓力變化。從圖中可以看出，隨溫度降低，面板的結冰速度和結冰厚度都有所增加。面板內部的壓力在溫度為-5℃時內部壓力先增加后降低，最終基本恢復至結冰前的狀態并保持穩定。在溫度為-9℃、-20℃和-30℃時，壓力也有一個初步上升過程，之后持續下降，但下降幅度不大，即使在-20℃工況下持續結冰120min的情況下，壓力下降也不大于3KPa。觀察冰形發現，結冰先從渦旋管后緣開始，冰形基本呈蜂窩或松塔狀，有很多空隙，這為面板進氣構建了獨特的“輸氣通道”，因此，壓力呈現先升高后降低的趨勢。

圖4 溫度分別為-5℃、-9℃、-20℃、-30℃下的冰形

圖5 溫度分別為-5℃、-9℃、-20℃、-30℃時內部壓力變化情況

3.3 液態水含量對結冰的影響

為考查液態水含量對防砂面板表面結冰的影響，對比1g/m3，選擇液態水含量為0.7g/m3進行實驗，此時，水滴有效直徑為20μm，溫度為-5℃。

圖6和圖7分別示出了液態水含量為0.7g/m3下面板的結冰情況和面板內部的壓力變化。對比圖2和圖3中液態水含量為1g/m3時的冰形及壓力變化，可以看出，面板所結冰的大小和厚度均與液態水含量大小呈正相關，即隨液態水含量增大，結冰越嚴重。不同的液態水含量對內部的壓力變化趨勢影響不大，壓力變化主要受溫度和速度的影響，因此，在80m/s時，兩種液態水含量工況下壓力均增大，在40m/s時，兩種液態水含量工況下壓力均先升高后降低。同時，液態水含量較大時，水滴在渦旋管后緣積聚更快，因此，液態水含量更高的工況下壓力增加值越大。LWC=1.0g/m3時，不同風速下壓力增加約1500Pa和150Pa；LWC=0.7g/m3時，同速度下壓力增加約1200Pa和50Pa。

圖6 液態水含量為0.7g/m3，風速分別為80m/s和40m/s下的冰形

圖7 液態水含量為0.7g/m3，風速分別為80m/s和40m/s時內部壓力變化情況

4 結語

本文通過冰風洞實驗對防砂面板的結冰特性進行了考察，探究了風速、溫度及液態水含量對結冰的影響。實驗發現，在不同的工況下，防砂面板表面結冰的增長具有一定的規律性，最終在表面形成類似錐形的冰層。在風速越低時結冰越嚴重，但內部分壓力變化表明，低風速對進氣更為有利。而隨溫度降低，面板的結冰速度和結冰厚度都有所增加，但總體而言，對進氣的影響不大。隨液態水含量的增加，水滴在渦旋管后緣積聚的更快，結冰也越嚴重，不同風速下防砂面板內壓力增加值也越大。