發動機吞水試驗用噴水裝置管路調控特性試驗分析

孫科，馬昌，任博揚，宋江濤，賈文杰

(中國飛行試驗研究院發動機所，西安 710089)

飛機穿過云層時，發動機會吸入云層中的水，對安全運轉產生影響，進而會影響飛行安全。飛機如在跑道積水的機場起飛、降落，發動機會吸入跑道積水。為保證發動機工作穩定性，需進行相關考核試驗，驗證說明發動機在吸雨/吞水條件下的安全可靠性。對于民用航空發動機，必須通過適航認證試驗，才能獲得商業運行許可。軍用發動機同樣需要進行吞水試驗，才能通過設計定型。

中外均制定了相應的適航條款，美國航空局制定的FAR 33部[1]中33.78條即規定發動機需在工作包線范圍內，遭遇任何連續3分鐘降雨時，具有可接受的工作能力。歐洲航空安全局(European Aviation Safety Agency，EASA)和中國民航局同樣制定了適航條款[2-3]，其中規定發動機吸雨時必須具備工作穩定性。《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》(GJB 241A—2010)[4]規定，發動機在慢車及最大推力狀態工作時，需吞入占空氣總質量流量2%、3.5%、5%的水，發動機在上述每一條件下工作5 min。《航空渦輪發動機吞水試驗要求》(GJB 4877—2003)[5]中提出了發動機吞水試驗具體要求。進行發動機吞水試驗，需模擬降水環境，噴水裝置用于提供試驗所需用水，其對試驗開展起非常重要的作用。Nikolaidis[6]通過數值計算研究吞入水對發動機性能的影響，夏國正等[7]、馬宇晨[8]通過數值模擬研究了吸雨對壓氣機的影響，但是仿真計算僅從原理角度模擬吞水對發動機的影響，最終需要通過吞水試驗驗證發動機在吞水時的工作穩定可靠性。邢洋等[9]在地面臺架上進行了發動機吞水試驗。米曉童等[10]對吞水試驗臺噴霧系統進行了數值模擬研究，薛洪科等[11]研制了一款航空發動機地面吞水試驗設備，這種試驗設備是在進氣道進口外噴水。田小江等[12]研制的噴水試驗設備，是在進氣道流道內布置噴嘴，其設備指標滿足相關標準要求，但對噴水裝置及其管路特性均沒有明確的介紹。不同發動機狀態所需的水量變化較大，需專門針對噴水裝置調控進行研究。賀元驊等[13]針對細水霧滅火技術中水霧粒徑的影響因素開展了實驗分析研究，其噴頭噴出水滴的過程與噴水裝置類似。張華杰等[14]針對細水霧滅火技術中粒徑對滅火的影響進行了研究。王瑜等[15]針對數據中心噴霧冷卻系統的研究進展進行了研究，其中噴霧系統使用的噴嘴與噴水裝置相似。

吞水試驗過程中，噴水裝置需將試驗所需的水量噴入至發動機進口，其噴水流量的調節性能是一項關鍵技術。為此，針對研制的噴水裝置，進行管路調控特性試驗，形成噴水量及水滴粒徑調節方法，為噴水裝置調控提供指導及支撐。

1 噴水裝置簡介

噴水裝置主要包含供水系統、噴水環。圖1為噴水裝置工作原理示意圖。供水系統向噴水環供水，經過噴水環上分布的噴嘴噴出，水滴被發動機進氣道吸入。圖2為供水系統元件組成示意圖，供水系統管網由主供水路、大流量路、小流量路及回水路組成。主供水路由水泵及過濾器等組成。大流量路由流量計、電磁開關閥等組成；小流量路由流量計、電磁開關閥組成；回水路由電動調節閥組成。水箱中的水在水泵作用下首先進入主供水管路，一部分水通過回水路流回至水箱中，剩余的水則通過大流量路或小流量路進入噴水環。

圖1 噴水裝置工作原理簡圖Fig.1 Working principle diagram of sprinkler

M為電動機構；P為壓力傳感器；H為液位傳感器圖2 供水系統組成Fig.2 Composition of water supply system

該噴水裝置供水系統的詳細設計參數包括：①水箱的有效容積為8 m3，可保障發動機最大吞水試驗工況的試驗；②所選水泵在額定狀態下的流量為65 m3/h，對應的揚程為102 m；③回水調節閥的通徑為80 mm，公稱壓力1.6 MPa；④大流量路的流量測量范圍為10～80 m3/h，0.5級；⑤小流量路的流量測量范圍為2～20 m3/h，0.5級。

2 水流量調節原理

噴水裝置調試過程中，主要調節回水路中電動調節閥的開度，即電動調節閥1的開度，調整通過回水路流回至水箱的水流量，即可調整供應至噴水環的水流量。

通過閥門的水流量與閥門流量系數有關，閥門的流動狀態分為阻塞流和非阻塞流兩種。Kv為閥門的流量系數[16]，定義是溫度為(5～40 ℃)的水在105Pa壓降下，1 h內流過閥的立方米數。流量系數直接反映了流體通過閥門的能力。

當閥門前后的壓力差滿足式(1)時，流動狀態為非阻塞流。流量系數與通過閥門的流量呈正相關，流量系數的計算公式見式(2)。

(1)

式(1)中：Δp為閥門前后的壓差，Pa；FL為壓力恢復系數，對于O型球閥，取0.55；p1為閥前壓力，Pa；pv為液體飽和蒸汽壓力，Pa；FF為閥入口溫度下的pv與液體臨界壓力之比的函數。

(2)

式(2)中：Kv為流量系數；m為通過調節閥的質量流量，kg/h；ρL為水的密度，kg/m3。

(3)

式(3)中：pc為臨界壓力，對于水，取21 966.5 kPa。

當閥門前后的壓力差滿足式(4)時，流動狀態為阻塞流，此時將產生阻塞流的壓差值代入式(2)中進行計算，得到流量系數的表達式見式(5)。

(4)

(5)

供水系統中所用的O型球閥，通過調節閥芯角度調整流通面積，從而調節流通能力。圖3為球閥閥芯旋轉角度為θ時的工作示意圖，此時有效流通面積有較大減小，有效流通面積與開度之間的關系如式(6)所示，隨著閥門開度增大有效流通面積隨之增大，因此隨著開度增大流量系數逐漸增大。研究表明，隨著閥門開度的增大流量系數隨之增大[17-18]。閥門開度較大時，流通面積的變化趨勢很小，相應的流量系數在該區域的變化趨勢也很小。

圖3 球閥工作示意圖Fig.3 Working diagram of ball valve

(6)

式(6)中：v為閥門開度，%；A為閥門開度為v時有效流通面積，m2；A0為閥門開度為100%時有效流通面積，m2。

由于發動機吞水試驗需在不同發動機狀態及不同吞水量條件下開展，因此噴水裝置供水流量需在一定范圍內調節。如一味調節閥門開度來調整噴水流量，則供水壓力變化范圍較大，不利于水滴粒徑控制。因此除通過調節閥門開度調整供水流量外，還可以通過調整噴嘴數量調節供水流量。采用調節閥門開度與噴嘴數量結合的方式進行噴水流量控制，保證供水壓力在一定范圍內，進而可以保證水滴粒徑滿足相關要求。

通過不同數量噴嘴、不同回水閥開度的調試試驗，分析供水系統管網特性，為吞水試驗噴水裝置水流量調節提供支撐。表1為試驗工況。

表1 調試試驗工況Table 1 Commissioning test condition

圖4為可安裝噴嘴的位置分布，噴水環上最多可安裝69個噴嘴，可通過噴嘴及堵頭的更換調整噴嘴數量。圖5為某次試驗現場示意圖。分別調整噴嘴數量為9、10、14、18、44。回水閥門開度在20%～100%進行調節，由于供水管網中元件公稱壓力為1.6 MPa，試驗中閥門開度適當調整。

圖4 噴水環噴嘴分布位置Fig.4 Distribution position of sprayring nozzle

圖5 試驗現場示意圖Fig.5 Schematic diagram of test site

3 試驗結果分析

3.1 管路調控特性分析

圖6為10個噴嘴工況條件下的閥門調節結果，圖7為水流量隨開度變化，圖8為供水壓力隨開度變化。試驗過程中，將閥門開度由100%逐漸減小，得到不同開度下水流量及供水壓力。在閥門開度較大條件下，供水流量和供水壓力變化較小，供水壓力為130 kPa，較小的供水壓力條件下，噴嘴噴出的水滴粒徑較大，不能滿足試驗要求，此時對應的回水流量值較大。在大開度區間內，隨開度變化回水流量的變化很小，這是由于閥門為O型球閥，在開度較大條件下，隨著開度的變化，閥門流通面積變化很小，因此通過閥門的水流量值變化幅度很小。

圖6 回水閥開度實際值與給定值對比Fig.6 Comparison between actual value and given value of return valve opening

圖7 10個噴嘴流量隨回水閥開度變化Fig.7 Flow of 10 nozzles varies with the opening of the return valve

圖8 10個噴嘴供水壓力隨回水閥開度變化Fig.8 Change of water supply pressure and return valve opening of 10 nozzles

3.2 供水管網流阻特性分析

圖9為不同噴嘴數量條件下供水壓力和供水流量的對比，其中9個噴嘴、10個噴嘴、14個噴嘴、18個噴嘴采用小流量路供水，44個噴嘴采用大流量路供水。

圖9 不同噴嘴數量供水壓力、供水流量隨回水閥開度變化Fig.9 Variation of water supply pressure and flow rate with the opening of return valve for different number of nozzles

對于回水閥開度小于55的某一特定開度，供水壓力隨著噴嘴數量的減少而增大，這是由于隨著噴嘴數量的減小，供水流路的流阻增大，則整個管路的流阻增大，因此整個管路的流通能力下降，通過水泵的水流量減小，進而水泵揚程增大，因此供水壓力增大。此時，由于噴嘴數量減小，噴水環供水流量減小，且供水流量減小值大于回水流路流量增大值，因此主供水管流量減小。44個噴嘴工況與其他工況相比，相同回水閥開度條件下，供水壓力有較大程度的減小，這是由于44個噴嘴工況采用大流路進行供水，大流路供水管徑較大，且44個噴嘴流通面積較大，供水管路整體的流阻有較大程度的降低，從而管路整體的流阻降低，因此總供水流量增大，水泵的揚程減小，因此供水壓力有較大程度的降低。

對于回水閥開度大于55時，由于回水流路的閥門流通能力很強，其流阻較小，從而整個供水管網的流阻較小，主供水管路水流量較大，因此水泵后的壓力較小，從而噴水環供水壓力較小，此時大量的水通過回水路流回至水箱。雖然噴嘴數量變化會造成大流量路/小流量路流阻變化，但對整個供水管網的影響微乎其微，因此不同噴嘴工況條件下，供水壓力基本一致。由于噴嘴數量變化會造成大流量路/小流量路流阻變化，在相同供水壓力條件下，水流量自然有所不同，對于噴嘴數量多的工況，水流量較大；對于噴嘴數量少的工況，水流量則較小。

3.3 噴水粒徑分析

圖10為44個噴嘴調節過程，通過調節回水閥開度調節噴水壓力和噴水流量。圖11為供水流量變化，圖12為供水壓力變化。試驗過程中回水閥開度由大逐漸減小，對應的供水壓力和供水流量逐漸增大。

圖10 44個噴嘴工況調節過程Fig.10 44 nozzles condition adjustment processes

圖11 44個噴嘴工況流量變化Fig.11 Flow variation under 44 nozzles condition

圖12 44個噴嘴工況供水壓力變化Fig.12 Variation of water supply pressure under 44 nozzles condition

圖13為不同供水壓力條件下對應的水滴粒徑分布示意。隨著供水壓力的增大，水流量逐漸增大，另外隨著供水壓力的增大，水滴粒徑明顯變小，在供水壓力小于200 kPa時，噴嘴噴出的水呈明顯滴狀，且由于供水壓力較小，水滴噴出速度較小，噴出的水滴在重力作用下呈明顯的下落趨勢。供水壓力在200～400 kPa范圍，噴出的水滴較200 kPa以下供水壓力時破碎程度有明顯加大，但依然呈現小水滴狀液滴。當供水壓力大于400 kPa時，噴嘴噴出的水呈霧狀，此時的水滴霧化程度較高，水滴粒徑很小，當供水壓力大于600 kPa時，噴霧效果尤為明顯。

圖13 不同供水壓力條件下的水滴粒徑分布示意圖Fig.13 Schematic diagram of droplet size distribution under different water supply pressure

使用激光粒度儀進行水滴粒徑測量，試驗結果表明供水壓力在400 kPa以上時，最大水滴粒徑可充分滿足小于2 mm的技術要求。

4 結論

針對發動機吞水試驗用噴水裝置，進行了供水系統管路特性試驗研究。由于噴水裝置需適應不同工況條件下吞水量需求，因此進行供水管網調控特性研究。得出如下結論。

(1)通過分析供水管網中主要組成部件的調控特性，揭示了供水管網水流量調節原理，如僅采用回水閥開度調節水流量，會造成供水壓力在不同工況條件下有很大變化。因此采用回水閥開度調節及噴嘴數量調節組合的調控方法，進行噴水流量調整。這種方法可將供水壓力控制在一定范圍內，從而使得水滴粒徑滿足技術要求。通過分析噴嘴水滴粒徑分布特性，當供水壓力在400 kPa以上時，水滴粒徑滿足要求，當供水壓力超過600 kPa時，水滴破碎程度更強，霧化效果更好。這種流量調控方法可應用于后續同類發動機吞水試驗中。

(2)隨著回水閥開度的減小，回水路流量逐漸減小，噴嘴供水流路流量逐漸增大。在閥門開度較大時，閥門開度變化引起的供水壓力及供水流量變化很小。對于不同噴嘴數量間的對比試驗，當閥門開度為特定值時，隨著噴嘴數量的增多，大流量路/小流量路流阻減小，因此管網整體流通能力增強，從而流經水泵的水流量增大，因此水泵增壓減小，從而供水壓力略有減小。但由于噴嘴數量增多的效果明顯，因此噴嘴供水流量增大。