渦軸發動機適航吸雨試驗器噴水特性研究

唐利軍 ，朱明明 ，王 歡

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中國飛行試驗研究院，西安 710089）

0 引言

直升機在雨天飛行時，發動機可能吸入大量的雨水，使機匣受冷收縮，導致機匣與轉子葉尖間隙變小，易產生碰摩損害發動機；同時發動機吸入雨水后還會改變壓氣機的工作狀態[1]，影響發動機輸出功率[2-4]，導致失速、喘振、熄火等異常現象發生[5-7]，嚴重影響直升機的飛行安全，尤其在慢車狀態下，發動機空氣流量較小，雨水占空氣流量的百分比較大，更易引起發動機熄火[8-9]。甚至造成空中停車[10]。為了保證發動機在雨天可靠運行，歐美等民用航空發動機適航標準均給出吸雨合格審定的相關要求[11]。中國民用航空局適航規章《航空發動機適航規定》（CCAR-33R2）附錄B吸雨合格審定標準大氣降雨濃度的水滴尺寸分布要求[12]：粒徑范圍為0～7 mm，平均直徑為2.66 mm，并且主要集中于1.00～3.99 mm，約占總雨水質量分數的85%；另外，只要所使用的替代方法沒有降低試驗的嚴格程度，通常通過噴灑液態水模擬降雨，并且允許使用不同于附錄B規定的水滴尺寸和尺寸分布。

吸雨試驗是發動機研制過程中的一項重要試驗[13]。目前，國外已有多款民用航空發動機獲得了適航取證，吸雨適航符合性驗證試驗技術已較為成熟[14]。而中國民用航空發動機適航吸雨符合性驗證技術成熟度不高，公開資料較少。滿足適航要求的吸雨試驗器的研制是民用旋翼航空器發動機適航吸雨符合性驗證工作的前提和關鍵。而噴嘴作為吸雨試驗器的關鍵部件，其噴水特性的研究具有重要意義。

本文針對如何形成吸雨合格審定標準中大氣降雨濃度的水滴尺寸分布，利用激光粒度儀對渦流噴嘴、離心噴嘴以及直射式噴嘴的噴水特性進行了試驗研究。

1 試驗設備與原理

噴水特性試驗布局如圖1所示。

圖1 噴水特性試驗布局

從圖中可見，主要試驗設備包括儲水池、水泵、調節閥、流量計、壓力表、激光粒度儀、試驗噴嘴以及其他必要的管路連接設備、噴嘴安裝支架等。在試驗中，由水泵將儲水池內的水輸送至試驗噴嘴，由噴嘴噴出的水經激光粒度儀的測試區域將測量結果傳至計算機采集與處理軟件。通過調節供水閥改變進水壓力和流量。

1.1 激光粒度儀

試驗使用德國產激光粒度儀，測量范圍為0.5～8750 μm，系統測量精度為±1.5%。該激光粒度儀通過采用激光衍射法分析顆粒的粒度分布，其工作原理如圖2 所示。當激光源發出的光束照射測量區的顆粒時，產生光的衍射，衍射光的強度分布符合Fraunhofer 衍射理論，通過放置在Fourier 變換透鏡聚焦平面上的探測器得到的衍射光的強度計算顆粒的大小和分布，具有測量精度高、分辨率高、范圍廣、結果穩定性好等優點。

圖2 激光粒度儀工作原理

1.2 噴嘴

試驗使用的噴嘴包括1 個離心噴嘴、2 個渦流噴嘴和1 個直射式噴嘴，其特性參數見表1。

表1 試驗噴嘴特性參數

直射式噴嘴利用高壓液體經小孔高速射出而霧化[15]，流動原理如圖3所示。

圖3 直射式噴嘴內部流動原理

本試驗采用的離心噴嘴為實心錐噴嘴，利用高壓液體流過內部旋流葉片產生的離心力形成液膜，在空氣作用下破碎而霧化[16]，內部流動原理如圖4所示。

圖4 離心噴嘴內部流動原理

渦流噴嘴內部流動原理如圖5 所示。從圖中可見，從噴嘴進口流入的液體進入渦流室的同時，受渦流器的影響，在渦流室內產生的旋轉流動流向下游，經過帶有錐角的噴口后呈圓形截面均勻噴出。

圖5 渦流噴嘴內部流動原理

2 試驗結果與分析

《航空發動機適航規定》33.78（b）條要求：旋翼航空器發動機在起飛狀態時的功率和最小慢車吸雨流量與空氣流量的總質量分數比至少為4%。根據某渦軸發動機的進氣流量確定了噴水特性研究流量為6～13 L/min。測量布局如圖6所示。

圖6 測量布局

為了確保噴嘴噴出的雨滴能夠完全覆蓋發動機進氣道，測量截面距噴嘴出口的距離為

式中：R為發動機進氣道半徑；θ為噴嘴的噴霧錐角。當θ=60°時，L≥200 mm。

2.1 直射式噴嘴的噴水特性

直射式噴嘴特性測量試驗場景如圖7 所示。從圖中可見，液體離開噴孔后仍聚集，在實心的液柱與周圍空氣作用下，沒有水滴產生，與吸雨合格審定標準雨滴分布相差較大。

圖7 直射式噴嘴特性測量試驗場景

2.2 離心噴嘴的噴水特性

在離心噴嘴測量截面L=200 mm時，分別在4組供水壓力和相應流量下的雨滴粒徑及分布如圖8所示。

圖8 離心噴嘴雨滴粒徑及分布（L=200 mm）

從圖中可見，隨著供水壓力的提高，流量增大，雨滴粒徑逐漸減小。因此壓力越高，離心力越大，離開噴嘴后的液滴速度越快，液滴與空氣間的作用力也越大。相應試驗條件下測得的雨滴粒徑及其分布見表2。表中離心噴嘴的雨滴粒徑與吸雨合格審定標準的平均粒徑（2660 μm）偏差較大。

表2 離心噴嘴雨滴粒徑及分布（L=200 mm）

2.3 渦流噴嘴的噴水特性

2.3.1 1#渦流噴嘴

1#渦 流 噴 嘴（90° 錐角）噴水特性測量試驗場景如圖9所示。

圖9 1#渦流噴嘴特性測量試驗場景

從圖中可見，由于錐角過大，當供水壓力較低時，噴出的雨滴出現泄漏與飛濺現象。由于發動機進氣道截面較小，若噴嘴錐角過大，不利于雨滴均勻地進入進氣道截面及實際吸雨流量的準確測量。

1#渦流噴嘴在測量截面位置L=200 mm 時，分別在3 組供水壓力與相應流量下的雨滴粒徑及其分布如圖10所示。

圖10 1#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布（L=200 mm）

從圖中可見，隨著供水壓力的提高，流量增大，雨滴粒徑逐漸減小。此外，在接近目標流量范圍內，雨滴尺寸分布與吸雨合格審定標準的偏差較小，集中在1.00～3.99 mm 各區間的雨水質量分數與吸雨合格審定標準最大偏差約為9.42%。

在各試驗條件下測得的1#渦流噴嘴雨滴粒徑及分布見表3。

表3 1#渦流噴嘴雨滴粒徑及分布（L=200 mm）

為研究1#渦流噴嘴在不同截面位置上的噴水特性變化情況，分別對L=200、300 mm 處的雨滴粒徑及其分布進行了比較如圖11所示，結果見表4。

表4 不同測量截面1#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布

圖11 不同測量截面1#渦流噴嘴雨滴粒徑和分布

從圖表中可見，在相同供水壓力的情況下，雨滴粒徑隨測量截面距離的增大略有減小。

2.3.2 2#渦流噴嘴

2#渦流噴嘴（60°錐角）噴嘴特性測量試驗場景如圖12所示。

圖12 2#渦流噴嘴特性測量試驗場景

2#渦流噴嘴在測量截面L=200 mm 時，在4 組供水壓力與相應流量下的雨滴粒徑及其分布如圖13所示。

圖13 2#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布

從圖中可見，2#渦流噴嘴的雨滴粒徑分布特性與1#渦流噴嘴的相似，集中在1.00～3.99 mm，各區間的雨水質量分數與吸雨合格審定標準最大偏差約為8.42%。

各試驗條件下測得的2#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布見表5。

表5 2#渦流噴嘴雨滴粒徑及其分布（L=200 mm）

從表中可見，隨著壓力變化2#渦流噴嘴的雨滴DVM=2077～3365 μm，與吸雨合格審定標準的平均粒徑（2660 μm）偏差不大。

為說明測量結果的穩定性，選擇2#渦流噴嘴在供水壓力P=0.02 MPa 條件下的3 次噴水特性測量結果進行比較，如圖14所示。

圖14 2#渦流噴嘴3次噴水特性測量結果比較

因前2 次測量為同一次試驗過程中的取樣（圖14），故前2 次測量結果更加接近；第3 次測量與前2次的實際流動狀態及測量位置都有偏差，故其測試結果與前2次的稍有偏差，但偏差不大。

3 結論

（1）激光粒度儀的測量結果具有較好的穩定性；

（2）直射式噴嘴和離心噴嘴的雨滴粒徑與吸雨合格審定標準偏離較大；

（3）在滿足某渦軸發動機適航吸雨流量的前提下，渦流噴嘴的雨滴尺寸和分布與吸雨合格審定標準的偏差較小，并且雨滴尺寸隨供水壓力的提高和測量截面距離的增大而逐漸減小；

（4）當錐角較大時，渦流噴嘴出口發生液滴泄漏與飛濺現象，不利于雨滴均勻進入進氣道截面與實際吸雨流量的準確測量，若要確定合適的錐角范圍，需對不同錐角的噴嘴噴水特性做進一步研究。

本文研究結果為渦軸發動機適航吸雨試驗器的研制提供了基礎數據支撐，同時也可為其他航空發動機適航吸雨試驗器研制提供參考。