航空發動機吞水試驗技術研究

摘要：飛機在雨天飛行時，航空發動機會吞入空氣中的雨水。當航空發動機吸入大量的雨水時，可能引起機匣與葉片之間摩擦損壞，也可能造成航空發動機喘振或熄火，嚴重威脅飛機的飛行安全。基于此，介紹了航空發動機吸入雨水后對穩定性可能造成的影響，航空發動機吞水試驗對試驗用水、水滴直徑、吞水量、液態水分布和試車過程的要求以及航空發動機吞水試驗完成指標。同時，介紹了吞水試驗設備的主要組成，包括噴水設備、液壓站、測控系統以及儲水設備，并介紹了各組成部分的功用。

關鍵詞：吞水試驗；試驗要求；完成指標；設備組成

ResearchonWaterSwallowingTestTechnologyforAircraftEngines

MANDaWANGXintongZHANGHaixingLIUChaochao

AECCShenyangEngineResearchInstitute，Shenyang，LiaoningProvince，110015China

Abstract：Whentheaircraftisflyingonrainydays，itsaircraftenginewillswallowrainwaterintheair.Whenanaircraftenginesucksinalargeamountofrainwater，itmaycausefrictiondamagebetweenthecasingpartandbladesandalsocausethesurgingorstallingoftheaircraftengine，seriouslythreateningtheflightsafetyoftheaircraft.Basedonthis，thisarticleintroducesthepossibleimpactofrainwaterinhalationonthestabilityofaircraftengines，therequirementsfortestwater，thewaterdropletdiameter，waterswallowingcontent，liquidwaterdistributionandthetestprocessinthewaterswallowingtestofaircraftengines，andthecompletionindicatorsofthewaterswallowingtestofaircraftengines.Thisarticlealsointroducesthemaincomponentsofwaterswallowingtestequipment，includingthesprinkler，thehydraulicstation，themeasurementandcontrolsystemandwaterstorageequipment，andintroducesthefunctionsofeachcomponent.

KeyWords：Waterswallowingtest;Testrequirement;Completiontarget;Equipmentcomposition

現代軍用飛機一般要求具備全天候環境的飛行能力，其配備的發動機應能夠在雨天環境下工作。當發動機吸入雨水時，可能引起燃燒室熄火、壓氣機喘振，嚴重影響飛機的飛行安全[1]。

早在1977年，美國佐治亞州一架DC客機由于發動機吸入大量雨水壓氣機結構受損，飛機在迫降過程中不幸墜毀。2002年，一架加魯達印尼航空公司的波音737客機遭遇了暴雨惡劣天氣，發動機吸入大量的雨水導致發動機熄火停車，飛機被迫降落，造成人員傷亡事故[2]。

為此國內外針對航空發動機吞水試驗開展了大量的研究，我國《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》（GJB241A-2010）和《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》（GJB242A-2018）已將吞水試驗納入航空發動機定型考核的必要環節。

• 雨水對航空發動機的影響

1988年，航空宇航工業協會（AIA）發起了一項針對由于在惡劣氣候下工作而引起的航空發動機功率損失和不穩定情況的研究。該項研究表明，航空發動機在高速飛行和低功率狀態下吸入雨水時，雨水會明顯集中在發動機中心，大部分雨水會進入航空發動機的核心機，可能降低壓氣機的穩定性、燃燒室的熄火裕度以及燃油控制的中斷裕度。當航空發動機核心機吸入極限量的雨水時，最終可能導致喘振、功率損失和發動機熄火等一系列發動機異常情況。

事實上，不僅在雨天高空飛行中發動機可能吞入水，進氣道中濕空氣凝結、外場跑道積水均可能造成發動機吞水如圖1所示。發動機吞水后，一方面會引起發動機主要部件的工作特性發生變化，發動機機匣發生熱脹冷縮，機匣與葉片之間的間隙變小，磨損發動機，甚至發動機壓氣機喘振、燃燒室熄火；另一方面，發動機吞水還可能影響發動機控制系統的正常工作，造成發動機工作失控，嚴重影響飛機的飛行安全。因此，對于新研制的航空發動機在狀態鑒定考核時均要求在吞水環境下能夠正常工作。

• 航空發動機吞水試驗要求

航空發動機吞水試驗是向工作的航空發動機噴入規定流量、直徑的液態水，以評估航空發動機在雨天環境下的工作能力。

2.1試驗用水要求

吞水試驗用水為軟化水，除去機械雜質，pH值在6.5～7.5范圍內；總固體含量不大于30mg/L，溶解固體含量不大于25mg/L；電阻率不小于150kΩ.cm。

2.2水滴直徑

吞水試驗要求噴出的液態水水滴直徑不大于2mm。

2.3吞水量

吞水試驗要求發動機吞水量分別占發動機空氣質量流量的2%、3.5%和5%。

根據美軍標MIL-HDBK-310統計，在海平面暴雨的最高紀錄為3.12cm/min，水占空氣質量流量的6.4%，在6005m高空，記錄的最高降雨量為4.3cm/min，水占空氣質量流量的17.2%。然而，美軍標MIL-HDBK-310認為，這種情況只出現在0.5%或1%的極端條件，在通常情況下，水占空氣體積的百分比會明顯下降。實際上，在世界降雨最多的地區，在降雨最多的月份，在6005m高空，水超過空氣質量流量2.6%的時間僅占總時間的1%。

2.4液態水分布

吞水試驗要求應50%的液態水進入1/3的發動機扇形進口面積。

吞水試驗要求中對液態水的分布要求是用于模擬由于安裝影響而經常出現的液態水集中情況。

2.5試車過程

由于吞水試驗吞水量分別占空氣質量流量的2%、3.5%和5%，應分3次完成發動機的全部吞水試驗。吞水試驗過程一般包括穩態和瞬變過程吞水，具體試驗內容敘述如下。

（1）在發動機慢車和最大推力（或功率）狀態進行穩態吞水試驗，每一穩態吞水時間為5min；

（2）發動機開展起動－慢車過程和慢車－最大推力（或功率）－慢車瞬變過程的吞水試驗。

我國軍用規范《航空渦輪發動機吞水試驗要求》（GJB4877-2003）推薦了一種航空發動機吞水試驗程序如圖2所示。其中，o-a為發動機在起動到慢車過程中吞水的時間，b-c為發動機在最大推力（或功率）狀態吞水的工作時間，d-e為發動機在慢車狀態吞水的工作時間，e-f-g為發動機從慢車－最大推力（或功率）－慢車推力瞬變過程中的吞水試驗。

• 航空發動機吞水試驗完成指標

吞水試驗用發動機應在試驗前開展性能錄取。試驗用發動機應與定型試驗持久試車的發動機技術狀態相同，并且試驗用發動機換算成標準大氣海平面靜止條件下的穩態性能和瞬態特性應符合型號規范規定。

我國國軍標規范《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》（GJB241A-2010）和《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》（GJB242A-2018）中對航空發動機吞水試驗后的考核完成指標做出了說明。當發動機以最大推力狀態工作時，把占空氣總質量流量的2.0%、3.5%和5.0%的水（液態和氣態）引進發動機進口，其中有50%的液態水進入1/3的進口扇形面積。發動機在上述每一條件下工作5min后，再在慢車狀態重復上述程序。在試驗中，注意和記錄吞入水對發動機性能的影響，試驗結束時將發動機停車，并冷卻到環境溫度。然后，再進行試驗后的性能檢查。性能檢驗后，將發動機完全分解、檢驗。例如：發動機保持了適當的間隙、在試驗中未發生損傷或有害擦傷、性能未惡化、燃氣流路中的零件未受到損傷，則認為滿意地完成了驗證。

• 吞水試驗設備

吞水試驗設備用于模擬雨水環境，向發動機噴射規定流量、直徑的液態水[3～6]，一般由噴水設備、液壓站、測控系統和儲水設備組成如圖3所示。吞水試驗前在儲水設備中存儲足夠量的液態水，液壓站為液態水動力源，向噴水設備提供一定壓力、流量的液態水，噴水設備上安裝噴嘴，噴出符合吞水試驗要求的液態水，測控系統用于對流量控制液壓站進行控制及數據采集記錄。

噴水設備一般由噴嘴、支撐架、供水管線等組成。噴水設備功用為噴射規定流量、水滴直徑的液態水，為發動機提供液態水條件。噴嘴為噴水設備的核心部件，可選擇工業霧化噴嘴，噴出符合試驗要求直徑的液態水。液壓站一般由水泵、調節閥門、開關閥門、過濾器、供水管線等組成，通過控制水泵、調節閥門的參數改變液壓站的供水流量，實現發動機吞水試驗需求的流量。液壓站一般采用集成化設計，將所有元器件集中安裝在一個平臺上，結構緊湊。測控系統一般由PLC模塊、動力電纜、設備控制柜、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等組成，具備手動/自動控制、邏輯控制等功能，能夠對流量控制液壓站進行數據采集及記錄、狀態監控等。儲水設備用于儲蓄試驗用水，儲水設備儲蓄的總水量應至少滿足一次發動機開車過程中需求的最少吞水量。

5結語

通過對航空發動機吞水試驗技術的研究，總結了航空發動機吞水試驗要求，包括試驗用水要求、水滴直徑要求、吞水量要求、液態水分布要求和試車程序要求；介紹了航空發動機吞水試驗完成指標；歸納了吞水試驗設備的組成及功能，包括噴水設備、液壓站、測控系統和儲水設備，由噴水設備噴出符合試驗要求的水滴直徑、流量以及分布的液態水。本文為開展航空發動機吞水試驗提供了參考和技術積累，具有重要的指導意義。

參考文獻

[1]邢洋，王常亮，李兆紅.航空渦扇發動機吞水性能變化[J].航空動力學報，2019（8）：1717-1723.

[2]王靜宜.吞雨及吞雨畸變對壓氣機特性影響研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2021.

[3]薛洪科，常鴻雯，劉旭峰.某型航空發動機地面吞水試驗設備技術研究[J].機械工程師，2019（1）：64-65，71.

[4]孫科，馬昌，任博揚，等.發動機吞水試驗用噴水裝置管路調控特性試驗分析[J].科學技術與工程，2022（24）：10769-10775.

[5]唐通，孔雅嬋，蔣全維.航空發動機吞水試驗方案研究[J].科技創新與應用，2022（21）：7-10.

[6]汪京、張鵬、李玉杰，等.航空發動機吞水試驗環形噴霧特性分析[C]//中國航空學會.2019年（第四屆）中國航空科學技術大會論文集.中國航發貴陽發動機設計研究所，2019.