民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防冰性能指標(biāo)定義與計(jì)算

徐佳佳

【摘 要】在防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常使用防冰表面溫度作為性能指標(biāo)。對(duì)于濕蒸發(fā)的防冰系統(tǒng)，表面溫度衡量指標(biāo)無法直觀的表達(dá)防冰表面未凍結(jié)水的溢流情況。本文在使用防冰表面溫度作為一般性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用溢流冰尺寸作為短艙防冰系統(tǒng)性能另一指標(biāo)的評(píng)估方法，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際吞冰能力和發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸結(jié)構(gòu)將結(jié)冰量等效為結(jié)冰厚度，同時(shí)給出溢流冰厚度的計(jì)算算例。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)防冰；溢流冰；吞冰能力

0 引言

由于高空云層中過冷水滴的存在，飛機(jī)穿過云層時(shí)，迎面表面可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)冰危及飛行安全[1]。因此民用飛機(jī)都配備防冰系統(tǒng)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙防冰，一般使用發(fā)動(dòng)機(jī)中壓壓氣機(jī)引氣對(duì)短艙前緣加熱達(dá)到防冰目的。

在防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常使用防冰表面溫度作為性能指標(biāo)。通過仿真計(jì)算出CCAR25部附錄C確定的連續(xù)和間斷的最大結(jié)冰狀態(tài)下防冰表面溫度，判斷防冰表面溫度是否高于冰點(diǎn)?，F(xiàn)代民用飛機(jī)大多采用高涵道比的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，該類發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)均考慮了一定的吞冰能力。因此對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙防冰系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)為濕蒸發(fā)系統(tǒng)，即撞擊水在防護(hù)表面未被完全蒸發(fā)，允許產(chǎn)生溢流冰的情況。

對(duì)于濕蒸發(fā)的防冰系統(tǒng)，傳統(tǒng)的表面溫度衡量指標(biāo)無法直觀的表達(dá)防冰表面未凍結(jié)水的溢流情況。本文在使用防冰表面溫度作為一般性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用溢流冰尺寸作為短艙防冰系統(tǒng)性能另一指標(biāo)的評(píng)估方法，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際吞冰能力和發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸結(jié)構(gòu)將結(jié)冰量等效為結(jié)冰厚度，同時(shí)給出溢流冰厚度的計(jì)算算例。

1 適航條款分析

適航條款 CCAR 33.77（e）（1）關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰能力試驗(yàn)使用冰塊尺寸的規(guī)定為[2]：冰的數(shù)量應(yīng)是由于滯后2分鐘開啟防冰系統(tǒng)而在典型的進(jìn)氣道整流罩和發(fā)動(dòng)機(jī)正面積聚的最多數(shù)量的冰；或者使用質(zhì)量和厚度與該發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸可比擬的一塊冰。

FAA對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰能力試驗(yàn)中應(yīng)選用的最小冰塊尺寸作出了建議[3]，見表1。

2 防冰表面溢流計(jì)算模型

某型民用飛機(jī)裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道截面面積約為2000 sq inch，依據(jù)表1的建議，進(jìn)氣道截面積介于700～2800 sq inch，利用插值方法估算出吞冰能力試驗(yàn)用地冰塊尺寸為12inch×6.67inch×0.32inch，重量為18磅。

和發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰試驗(yàn)使用的冰塊尺寸保持一致，以0.32inch作為短艙防冰最大溢流冰限制尺寸，同時(shí)作為防冰性能的考核指標(biāo)。

在性能計(jì)算時(shí)，考慮到未凍結(jié)的水在表面溢流的主要驅(qū)動(dòng)力是氣流的剪切力，選用三維壁面上的剪切力方向來描述液態(tài)水的溢流方向，根據(jù)剪切力方向與控制體周向面的底邊長(zhǎng)度來進(jìn)行溢流水量的分配。

因?yàn)樾阅苡?jì)算是基于穩(wěn)態(tài)的傳熱傳質(zhì)模擬，以防護(hù)區(qū)最后一層網(wǎng)格流出水量作為該控制體處的溢流水量，再對(duì)0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、360°截面處取±22.5°的平均值輸出作為該截面的總溢流水量。該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)共有24個(gè)風(fēng)扇葉片，每個(gè)葉片的最大吞冰體積為（12inch×6.67inch×0.32inch）/24，每個(gè)截面對(duì)應(yīng)3個(gè)葉片即每個(gè)截面的最大吞冰體積為（12inch×6.67inch×0.32inch）/8，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際尺寸測(cè)量出每個(gè)截面±22.5°的弧長(zhǎng)和溢流區(qū)長(zhǎng)度，即可計(jì)算出每個(gè)截面的溢流冰厚度。3 防冰表面溢流結(jié)冰厚度計(jì)算利用商業(yè)軟件FLUENT自編程建立三維發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模型，在某個(gè)典型嚴(yán)酷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)防冰表面的溢流水分布情況見圖1。

3 總結(jié)

本文在結(jié)合傳統(tǒng)防冰表面溫度的性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用溢流水尺寸作為發(fā)動(dòng)機(jī)防冰性能評(píng)判的指標(biāo)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際吞冰能力和發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸結(jié)構(gòu)將結(jié)冰量等效為結(jié)冰厚度， 同時(shí)建立計(jì)算模型，利用CFD方法對(duì)某典型工況下發(fā)動(dòng)機(jī)防冰表面溢流結(jié)冰厚度進(jìn)行了計(jì)算。

【參考文獻(xiàn)】

[1]裘燮綱，韓鳳華.飛機(jī)防冰系統(tǒng)[M].航空專業(yè)教材編審組出版，1985.6.

[2]CCAR 33-R1航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定[S].中國(guó)：中國(guó)民用航空局，2002.

[3]Proposed Rules. Federal Register， Vol. 75， No. 124， June 29， 2010.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint