某渦軸發動機結冰試驗驗證及試驗點選取初步研究

劉創 袁喜岷 張偉 劉龍初 陳杰

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

飛機在飛行過程中，不可避免地會遭遇具有結冰氣象條件的云層，發動機進氣系統（進氣道、進氣部件、傳感器）可能會出現結冰，進而可能造成發動機流道堵塞、傳感器失效、壓氣機喘振、功率/推力嚴重損失、熄火等，因此，中國民用航空規章《航空發動機適航規定》（CCAR-33R2）第33.68條明確規定了航空發動機進氣系統結冰的最低安全要求，民用航空發動機在取得型號合格證投入市場使用前，必須表明對進氣系統結冰條款的符合性[2]。

某渦軸發動機已順利完成了結冰試驗，該試驗結合其配裝的某型直升機進氣系統一起進行；在此之前國內還沒有渦軸發動機按照第33.68條款要求開展過進氣系統結冰試驗，因此對于渦軸發動機進行結冰試驗的經驗較少。

本文結合適航條款要求，對某渦軸發動機結冰試驗驗證和試驗點選取進行初步研究，為其他型號研制提供參考。

1 適航規章對進氣系統結冰的要求

CCAR-33R2第33.68條的實質要求是：

（1）針對第33.68條（a）：確保發動機的設計和制造，可使其在結冰條件下安全運行，且必須通過試驗來驗證發動機在整個飛行包線內，發動機結冰不會造成不利影響。

中國民用航空規章第29部附錄C中規定了結冰包線，即連續最大結冰（層云）和間斷最大結冰（積云）包線。在連續最大和間斷最大結冰狀態下，發動機在整個飛行功率范圍內的工作時，不應在發動機部件上出現導致流道堵塞、傳感器失效、壓氣機喘振失速、風扇葉片顫振、轉子不平衡、功率/推力嚴重損失、核心機損傷、熄火等的結冰情況。

（2）針對第33.68條（b）：考慮在凍霧天氣下飛機可能在很長一段時間里停在跑道上等待起飛，此時積冰不能對發動機產生有害影響。在規定的結冰狀態下，發動機工作在地面慢車狀態，引氣防冰，工作30min，發動機不應出現不利影響。這是因為發動機在慢車狀態工作時，盡管防冰需求熱載荷較小，但是防冰系統的熱量供給能力也較小，防冰系統可能無法滿足防冰要求，這個狀態點往往是防冰系統設計的結冰關鍵點。

第33.68條（b）的建立是考慮在凍霧天氣下直升機可能在很長一段時間里停在地面上等待起飛，此時積冰不能對發動機產生有害影響。在規定的結冰狀態下，發動機工作在地面慢車狀態，引氣防冰，工作30min，發動機不應出現不利影響。

2 結冰試驗點選取

根據結冰試驗適航條款要求，需要對結冰包線和發動機工作包線范圍內的結冰條件比較危險的點進行試驗考核，驗證發動機在結冰條件下具有全包線的工作能力[3]。

試驗中所選取的結冰試驗點通常包括標準試驗點和關鍵試驗點兩類。標準試驗點是適航條款咨詢通告推薦的試驗點。由于標準試驗點可能無法覆蓋所有的危險結冰點，結冰關鍵試驗點是對標準試驗點的補充[4]。

某渦軸發動機在進行結冰試驗前，基于直升機和發動機構型，結合結冰包線和發動機工作包線，綜合考慮影響進氣系統結冰因素：大氣溫度（OAT）、平均水滴直徑（MVD）、液態水含量（MCI和IMI）、飛行速度（Vc）和發動機工作狀態等，首次自行開展了結冰試驗關鍵點仿真分析，獲取了全飛行包線內進氣系統結冰量等關鍵信息（見圖1），最終確定了所有關鍵結冰試驗點（見表1）。

圖1 結冰量仿真結果

表1 某渦軸發動機進氣系統結冰試驗點

3 試驗件安裝

由于渦軸發動機在進口前安裝水力測功器會影響結冰條件，目前世界各發動機公司基本上都采用核心機代替整機進行結冰試驗（如T800），某渦軸發動機同樣也采用核心機進行結冰試驗[5-6]。

某渦軸發動機在結冰試驗車臺安裝狀態見圖2。

圖2 結冰試驗車臺安裝實物圖

4 試驗驗證與結果分析

表2 大氣溫度對結冰量的影響

本節結合結冰試驗結果分析了大氣溫度、發動機工作狀態以及水滴直徑等因素對結冰的影響。

從表2可以看出，試驗點1和試驗點2大氣溫度逐漸降低，試驗過程中進氣壓降絕對值也逐漸降低（結冰量逐漸減小），主要是由于隨著大氣溫度降低，大氣中相應的液態水含量逐漸減少（分別由0.7g/m3和2.4g/m3減少至0.6g/m3和2.2g/m3），因而單位時間內發動機吸入的液態水含量也逐漸減少,導致了結冰量的減小。

表3 發動機狀態對結冰量的影響

從表3可以看出，試驗點3和試驗點1發動機狀態逐漸增大，試驗過程中進氣壓降絕對值逐漸增大 （結冰量逐漸增加），主要是由于隨著發動機狀態增大，發動機進口空氣流量逐漸增加，因而單位時間內發動機吸入的液態水含量也逐漸增加,導致了結冰量的增加。

表4 水滴直徑對結冰量的影響

從表4可以看出，試驗點1和試驗點4水滴直徑逐漸增大，試驗過程中進氣壓降絕對值雖然逐漸增加，但是增加量很小，因此水滴直徑的變化對結冰量的影響較小。

5 結論

本文對某渦軸發動機結冰試驗驗證和試驗點選取情況進行了初步研究，并結合結冰試驗結果分析了大氣溫度、發動機工作狀態以及水滴直徑等因素對結冰的影響，得到如下結論：

（1）在其他條件相同的情況下，隨著大氣溫度降低，結冰量逐漸減小。

（2）在其他條件相同的情況下，隨著發動機狀態增大，結冰量逐漸增大。

（3）在其他條件相同的情況下，水滴直徑的變化對結冰量的影響較小。