航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)方案研究

唐 通，孔雅嬋，蔣全維，衛(wèi)仁杰，楊懷孝

（中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，四川 成都 610000）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，為飛行器提供所需動(dòng)力。為保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，其在投入使用前均需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。發(fā)動(dòng)機(jī)吸入大量雨水會(huì)引起壓氣機(jī)機(jī)匣急劇冷卻，有可能使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣局部受冷收縮，引起機(jī)匣和葉片之間的間隙減小，產(chǎn)生摩擦損壞可能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定工作裕度并引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振失速，甚至是熄火停車。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全性，航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)在民用和軍用發(fā)動(dòng)機(jī)均會(huì)開(kāi)展[1-3]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)是測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)吞咽能力的重要試驗(yàn)，主要是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)在淋雨條件下正常工作的能力，能較好地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。根據(jù)以往的發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)開(kāi)展情況來(lái)看，吞水試驗(yàn)的吞水量取發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的2%～5%，水滴直徑不大于2 mm；為防止發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件積垢，試驗(yàn)用水主要為軟化水和蒸餾水；試驗(yàn)場(chǎng)地則一般在露天試驗(yàn)臺(tái)或機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪上開(kāi)展[4-7]。

本文根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制情況，提出某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)方案，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架進(jìn)行適應(yīng)性改造，確保了航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)的順利實(shí)施。

1 吞水試驗(yàn)臺(tái)架總體布局方案

發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)一般在露天試驗(yàn)臺(tái)或機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪上開(kāi)展，這種試驗(yàn)方式對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的特殊需求耗費(fèi)大量的協(xié)調(diào)成本影響試驗(yàn)任務(wù)，試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)平臺(tái)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配性也是很重要的制約因素。本項(xiàng)目基于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)考慮選擇室內(nèi)臺(tái)架開(kāi)展試驗(yàn)工作。

室內(nèi)臺(tái)架為發(fā)動(dòng)機(jī)日常試車常用臺(tái)架，不存在與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配性問(wèn)題。測(cè)點(diǎn)參數(shù)為保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全性常用參數(shù)，足以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)在吞水過(guò)程的工作狀況，僅需對(duì)臺(tái)架進(jìn)行較小的適應(yīng)性改造，就可滿足試驗(yàn)?zāi)康模梢詷O大地減少時(shí)間和經(jīng)濟(jì)性成本。根據(jù)試車臺(tái)架的特點(diǎn)形成吞水試驗(yàn)整體方案，如圖1 所示。

圖1 吞水試驗(yàn)原理圖

整體思路如下：

（1）在升降平臺(tái)上安裝固定噴水裝置，并通過(guò)焊接將噴水裝置固定在升降平臺(tái)上。

發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的水一部分通過(guò)引射塔排入大氣，一部分水在引射塔回流后通過(guò)集水裝置回收。

（2）為盡量避免升降平臺(tái)對(duì)氣流的影響，試驗(yàn)過(guò)程中升降平臺(tái)需下降；經(jīng)計(jì)算升降平臺(tái)位于地面與升降平臺(tái)3 m 高時(shí)流線分布情況和進(jìn)氣總壓分布情況相近，故將升降平臺(tái)下降至離地3 m。計(jì)算情況如圖2 和圖3 所示。

圖2 升降平臺(tái)位于地面時(shí)情況

圖3 升降平臺(tái)3 m 高時(shí)情況

2 吞水裝置

根據(jù)GJB 241—1987《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面吞水試驗(yàn)時(shí)，水滴直徑不大于2 mm，噴水量分別為占空氣總質(zhì)量流量的2%、3.5%和5%，進(jìn)水分布要求有50%的水進(jìn)入1/3 扇形進(jìn)口面積[8]。

將進(jìn)水面設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的進(jìn)口直徑范圍內(nèi)，噴水裝置如圖4 所示。

圖4 噴水裝置組成示意圖

為滿足水滴直徑不大于2 mm，本試驗(yàn)選擇成品噴嘴，經(jīng)試驗(yàn)標(biāo)定測(cè)量，當(dāng)噴水壓力為（0.2～0.6）MPa時(shí)，粒徑均小于2 mm。

由于單個(gè)噴嘴的流量調(diào)節(jié)范圍有限，試驗(yàn)水滴流量和分布需要主要通過(guò)調(diào)整噴嘴數(shù)量滿足，噴嘴陣列方案見(jiàn)表1。

表1 吞水水量方案

進(jìn)水分布要求有50%的水進(jìn)入1/3 扇形進(jìn)口面積則主要通過(guò)噴嘴的截面布局進(jìn)行保證，即采用1/3 扇形噴嘴與其他部分使用相同數(shù)量的噴嘴保證，發(fā)動(dòng)機(jī)慢車截面布局如圖5、圖6、圖7 所示。

圖5 慢車2%吞水對(duì)應(yīng)噴嘴分布

圖6 慢車3.5%吞水對(duì)應(yīng)噴嘴分布

圖7 慢車5%吞水對(duì)應(yīng)噴嘴分布

3 試車程序設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)要求，需進(jìn)行慢車和起飛的吞水試驗(yàn)，噴水量分別為占空氣總質(zhì)量流量的2%、3.5%和5%。由于本次試驗(yàn)過(guò)程中，噴水裝置不能進(jìn)行連續(xù)性的水量調(diào)節(jié)，僅能通過(guò)改變噴嘴數(shù)量調(diào)節(jié)，因此吞水試驗(yàn)程序只能分段開(kāi)展，具體試驗(yàn)過(guò)程如下。

（1）吞水試驗(yàn)錄取發(fā)動(dòng)機(jī)性能

在安裝吞水試驗(yàn)裝置前，錄取發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)。安裝吞水試驗(yàn)裝置后再次錄取發(fā)動(dòng)機(jī)性能以確定安裝噴水裝置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

（2）吞水試驗(yàn)程序

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，慢車狀態(tài)工作2 min，0.7 額定狀態(tài)工作2 min，起飛狀態(tài)工作4 min，在慢車狀態(tài)工作4 min后停車，錄取慢車和起飛狀態(tài)性能參數(shù)。

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，慢車狀態(tài)工作2 min，0.7 額定狀態(tài)工作2 min，推油門到起飛，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到起飛轉(zhuǎn)速后進(jìn)行吞水試驗(yàn)，工作5 min，在慢車狀態(tài)工作2 min 后停車。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，慢車狀態(tài)工作2 min 后，在慢車狀態(tài)進(jìn)行吞水試驗(yàn)，5 min 后停止吞水，并繼續(xù)在慢車狀態(tài)工作4 min 后停車。

重復(fù)上述起飛和慢車吞水試驗(yàn)各3 次，依次噴水2%、3.5%、5%。

吞水試驗(yàn)試車曲線如圖8、圖9 所示。

圖8 吞水試驗(yàn)起飛試車曲線

圖9 吞水試驗(yàn)慢車試車曲線

（3）吞水試驗(yàn)后錄取發(fā)動(dòng)機(jī)性能

發(fā)動(dòng)機(jī)完成吞水試驗(yàn)后，再次錄取發(fā)動(dòng)機(jī)性能，用以確定吞水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響情況。

試驗(yàn)過(guò)程中未開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)加減速的吞水驗(yàn)證，這主要是由于加減速要求吞水試驗(yàn)設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程匹配，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)這一試驗(yàn)過(guò)程中主要試驗(yàn)有兩種方法。

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)加減速過(guò)程中，吞水設(shè)備以慢車流量穩(wěn)定供水。

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以階梯形式完成加速過(guò)程中，吞水設(shè)備以發(fā)動(dòng)機(jī)“梯步”過(guò)程中進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)行吞水試驗(yàn)，實(shí)質(zhì)還是一種穩(wěn)態(tài)供水狀態(tài)。

綜上，國(guó)內(nèi)大量的發(fā)動(dòng)機(jī)未開(kāi)展加減速過(guò)程吞水，且由于吞水設(shè)備控制系統(tǒng)原因，現(xiàn)有的試驗(yàn)方案也無(wú)法模擬國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的加減速吞水過(guò)程，因此在試驗(yàn)過(guò)程中未開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)加減速吞水試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)控制

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)吸入大量雨水會(huì)引起壓氣機(jī)機(jī)匣急劇冷卻，有可能使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣局部受冷收縮，引起機(jī)匣和葉片之間的間隙減小，產(chǎn)生摩擦損壞；水會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)工作介質(zhì)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)部件之間的工作匹配性，可能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定工作裕度并引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振失速，甚至是熄火停車。因此制定了發(fā)動(dòng)機(jī)試車風(fēng)險(xiǎn)防控措施，加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中的試車參數(shù)監(jiān)控，噴水裝置設(shè)置了緊急斷水系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了緊急停車程序，以防止意外發(fā)生。

（2）由于本次試驗(yàn)為吞咽試驗(yàn)，吞入異物打傷發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)較大，針對(duì)該問(wèn)題，制定了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和噴水裝置等各方面檢查措施。

5 吞水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)GJB 241—1987《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)吞水后，發(fā)動(dòng)機(jī)保持了足夠的間隙，在試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生損傷或有害擦傷，性能未惡化，并且沒(méi)有造成失速、喘振、發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室熄火，燃?xì)饬髀分械牧慵参词艿綋p傷，則認(rèn)為試驗(yàn)通過(guò)[7]。

圖10 為某型發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施吞水試驗(yàn)時(shí)，水進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的截面現(xiàn)場(chǎng)圖，由圖可見(jiàn)水柱受氣流影響，開(kāi)始收縮，水量分布符合方案設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)時(shí)大氣壓力（95.9～96.0）kPa，大氣溫度（23.9～24.0）℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 吞水試驗(yàn)結(jié)果

圖10 吞水試驗(yàn)入口截面圖

試驗(yàn)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了檢查，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)異常損傷。吞水試驗(yàn)完成后，重新對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)錄取性能，發(fā)動(dòng)機(jī)檢試性能試驗(yàn)前后無(wú)衰減。試驗(yàn)結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的吞水能力，能夠保證在雨天或穿過(guò)高含水量云層的使用安全。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也證明了航空發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)方案的安全性、可靠性及易實(shí)施性。

6 結(jié)論

（1）本次試驗(yàn)利用已有的室內(nèi)臺(tái)架，通過(guò)對(duì)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)性改造，避免了新建或改造室外平臺(tái)，降低了試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本。

（2）本次試驗(yàn)通過(guò)在臺(tái)架上安裝噴水裝置，以及采用噴水裝置與試車程序相匹配的方式進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，極大地降低了臺(tái)架改裝和噴水裝置研制的技術(shù)難度。

（3）試驗(yàn)結(jié)果顯示，本試驗(yàn)方案合理可行，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證要求，摸清了某型發(fā)動(dòng)機(jī)吞水能力，為發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)技術(shù)保障提供了理論依據(jù)。