航空發動機進口帽罩結/防冰特性試驗研究

陳竹兵, 周澎錄, 龔歡, 王澤宇, 宋思澤

(中國航發沈陽發動機研究所強度試驗研究室, 沈陽 110015)

進口帽罩是航空發動機重要的進口部件之一,當飛機穿越低溫云層時,由于云層中存在過冷水滴、冰晶以及凍雨和降雪等,進口帽罩容易發生結冰[1-2]。一旦進口帽罩發生結冰輕則會降低發動機效率;若積冰嚴重,可能會引起發動機振動增大,冰塊脫落甚至會損壞發動機部件,危及飛行安全以致造成飛行事故[3-4]。因此,對發動機進口帽罩進行防冰特性研究具有重要意義。

國外防冰研究尤其防冰試驗研究起步較早,早在20世紀20年代就建成了第一個冰風洞,后續西方發達國家如美國、英國、法國、加拿大、意大利等[5-8]都斥資建立了大型冰風洞并開展了結/防冰試驗研究,積累了冰風洞試驗研究方法、測試和控制方法、結冰機理等經驗和試驗數據。國內航空工業水平整體落后,在冰風洞建設及試驗研究均晚于發達國家,最早的小型冰風洞由武漢航空儀表廠于1999年建立[9],后續中國空氣動力研究與發展中心、航空工業空氣動力研究院、沈陽發動機研究所、南京航空航天大學、西北工業大學等科研院所相繼建立了冰風洞并開展了相關試驗研究工作[10-13]。

進口帽罩防冰種類很多,如氣動脈沖、液體、電加熱、涂層、熱氣、旋轉防冰等多種形式[14-15]。國內學者在帽罩防冰數值模擬方面開展了系列研究[3-4,12,16-18],而對帽罩結/防冰試驗研究較少[11,19]。渦輪發動機進口帽罩的防冰形式最主要為熱氣式[20],但是目前仍缺乏基本熱氣參數如熱氣溫度、熱氣流量對帽罩結/防冰的影響,缺乏來流狀態對結冰形態的影響,缺少必要的試驗數據支撐熱氣式防冰部件的結/防冰機理研究。現利用冰風洞對熱氣式防冰進口帽罩進行結/防冰試驗,系統地研究進口帽罩表面結冰狀況隨熱氣流量、來流溫度、來流風速的影響規律,以期用于支撐進口帽罩的結/防冰機理分析從而提升發動機防冰設計水平。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

試驗在閉環式冰風洞中進行,該風洞主要由空氣動力系統、制冷系統、噴水霧化系統、真空系統、試驗段、前后轉接段組成,具有模擬高空低溫結冰環境能力,可用于發動機進口部件結/防冰試驗研究和驗證。冰風洞的主體示意圖如圖1所示。空氣動力系統主要由風機及其控制系統組成,試驗段空氣風速可通過調整風機轉速實現連續變化。低溫環境通過制冷系統對冰風洞內空氣換熱得到。試驗段的液態水由噴水霧化系統提供,液態水含量及平均有效水滴直徑通過控制噴嘴數量和噴嘴內水壓及霧化氣壓來實現。試驗段的溫度、總壓、靜壓由專門設計的受感部測量。來流風速和平均有效水滴直徑通過激光粒子分析儀(phase Doppler particle analyzer,PDPA)測量和標定,液態水含量采用水流量計及液態水含量測試儀測量和標定。

圖1 冰風洞主體Fig.1 Main body of icing wind tunnel

1.2 試驗件

專門設計的進口帽罩作為試驗件,該帽罩采用熱氣式防冰,結構如圖2所示,可直接安裝固定在冰風洞內進行試驗。試驗時帽罩內通入熱氣流,熱氣流從帽罩尾部集氣腔進入,通過帽罩雙層壁夾層流向帽罩尖錐內部,然后從尖錐與帽罩間隙處流出,流向帽罩后端。熱氣流量采用流量計測量、專門設計的傳感器測量熱氣流溫度和壓力,試驗過程中所有的測量數據自動采集并由計算機完成記錄。進口帽罩表面結冰過程由觀察系統全程錄像并對試驗中典型現象進行拍照記錄。

圖2 進口帽罩示意圖Fig.2 Sketch of the inlet cowl

1.3 試驗方法

參照中國民用航空局《航空發動機適航規定》(CCAR-33R2)和國家軍用標準《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》(GJB 241A—2010)中海平面防冰條件相關參數設置了試驗的結冰條件主要參數,熱氣流參數依據計算結果給定。具體試驗參數如表1所示。

表1 進口帽罩試驗參數Table 1 Experiment parameters of the inlet cowl

試驗方法及試驗步驟如下。

步驟1對冰風洞的各個系統進行檢查和確認并進行準備工作。

步驟2按試驗狀態要求調節冰風洞來流參數。

步驟3按試驗狀態要求調節進口帽罩的熱氣流參數。

步驟4按標定參數設置噴水霧化參數。

步驟5狀態參數穩定后開始噴水并計時,同時記錄所有試驗參數并對帽罩表面狀態錄像。

2 試驗結果及分析

2.1 熱氣流量對進口帽罩表面結冰狀況的影響

在狀態1(來流風速為40 m/s,來流溫度為-10 ℃)下開展了熱氣流量對進口帽罩表面結冰狀況影響的試驗研究,試驗過程典型特征記錄如圖3所示。首先開展了狀態點下試驗,試驗過程中觀察發現,噴水后尖錐表面馬上有小冰粒凝結,在帽罩表面清晰地看到水流痕跡;60 s左右 [圖3(a)]尖錐最頂部出現了一層薄明冰,帽罩表面除尖錐出氣口影響區外出現了不連續的冰粒,帽罩后端依然看到水流痕跡。隨著噴水時間的增加,尖錐表面積冰一直在累加,帽罩表面仍無明顯積冰。300 s左右[圖3(b)]尖錐表面已經完全被冰覆蓋,帽罩表面除了斷續的冰粒依稀看到水流跡象。此后開始增加熱氣流量,其他試驗參數保持不變;觀察發現,尖錐表面積冰一直在累加,但是與尖錐表面連接最里層積冰開始融化,積冰與尖錐黏接強度越來越低,圖像顯示積冰變得越來越透明[圖3(c)];增加熱氣流量后約205 s時尖錐表面積冰脫落,在此過程帽罩表面一直未出現明顯結冰[圖3(d)]。

圖3 狀態1進口帽罩結冰過程Fig.3 Icing procedure of the inlet cowl in condition 1

從試驗現象觀察得知,尖錐表面總是最先結冰,帽罩前端有少許冰粒,而帽罩后端依然存在水流痕跡,據此認為帽罩的防冰能力從尖錐頭部到帽罩后端逐漸加強,這正好與帽罩內部熱氣流動方向相反。熱氣從帽罩后端進入時溫度最高,沿著帽罩內部通道到達尖錐頭部,由于熱氣與帽罩存在熱交換,熱氣流動過程中氣流溫度逐步降低,到達尖錐頭部時熱氣溫度最低,那么熱氣對尖錐的防冰作用也減弱。帽罩除了內流道熱氣流防冰作用外,同時尖錐與帽罩的連接處排出的熱氣對帽罩表面也形成一定的熱氣膜保護。為此,尖錐的防冰能力最差,帽罩的防冰能力強于尖錐的防冰能力。從試驗結果得知,增加熱氣流量,帽罩的防冰效果明顯改善;在發動機引氣條件允許情況下,應增加熱氣流量保證進口部件不發生結冰現象。

2.2 來流溫度對進口帽罩表面結冰狀況的影響

為了研究來流溫度對進口帽罩表面結冰狀況的影響,改變來流溫度分別為-20 ℃(狀態2)和-30 ℃(狀態3),其他參數與狀態1保持一致。狀態2:噴水后尖錐和帽罩表面立即凝結較多的小冰粒,95 s左右帽罩表面小冰粒連成片形成了冰塊,尖錐也被薄冰覆蓋,此時冰型為明冰。隨著噴水時間增加,尖錐和帽罩表面積冰一直在累加;300 s左右,觀察發現尖錐表面最頂部為明冰,而后為混合冰,帽罩表面為霜冰,且尖錐與帽罩表面積冰已連接成一體[圖4(a)]。狀態3:噴水后帽罩和尖錐表面立即凝結很多細小的霜冰顆粒,隨著噴水時間的增加,霜冰覆蓋區域越來越大且累積越來越厚。300 s左右,尖錐和帽罩表面幾乎全部被霜冰覆蓋[圖4(b)]。對狀態2和狀態3進行比較,在300s左右帽罩表面都能觀察到尖錐熱氣流排氣口影響區,說明熱氣流對帽罩表面防冰起到了一定的作用。對狀態1～狀態3結冰類型進行比較發現,來流溫度-10 ℃帽罩表面為典型的明冰,來流溫度-20 ℃帽罩表面為明冰和霜冰混合物,來流溫度-30 ℃帽罩表面為霜冰。試驗現象表明來流溫度對結冰類型存在顯著影響,來流溫度越低形成霜冰的可能性越大,結果符合結冰氣象條件下出現的典型冰型,黃抒宇等[21]關于積冰參數對結冰類型影響的模擬計算得到同樣的結果,來流溫度是引起結冰類型變化的主要因素。對狀態1～狀態3試驗參數分析得知,來流溫度越低,霧化后的液態水溫度也越低,同時帽罩表面溫度也越低,最終導致霧化水碰撞到構件表面結冰時間縮短,即可能立即凝結成冰。

圖4 進口帽罩試驗結束瞬間形貌(狀態2、狀態3)Fig.4 Photograph of the inlet cowl at the ending moment of the experiment (condition 2 and condition 3)

2.3 來流風速對進口帽罩表面結冰狀況的影響

為研究來流風速對進口帽罩表面結冰狀況的影響,開展了來流溫度為-20 ℃下風速100 m/s(狀態4)和160 m/s(狀態5)的對比試驗研究。狀態4:來流風速為100 m/s時,噴水后帽罩表面并未立即出現結冰現象,約60 s尖錐頭部才出現一層薄冰,帽罩表面仍未出現結冰;隨著噴水時間的增加,尖錐的結冰區域在擴大且冰在增厚,但帽罩表面仍未結冰;到300 s時,尖錐表面完全被冰覆蓋,此時冰為明冰,但帽罩表面一直未出現結冰,帽罩后端依稀能觀察到水流痕跡[圖5(a)]。狀態5:來流風速達到160 m/s,其他參數與狀態4一致。噴水后尖錐表面立即有細小的霜冰顆粒凝結;60 s左右尖錐完全被薄薄的霜冰覆蓋,帽罩前端部分區域有少量的霜冰;隨著噴水時間的增加,尖錐表面的霜冰在增厚,帽罩表面結冰區域和厚度都在增加;到300 s時,帽罩前端全部被積冰覆蓋且帽罩的積冰與尖錐的積冰連成一體,尖錐的熱氣流出氣口也完全被積冰堵住[圖5(b)]。此時觀察到整個構件表面出現了多種冰型,尖錐頭部為明冰,尖錐與帽罩連接處為混合冰,帽罩表面為霜冰。從兩個狀態的試驗現象比較發現,來流風速的改變不僅影響結冰區域大小同時還改變了冰型。來流風速越大,構件與來流的換熱增強,試驗件表面溫度也越低,那么試驗件表面凝結成霜冰的可能性也越大。

圖5 進口帽罩試驗結束瞬間圖片(狀態4、狀態5)Fig.5 Photograph of the inlet cowl at the ending moment of the experiment (condition 4 and condition 5)

采用數值模擬方法對兩個風速下進口帽罩表面水撞擊特性進行分析,結果如圖6所示。可以看到,不管風速大小尖錐頭部水收集系數最大,沿著帽罩尾緣的方向逐漸減小到零。從兩個風速下數值模擬結果對比發現,風速越大,帽罩的水收集系數也越大且帽罩表面水滴撞擊區域也越大。數值模擬結果與試驗結果有較好的對應關系,從而更好地說明來流風速對結冰區域大小及結冰量的影響。

圖6 進口帽罩表面水滴收集系數分布圖Fig.6 Distribution of droplet collection efficiency on the surface of the inlet cowl

在某發動機進氣支板水滴撞擊特性數值研究[22]中取得類似的規律,來流速度越大,水滴對支板局部收集系數、撞擊寬度以及總的收集系數都在增大。

3 結論

(1)進口帽罩防冰能力從帽罩后端到尖錐頭部逐漸變弱,為此需要優化設計熱氣流路以提升尖錐頭部的防冰能力。

(2)隨著熱氣流量增加帽罩防冰效果顯著提升,在發動機效率允許情況下建議增加防冰用氣量,同時需要保持防冰用氣溫度不降低。

(3)來流溫度影響了進口帽罩表面結冰類型,隨著來流溫度的降低,帽罩表面結冰類型也由明冰過渡到明冰與霜冰混合物,直至霜冰;來流風速越大,帽罩結冰區域越大,帽罩表面越易形成霜冰。