田小江，張　靈，夏全忠，夏　輝

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

小型航空渦噴發(fā)動機吞水試驗裝置研制

田小江，張靈，夏全忠，夏輝

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

根據(jù)國內(nèi)外航空發(fā)動機吞水試驗裝置發(fā)展情況，結合小型航空渦噴發(fā)動機結構特點，采用三維流場計算與試驗相結合的方式，確定了噴水裝置距離發(fā)動機進口截面的位置和在進氣道徑向上的安裝尺寸。通過噴水裝置的噴霧特性試驗，獲得了不同吹風流量和噴水流量條件下的噴霧特性；通過靜態(tài)條件下的流量分布試驗，獲取了不同噴水流量下的水霧分布特性。整機吞水試驗驗證表明，所設計的吞水試驗裝置的功能和性能滿足試驗要求。

航空發(fā)動機；吞水試驗；噴水裝置；噴霧特性；地面試驗；水霧分布

1　引言

航空發(fā)動機在飛行過程中吸入液態(tài)水后，可能會造成發(fā)動機機匣局部冷收縮，引起機匣與葉片之間間隙減小而產(chǎn)生刮擦，以及引起壓氣機喘振、燃燒室熄火等。目前，發(fā)動機吞水試驗為發(fā)動機研制過程中的一個重要試驗環(huán)節(jié)，并列入研制型號規(guī)范，作為發(fā)動機工作穩(wěn)定性的一個重要考核項目［1-3］。吞水試驗一般在地面試車臺（露天臺）和飛機跑道上進行。其中，地面試車臺吞水試驗主要采用噴霧架結構形式的噴水裝置，從發(fā)動機進氣道外向發(fā)動機內(nèi)部噴水，從而模擬發(fā)動機雨天工作環(huán)境［4-5］。飛機跑道試驗主要是在機場跑道上設置一條水槽，槽內(nèi)注入大量水，飛機起落架前輪在水槽中滑行，濺射的水隨進氣氣流進入發(fā)動機，以模擬飛機在起飛、著陸時跑道上因降雨而積存了大量雨水的情況［6-8］。

本文針對小型航空發(fā)動機進氣流道小，和對噴水裝置的噴霧特性、水霧分布要求及控制調(diào)節(jié)要求等，展開了吞水試驗裝置設計研究；并依托某小型航空發(fā)動機設計定型吞水試驗，對吞水試驗裝置能否滿足該發(fā)動機的試驗要求予以了驗證。

2　噴水裝置

試驗發(fā)動機為單涵道渦噴發(fā)動機，進氣流量較小。為準確計量噴入發(fā)動機流道內(nèi)水量，采用外部噴霧架結構形式，共設計有兩個噴水截面、6只噴嘴（周向間隔60°）。噴水裝置由氣瓶、水箱、調(diào)節(jié)閥、流量計、兩位三通電磁閥、噴嘴（預調(diào)噴嘴、試驗噴嘴）和相應連接管路組成。裝置通過針形調(diào)節(jié)閥、兩位三通電磁閥及水霧分區(qū)控制，來實現(xiàn)噴水流量、水滴直徑及水霧分布調(diào)節(jié)。噴水裝置示意圖如圖1所示，從水箱出來的水分兩路，分別向噴水面1和噴水面2供水，每個截面共用一個供水環(huán)，水環(huán)固定在定架上；噴水桿與噴水環(huán)間采用熟銅管柔性連接，從而降低噴水管路對發(fā)動機推力測量的影響。發(fā)動機吞水試驗時，只需通過調(diào)整主路上的針型閥對兩個噴水截面進行水量調(diào)節(jié)，即可使發(fā)動機進口截面水霧質量分布滿足試驗要求；噴水量由主路上的渦輪流量計計量。

3　噴水裝置特性

3.1噴水桿對進氣流場的影響

為最大程度降低噴水桿對發(fā)動機進氣流場和形成的水霧特性的影響，在考慮氣流粘性阻力、忽略重力影響且均勻來流條件下，對安裝噴水裝置的流量管進行三維流場計算。不同截面總壓分布如圖2所示，噴水桿造成的最大總壓損失約為0.6 kPa，總壓不均勻度為2.6%。根據(jù)計算結果和實際安裝位置，選取距發(fā)動機進口1.25D（D為流量管直徑）處為噴水截面；根據(jù)噴嘴的噴霧覆蓋范圍、進氣道直徑和對流道的堵塞，選取噴水桿沿徑向插入流量管深度為0.25D。

圖2　R不同截面處的總壓分布Fig.2 The total pressure distribution of differentsections

3.2噴嘴噴霧特性

因試驗臺安裝空間限制，未能實現(xiàn)水滴直徑的實時測量。試驗過程中，主要根據(jù)噴霧系統(tǒng)的壓力-粒徑特性進行水滴直徑控制。為此，采用馬爾文粒度儀分別在無氣流和有氣流條件下，兩噴射截面流量比例為1：1時，測量了發(fā)動機不同入口截面處噴霧系統(tǒng)的壓力-粒徑特性。圖3為吹飛條件下噴霧特性測量試驗現(xiàn)場照片，可見噴霧在氣流作用下在流量管出口分布較為均勻，無水滴打在管壁上。表1示出了流量管中軸線上噴水截面后1.25D處有氣流條件下的水滴直徑測量結果，圖4所示為流量管中軸線上噴水截面后0.75D、1.25D、1.75D處無氣流條件下的水滴直徑測量結果。測試結果表明，兩種條件下相同截面處噴水裝置所產(chǎn)生的水霧，皆能滿足試驗要求［3］。但在氣流條件下，噴霧受氣流壓縮的影響，所形成的水滴在氣流中產(chǎn)生了二次霧化，形成了更加細小的水霧；無氣流條件下，所形成的水滴隨噴嘴出口距離的增加直徑略有變化。

圖3　R吹風條件下噴霧特性測量試驗照片F(xiàn)ig.3 Testphoto of spray characteristicsmeasurementunder blowing

圖4　R距噴水截面不同距離下的水滴直徑Fig.4 The change of drips diameter atdifferentnozzle's spray section

3.3噴霧質量分布

噴水裝置的液態(tài)水分布，雖然通過噴嘴位置布置和管路流量分配在原理上可滿足要求，但由于噴嘴噴霧錐角差異，及與發(fā)動機實際試驗過程中受到氣流壓縮，其實際分布將存在一定誤差。在無吹風條件下，對1/3進口流道扇形區(qū)內(nèi)的液態(tài)水質量進行測量，結果如表2所示?？梢?，靜態(tài)下雨要求值偏差較大，液態(tài)水質量分布不能滿足國軍標要求［3］。根據(jù)液態(tài)水質量分布要求，調(diào)整兩噴水面的噴射流量比例，調(diào)整后液態(tài)水質量分布部分滿足國軍標要求?？紤]到實際吞水過程中，噴霧錐角將在一定程度上受到氣流壓縮，噴嘴噴出的水霧范圍將減小，區(qū)域水量將增加，若靜態(tài)條件下液態(tài)水分布滿足設計要求或與要求偏差較小，可認為吹風條件下亦滿足水霧質量分布要求。

表2　R平均液態(tài)水含量分布Table 2 Distribution of LWC

4　噴水裝置調(diào)試

噴水裝置完成噴霧特性調(diào)試后，在某小型發(fā)動機吞水摸底試驗中進行了應用。圖5示出了噴水裝置工作過程中模擬雨霧環(huán)境的開始、穩(wěn)定噴射和停止噴射的過程。噴水裝置能實時實現(xiàn)噴水流量的調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)（切換管路）過程中，噴嘴管路的水流量有3.6 g/s的突升，這主要是用兩位三通電磁閥進行噴射管路切換，管路空余容積填充所致。管路切換后，噴射管路在10 s內(nèi)建起噴射壓力，約30 s后達到目標噴射壓力開始穩(wěn)定噴射。發(fā)出停止噴射指令（切換電磁閥）后，約8.5 s后停止噴射（噴射壓力為常壓）。

圖5　R噴水裝置工作過程Fig.5 The processof spray equipment

5　結論

通過對設計的噴水裝置展開流場計算、噴霧特性測量、吹風試驗和整機調(diào)試試驗，對噴水裝置噴霧特性、控制特性和噴水量進行了驗證。調(diào)試和試驗結果表明，所設計的噴水系統(tǒng)能在10 s內(nèi)產(chǎn)生噴霧，30 s內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定噴霧，50 s內(nèi)可實現(xiàn)噴射流量的改變，所形成的噴霧液滴直徑滿足皆小于2mm的試驗要求；為滿足1/3扇形截面水含量分布要求，可通過改變管路流量分配比例來調(diào)節(jié)發(fā)動機進口截面水含量分布。雖然該噴水裝置滿足試驗要求，但其噴射壓力的建立速度及噴水流量的調(diào)節(jié)方式還需進一步優(yōu)化，以提高雨霧環(huán)境的模擬精度。

［1］GJB 241A-2010，航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范［S］.

［2］GJB 242-1987，航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范［S］.

［3］GJB 4877-2003，航空渦輪發(fā)動機吞水試驗要求［S］.

［4］杜鶴齡.航空發(fā)動機高空模擬［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002：184—190.

［5］張寶誠.航空發(fā)動機試驗和測試技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005：199—203.

［6］李衛(wèi)東.CFM56發(fā)動機吞水能力的改進［J］.燃氣渦輪試驗與研究，1999，12（3）：21—24.

［7］王長喜，李明亮，劉選民.英、美航空發(fā)動機部分特種地面試驗簡介［J］.飛行試驗，1997，13（4）：2—7.

［8］馬慶祥.航空發(fā)動機地面模擬吞水試驗［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2002，15（4）：39—44.

Developm ent of equipm en t for w ater ingestion test of certainm ini-type aero-engine

TIAN Xiao-jiang，ZHANG Ling，XIA Quan-zhong，XIA Hui
（China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

Based on the development of equipment for water test in china and abroad，and combined with the characteristic of the testengine，the distance between spray and the inlet of engine and the radial deepnessof the intakewere determined by the testand computation of 3D flowfield.The spray characteristic under different air flow and spraying water flow conditions were obtained through spray characteristic test. And spray distribution characteristics under different flow conditions were obtained through flow distribution test under static condition.The water ingestion test indicate that the function and performance of test equipmentmeet the test demands.

aero-engine；water ingestion test；spray equipment；spray characteristic；ground test；spray distribution characteristics

田小江（1983-），男，四川安岳人，工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動機整機試驗技術研究。

V216.5；V263.4+2

A

1672-2620（2015）03-0049-04

2014-07-09；修回日期：2015-01-22