民用飛機發(fā)動機防冰性能指標(biāo)定義與計算

徐佳佳

【摘 要】在防冰系統(tǒng)設(shè)計時，通常使用防冰表面溫度作為性能指標(biāo)。對于濕蒸發(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)的評估方法，并根據(jù)發(fā)動機實際吞冰能力和發(fā)動機尺寸結(jié)構(gòu)將結(jié)冰量等效為結(jié)冰厚度，同時給出溢流冰厚度的計算算例。

【關(guān)鍵詞】民用飛機；發(fā)動機防冰；溢流冰；吞冰能力

0 引言

由于高空云層中過冷水滴的存在，飛機穿過云層時，迎面表面可能會產(chǎn)生結(jié)冰危及飛行安全[1]。因此民用飛機都配備防冰系統(tǒng)，對于發(fā)動機短艙防冰，一般使用發(fā)動機中壓壓氣機引氣對短艙前緣加熱達到防冰目的。

在防冰系統(tǒng)設(shè)計時，通常使用防冰表面溫度作為性能指標(biāo)。通過仿真計算出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?，F(xiàn)代民用飛機大多采用高涵道比的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，該類發(fā)動機在設(shè)計時均考慮了一定的吞冰能力。因此對于發(fā)動機短艙防冰系統(tǒng)，可以設(shè)計為濕蒸發(fā)系統(tǒng)，即撞擊水在防護表面未被完全蒸發(fā)，允許產(chǎn)生溢流冰的情況。

對于濕蒸發(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)的評估方法，并根據(jù)發(fā)動機實際吞冰能力和發(fā)動機尺寸結(jié)構(gòu)將結(jié)冰量等效為結(jié)冰厚度，同時給出溢流冰厚度的計算算例。

1 適航條款分析

適航條款 CCAR 33.77（e）（1）關(guān)于發(fā)動機吞冰能力試驗使用冰塊尺寸的規(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)而在典型的進氣道整流罩和發(fā)動機正面積聚的最多數(shù)量的冰；或者使用質(zhì)量和厚度與該發(fā)動機的尺寸可比擬的一塊冰。

FAA對于發(fā)動機吞冰能力試驗中應(yīng)選用的最小冰塊尺寸作出了建議[3]，見表1。

2 防冰表面溢流計算模型

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

和發(fā)動機吞冰試驗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，同時作為防冰性能的考核指標(biāo)。

在性能計算時，考慮到未凍結(jié)的水在表面溢流的主要驅(qū)動力是氣流的剪切力，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度來進行溢流水量的分配。

因為性能計算是基于穩(wěn)態(tài)的傳熱傳質(zhì)模擬，以防護區(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。該型號發(fā)動機共有24個風(fēng)扇葉片，每個葉片的最大吞冰體積為（12inch×6.67inch×0.32inch）/24，每個截面對應(yīng)3個葉片即每個截面的最大吞冰體積為（12inch×6.67inch×0.32inch）/8，再結(jié)合發(fā)動機實際尺寸測量出每個截面±22.5°的弧長和溢流區(qū)長度，即可計算出每個截面的溢流冰厚度。3 防冰表面溢流結(jié)冰厚度計算利用商業(yè)軟件FLUENT自編程建立三維發(fā)動機性能計算模型，在某個典型嚴酷工況下發(fā)動機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)動機防冰性能評判的指標(biāo)。根據(jù)發(fā)動機實際吞冰能力和發(fā)動機尺寸結(jié)構(gòu)將結(jié)冰量等效為結(jié)冰厚度， 同時建立計算模型，利用CFD方法對某典型工況下發(fā)動機防冰表面溢流結(jié)冰厚度進行了計算。

【參考文獻】

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

[2]CCAR 33-R1航空發(fā)動機適航規(guī)定[S].中國：中國民用航空局，2002.

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

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint