陳功， 楊坤， 王利平， 孔維梁， 王福新,*

(1. 上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院, 上海 200240； 2. 中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司, 上海 200240)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片冰脫落(以下簡(jiǎn)稱“冰脫落”)現(xiàn)象是指：當(dāng)飛機(jī)穿過濕度較高且具有一定過冷度的云層時(shí)，大氣中的過冷液態(tài)水滴撞擊并附著在發(fā)動(dòng)機(jī)渦扇葉片上，結(jié)成固態(tài)冰；當(dāng)冰累積一定程度后，在特定情況下可能發(fā)生斷裂并從葉片表面脫落。

冰脫落一般發(fā)生在飛機(jī)起飛、低空巡航、降落階段。發(fā)生冰脫落時(shí)，葉片的旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡可能被打破，造成渦扇振動(dòng)而損壞；部分脫落的冰塊可能被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)核，導(dǎo)致內(nèi)構(gòu)件磨損及燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象。2014年，亞洲航空公司航班號(hào)為QZ8501、型號(hào)為A320的客機(jī)失事，造成包括機(jī)組成員在內(nèi)的162人遇難。印尼氣象、氣候和地球物理局(BMKG)認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰是導(dǎo)致該事故的可能原因之一[1]。

近年來，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰問題已成為各國民航部門關(guān)注的重點(diǎn)之一，而民用飛機(jī)主機(jī)廠商及發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商在研發(fā)、制造、使用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)均對(duì)其葉片結(jié)冰及冰脫落問題進(jìn)行了大量研究，并將冰脫落問題的研究納入了研發(fā)、生產(chǎn)及取證等各個(gè)環(huán)節(jié)。結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)手段，用于研究該類問題較為成熟的方法主要有試驗(yàn)飛行、CFD仿真、冰風(fēng)洞試驗(yàn)等。

試驗(yàn)飛行驗(yàn)證是研究飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰問題最直接的手段。民用飛機(jī)適航條款對(duì)結(jié)冰試飛科目也有明確的要求[2]。但試驗(yàn)飛行驗(yàn)證主要用于型號(hào)飛機(jī)取證階段，實(shí)施的代價(jià)大，風(fēng)險(xiǎn)高，條件匹配難，無法用于常規(guī)研究，且自然結(jié)冰條件隨機(jī)性大，常無法保證試驗(yàn)按預(yù)定計(jì)劃進(jìn)行。

CFD仿真計(jì)算是當(dāng)前廣泛用于研究與飛機(jī)結(jié)冰相關(guān)各種問題的重要方法。周宏奎等[3]利用fensap-ice模塊進(jìn)行了仿真計(jì)算，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在不同溫度下的結(jié)冰規(guī)律；Ryosuke和Makoto[4]使用結(jié)冰及冰脫落模型提高了仿真計(jì)算的效率。上述2項(xiàng)研究證明了通過仿真手段研究冰脫落問題的可行性，但其結(jié)果尚未通過大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其有效性和準(zhǔn)確性有待考察。Chen等[5]采用數(shù)值計(jì)算的方式建立了風(fēng)扇葉片冰脫落預(yù)測(cè)模型，考慮了冰本身的力學(xué)性能、所受離心力及振動(dòng)等因素耦合后對(duì)冰脫落特性的影響，是當(dāng)前極少數(shù)采用“流固耦合”對(duì)冰脫落問題進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的嘗試之一。嚴(yán)曉雪等[6]通過四自由度方程模擬了冰脫落后的飛行軌跡，是對(duì)冰脫落問題研究的后續(xù)延伸。然而冰脫落問題涉及到水滴破碎、碰撞、附著、斷裂等復(fù)雜物理動(dòng)態(tài)過程，以當(dāng)前仿真的軟、硬件水平很難保證計(jì)算精度。

冰風(fēng)洞試驗(yàn)是當(dāng)前研究發(fā)動(dòng)機(jī)葉片冰脫落問題的另一種重要手段。意大利的CIRA-IWT及美國的Lewice風(fēng)洞都有能力進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰及冰脫落的試驗(yàn)驗(yàn)證。Britton[7]對(duì)美國Lewice風(fēng)洞中關(guān)于冰脫落的研究進(jìn)行了較為詳細(xì)的總結(jié)，系統(tǒng)歸納了針對(duì)該類問題的研究方法和主要結(jié)論，建立了該類問題的研究框架。Mason等[8]在1∶1臺(tái)架試驗(yàn)中觀測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上冰的生長情況，將原本在飛行過程中較難獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)冰情況在地面得以重現(xiàn)，提供最直觀的信息。Kraj和Bibeau[9]通過冰風(fēng)洞試驗(yàn)獲取了葉片前緣冰形，并檢測(cè)了冰的附著力。但用上述方法進(jìn)行冰風(fēng)洞試驗(yàn)的成本較高，一期試驗(yàn)費(fèi)用在百萬人民幣左右，且試驗(yàn)周期長，一般用于型號(hào)試制階段前的最終驗(yàn)證，而不適用于研發(fā)階段或?qū)W術(shù)課題研究。

地面自然環(huán)境結(jié)冰試驗(yàn)成本低，便于對(duì)較大比例的試驗(yàn)件進(jìn)行研究。中國某型號(hào)民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸和2∶1縮比模擬器在哈爾濱開展過地面結(jié)冰試驗(yàn)，是目前為止中國為數(shù)不多的采用地面自然結(jié)冰條件開展的研究，彌補(bǔ)了中國該項(xiàng)技術(shù)的空白。但地面試驗(yàn)環(huán)境很大程度上依賴于當(dāng)?shù)貧夂驐l件，試驗(yàn)環(huán)境通常較為惡劣且無法保持長時(shí)間的穩(wěn)定，不利于獲得可靠的結(jié)果。

相對(duì)于在自然環(huán)境下的地面結(jié)冰試驗(yàn)，在商業(yè)存儲(chǔ)用的冷庫中進(jìn)行試驗(yàn)具有與冰風(fēng)洞一樣的溫度可控性(但無法模擬高空氣壓環(huán)境)。本文基于某型號(hào)民用飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程中對(duì)其葉片結(jié)冰及冰脫落特性預(yù)測(cè)的需求。通過使用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)縮比模型作為研究對(duì)象，首次在冷庫中構(gòu)建了結(jié)冰云霧環(huán)境，使用相關(guān)設(shè)備創(chuàng)造結(jié)冰所需的條件，并對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。借助所搭建的試驗(yàn)體系對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上結(jié)冰及冰脫落的過程進(jìn)行模擬，獲得了可靠的結(jié)果，為后續(xù)制定該發(fā)動(dòng)機(jī)的防冰、除冰方案提供重要依據(jù)。

1 研究對(duì)象與內(nèi)容

研究葉片上結(jié)冰及冰脫落的主要目的是獲得冰脫落發(fā)生的過程及形態(tài)，以及在不同環(huán)境溫度T及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速ω等工況下，冰脫落的周期和程度。上述結(jié)果可進(jìn)一步用于預(yù)測(cè)冰脫落后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的影響，并能有效地提出相應(yīng)的預(yù)防及解決方法。

為了達(dá)成上述研究目的， 試驗(yàn)中將通過動(dòng)態(tài)影像更直觀地呈現(xiàn)冰脫落的完整過程。另外，在試驗(yàn)過程中還將引入冰脫落所需時(shí)間Δt、剩余冰特征長度lc等2個(gè)指標(biāo)，分別用于描述冰脫落發(fā)生的周期及脫落的程度。

1.1 冰脫落動(dòng)態(tài)過程觀察

冰脫落的完整過程涵蓋了積冰產(chǎn)生、生長、脫落等各階段，并包括積冰產(chǎn)生位置、生長進(jìn)程、脫落方式等多重信息。該過程將通過高速攝像機(jī)予以記錄并呈現(xiàn)。

1.2 剩余冰特征長度

通過觀察可知，葉片前緣所堆積的冰一般呈細(xì)長條狀，且長細(xì)比η較大。故定義冰條沿葉片展長方向的長度為li；冰條寬度w在數(shù)值上約等于葉片前緣厚度；冰條厚度δ在試驗(yàn)中隨時(shí)間累積而增大，沿葉片弦長方向反向延長。從圖1中可以看出，冰條的長度li在數(shù)值上遠(yuǎn)大于w及δ，且w、δ沿li方向保持均勻。而冰脫落的主要原因——離心力沿li方向向外單調(diào)遞增，使li方向上的脫落成為主要形式。

在此情況下，將葉片前緣冰脫落程度由無量綱參數(shù)剩余冰特征長度lc進(jìn)行衡量。lc定義為發(fā)生冰脫落后，葉片前緣未脫落的冰長度li與葉片前緣總長lb的比值。

圖1 剩余冰特征長度Fig.1 Residual ice characteristic length

lc=li/lb

(1)

如圖1所示，lc越小，葉片前緣剩余冰占冰未發(fā)生脫落時(shí)總量的比例越小，即說明冰脫落程度越大。

1.3 冰脫落所需時(shí)間

冰脫落周期由冰脫落所需時(shí)間Δt進(jìn)行衡量。Δt定義為從葉片處于結(jié)冰環(huán)境開始直至葉片前緣積冰發(fā)生斷裂并脫落所經(jīng)過的時(shí)間。

Δt=ts-t0

(2)

式中：t0和ts分別為葉片處于結(jié)冰環(huán)境的初始時(shí)刻和冰脫落開始發(fā)生的時(shí)刻。Δt越小，冰脫落發(fā)生所需的時(shí)間越短，即發(fā)生冰脫落較容易。

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及總體布置

本次試驗(yàn)場(chǎng)地選址于上海市嘉定區(qū)某商業(yè)用冷庫內(nèi)。該冷庫室溫可在0～-20℃的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控精度可達(dá)0.5℃。該溫度范圍基本覆蓋了本文對(duì)結(jié)冰環(huán)境溫度的需求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度T的模擬。

冷庫的有效面積為30 m×60 m，高約5 m。其空間遠(yuǎn)大于國內(nèi)外各冰風(fēng)洞試驗(yàn)段，較大的空間不僅有利于減小阻塞度，保證流場(chǎng)質(zhì)量，還能提高室溫的穩(wěn)定性，減小試驗(yàn)時(shí)可能出現(xiàn)的溫度場(chǎng)畸變現(xiàn)象，足以容納試驗(yàn)所需的全部大型設(shè)備、儀器，并方便研究人員進(jìn)出觀察。

試驗(yàn)設(shè)備在冷庫內(nèi)的布置如圖2所示。試驗(yàn)所需設(shè)備按不同功能劃分為驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)易模擬系統(tǒng)、冰塊收集系統(tǒng)及云霧吸附系統(tǒng)等5個(gè)部分。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic of test facility

2.2 驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)

驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)的作用是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇引導(dǎo)空氣定向流動(dòng),建立穩(wěn)定流場(chǎng)，起到模擬飛機(jī)飛行時(shí)來流速度V∞的作用。

如圖3所示，驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)由動(dòng)力段、穩(wěn)定段、擴(kuò)散段組成。動(dòng)力段核心部件為斜流風(fēng)機(jī)11.0-4，其最大功率為45 kW，動(dòng)力段入口處安裝層有防護(hù)網(wǎng)以防止吸入異物打壞風(fēng)機(jī)；穩(wěn)定段內(nèi)安裝一層蜂窩器和一層阻尼網(wǎng)以降低流場(chǎng)湍流度；擴(kuò)散段內(nèi)安裝一層防分離網(wǎng)以防止氣流發(fā)生分離。

通過風(fēng)機(jī)的輸出功率可獲得不同的來流速度并保持穩(wěn)定，該套驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)可提供的來流速度范圍約為0～10 m/s。

圖3 驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Wind driving system

2.3 噴霧系統(tǒng)

噴霧系統(tǒng)的作用是按試驗(yàn)要求將水和氣通過噴霧桿、噴霧耙實(shí)現(xiàn)水和氣的混合后均勻噴出，保證平均粒徑和液態(tài)水含量LWC達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的指標(biāo)。噴霧系統(tǒng)由噴霧裝置、供氣/供水裝置及控制裝置組成。

噴霧系統(tǒng)與驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)的出風(fēng)口連接，其噴霧區(qū)域范圍為1.2 m×1.2 m。噴霧耙在該區(qū)域內(nèi)按矩陣形式布置，其具體布置位置如圖4所示。該系 統(tǒng)可以提供平均粒徑MVD的范圍為15～40 μm的水滴，液態(tài)水含量的范圍可以達(dá)到0.3～3 g/m3，并確保0.6 m×0.6 m的范圍內(nèi)液滴均勻分布。

圖4 噴霧耙分布位置Fig.4 Distribution position of water spray

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)易模擬系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器的作用是模擬真實(shí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的外形、構(gòu)造及工況。

發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)易模擬器由金屬材料制成，主要分為短艙殼體、涵道、風(fēng)扇葉片及轉(zhuǎn)軸等部分，其外形與結(jié)構(gòu)參考某商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，按1∶4的比例進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)。風(fēng)扇由18片相同的葉片組成。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)易模擬系統(tǒng)Fig.5 Simple analog system of engine

該模擬系統(tǒng)凈輸入功率為25.6 kW，凈輸入扭矩為58 N·m。所需電機(jī)功率為32 kW，扭矩為73 N·m。電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)4 450 r/min，滿足試驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)速ω的模擬要求。

模型的縮比效應(yīng)可能會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上發(fā)生偏離，但試驗(yàn)結(jié)果隨變量(T，ω)變化的規(guī)律和趨勢(shì)(如單調(diào)性、是否存在拐點(diǎn)等)是本文主要關(guān)注的對(duì)象，其一般不會(huì)因縮比效應(yīng)發(fā)生質(zhì)變。另外，現(xiàn)存研究結(jié)果也可作為旁證驗(yàn)證本文結(jié)果的可靠性。

2.5 冰塊收集系統(tǒng)與云霧吸附系統(tǒng)

冰塊收集系統(tǒng)安裝于簡(jiǎn)易發(fā)動(dòng)機(jī)模型的噴口處，其作用為收集試驗(yàn)中從葉片上脫落的冰塊碎粒，防止其在試驗(yàn)場(chǎng)地中四處飛散，以免對(duì)冰庫中的試驗(yàn)等設(shè)備造成破壞。

云霧吸附系統(tǒng)安裝于簡(jiǎn)易發(fā)動(dòng)機(jī)模型的下游附近。該系統(tǒng)采用電加熱方式，將發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器噴出的水霧進(jìn)行加熱變?yōu)橐簯B(tài)水沿云霧吸附系統(tǒng)出口處的紗網(wǎng)流至地面，避免冷庫中水霧的累積及擴(kuò)散而出現(xiàn)“重吸入”現(xiàn)象，確保上游流場(chǎng)中的液態(tài)水含量不受影響。

3 參數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)

本文所構(gòu)建的試驗(yàn)體系首次應(yīng)用于試驗(yàn)中，為了保證各設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并創(chuàng)造符合要求的試驗(yàn)條件，在進(jìn)行正式試驗(yàn)前需對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行檢查及校準(zhǔn)。

3.1 試驗(yàn)參數(shù)條件

參考其他類似結(jié)冰問題的研究[10]可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度、來流速度、大氣液態(tài)水含量及水滴平均粒徑均對(duì)冰脫落產(chǎn)生影響[8]。李嘉祥等[11]在工程問題中針對(duì)不同來流速度下冰脫落的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；高揚(yáng)[12]通過試驗(yàn)飛行獲得了最容易導(dǎo)致冰脫落的大氣液態(tài)水含量及水滴平均粒徑。而本次試驗(yàn)將重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)冰脫落時(shí)間及冰脫落程度的影響。

表1中列舉了試驗(yàn)中各條件參數(shù)及其取值。如表1所示，根據(jù)試驗(yàn)采用控制變量法，將環(huán)境溫度T及葉片轉(zhuǎn)速ω作為自變量，并確定其取值范圍。同時(shí)，將來流速度V∞、液態(tài)水含量LWC、水滴平均粒徑MVD等其他參數(shù)視為常數(shù)，參考葉片結(jié)冰類試驗(yàn)的常規(guī)范圍[12-14]設(shè)定其常數(shù)值后，通過可靠的方法對(duì)該設(shè)定值進(jìn)行標(biāo)定。

表1 試驗(yàn)條件參數(shù)

3.2 來流速度標(biāo)定

試驗(yàn)中，來流速度V∞設(shè)定為9 m/s，來流速度V∞采用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行速度標(biāo)定。熱線風(fēng)速儀及其使用方法如圖6所示。

進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，架設(shè)熱線風(fēng)速儀在驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)噴口下游2 m處，其空速管部分對(duì)準(zhǔn)噴口中心，再逐漸增大驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)輸出功率并監(jiān)控?zé)峋€風(fēng)速儀的指示值，當(dāng)熱線風(fēng)速儀的讀數(shù)穩(wěn)定在9 m/s附近時(shí)，記錄驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)此時(shí)的功率作為試驗(yàn)時(shí)的額定功率。經(jīng)標(biāo)定，來流速度V∞≈9.1 m/s，滿足試驗(yàn)要求。

圖6 熱線風(fēng)速儀Fig.6 Hot-wire anemometer

3.3 液態(tài)水含量標(biāo)定

流場(chǎng)中的液態(tài)水含量LWC設(shè)定為1 g/m3。該參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)冰刀結(jié)冰試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)冰刀的使用方法及標(biāo)定結(jié)果如圖7所示。

將標(biāo)準(zhǔn)冰刀固定在測(cè)量截面，保證冰刀截面與來流速度方向垂直；啟動(dòng)驅(qū)風(fēng)系統(tǒng)并進(jìn)行噴霧，選定噴霧水流量及氣壓，持續(xù)噴霧15 min后將冰刀移出試驗(yàn)段，測(cè)量冰刀前緣結(jié)冰厚度。此時(shí)，流場(chǎng)中的液態(tài)水含量LWC可根據(jù)式(3)進(jìn)行換算：

(3)

式中：ρice為冰密度，ρice=900 kg/m3；來流速度V∞=9 m/s；t為持續(xù)時(shí)間，t=15 min；τice為冰刀上積冰厚度，經(jīng)測(cè)量τice=7.907 mm；β0為水滴收集率，通過CFD仿真手段，根據(jù)逐次二分逼近法[15]，結(jié)合冰刀的幾何外形計(jì)算流場(chǎng)軌跡在冰刀上下表面撞擊的極限位置，經(jīng)多次迭代最終計(jì)算得β0=0.92。

根據(jù)式(3)可計(jì)算出流場(chǎng)中液態(tài)水含量LWC約為0.955 g/m3，符合試驗(yàn)要求。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)冰刀標(biāo)定液態(tài)水含量Fig.7 Standard ice blade for LWC calibration

3.4 水滴平均粒徑標(biāo)定

水滴平均粒徑MVD采用Winner319工業(yè)噴霧激光粒度儀器進(jìn)行測(cè)定。

測(cè)定時(shí)，在噴口下游2 m處架設(shè)噴霧激光粒度儀，將檢測(cè)粒子調(diào)至30 μm。啟動(dòng)驅(qū)風(fēng)裝置及噴霧裝置，持續(xù)5 min，期間觀察測(cè)量過程中粒徑是否可以保持到5 μm以內(nèi)的波動(dòng)范圍。

經(jīng)測(cè)量，流場(chǎng)水霧中的液態(tài)水滴平均粒徑MVD≈26.5 μm，滿足試驗(yàn)需求。

3.5 噴霧均勻度檢測(cè)

噴霧均勻度Λ擬采用金屬格柵進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，噴霧均勻度的標(biāo)定裝置如圖8所示。

圖8 噴霧均勻度檢測(cè)裝置與結(jié)果Fig.8 Spray evenness measurement facility and result

用于測(cè)量噴霧均勻度的金屬格柵由縱橫各17根長桁架交叉組成，共計(jì)289個(gè)交叉點(diǎn)。設(shè)中心點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0)。定義噴霧均勻度為各交叉點(diǎn)上的相對(duì)結(jié)冰厚度，即各交叉點(diǎn)的結(jié)冰厚度與中心交叉點(diǎn)(0,0)上結(jié)冰厚度的比值。

標(biāo)定時(shí)，將金屬格柵固定在噴霧系統(tǒng)出口下游2 m處，保證金屬格柵與來流速度方向垂直。持續(xù)噴霧15 min后停止，然后將金屬格柵移出試驗(yàn)段。之后對(duì)整個(gè)金屬格柵區(qū)域采用空間掃描儀進(jìn)行外形掃描獲取金屬格柵上結(jié)冰的形狀；將掃描結(jié)果傳輸至計(jì)算機(jī)并生成對(duì)應(yīng)的幾何文件；通過CATIA建模軟件進(jìn)行測(cè)量獲得各交叉點(diǎn)處的結(jié)冰厚度，最后進(jìn)行均勻度的計(jì)算。

經(jīng)測(cè)量，在該區(qū)域95%的面積內(nèi)的噴霧均勻度的偏差不超過20%，滿足試驗(yàn)要求。

4 試驗(yàn)內(nèi)容與步驟

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

研究在不同環(huán)境溫度T及葉片轉(zhuǎn)速ω的情況下，冰脫落所需時(shí)間及冰脫落后剩余冰特征長度的變化情況。溫度變量T取值為-2、-3.5、-5、-7、-9℃，葉片轉(zhuǎn)速變量ω取2 400、2 700、3 000 r/min。經(jīng)有效排列組合，試驗(yàn)有效車次共計(jì)7次，如表2所示。

表2 試驗(yàn)車次

4.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)按照表2中的順序依次進(jìn)行，其步驟如下：

步驟1啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)易模擬系統(tǒng)，控制電機(jī)使葉片轉(zhuǎn)速ω達(dá)到當(dāng)前試驗(yàn)工況所需的指定值，并保持穩(wěn)定。

步驟2同時(shí)開啟驅(qū)風(fēng)、噴霧裝置并記錄當(dāng)前時(shí)刻記作t0。

(4)

步驟4觀察高速攝像機(jī)所拍攝的視頻，記錄每個(gè)葉片上冰脫落發(fā)生所需的時(shí)刻ts，計(jì)算時(shí)間Δt=ts-t0并進(jìn)行初步比較，如有不超過2個(gè)葉片上的脫落時(shí)間明顯不同于其他葉片，則也視為“奇點(diǎn)”結(jié)果進(jìn)行剔除，并計(jì)算其平均值Δt′。

(5)

步驟5在步驟4和步驟5中出現(xiàn)的“奇點(diǎn)”較多，應(yīng)暫停試驗(yàn)，并檢查試驗(yàn)設(shè)備安裝是否出現(xiàn)松動(dòng)；葉片轉(zhuǎn)動(dòng)是否平穩(wěn)；噴霧和流場(chǎng)是否均勻，必要時(shí)應(yīng)對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行局部或整體校準(zhǔn)。

步驟6重復(fù)步驟1～步驟5，按表2中次序進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，直至所有試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行完畢。

在試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，采用高速攝像機(jī)對(duì)葉片上結(jié)冰及冰脫落的完整過程進(jìn)行拍攝，為了保證高速攝像機(jī)測(cè)量圖像的清晰，利用大功率照明燈對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行照明。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 冰脫落過程分解

試驗(yàn)中，通過高速攝像機(jī)對(duì)葉片上開始結(jié)冰直至冰脫落的整個(gè)過程進(jìn)行了記錄。

圖9 葉片結(jié)冰—冰脫落過程Fig.9 Process of icing and ice shedding on blade

以表2中車次3的試驗(yàn)工況為例(T=-7℃，ω=3 000 r/min)，葉片前緣結(jié)冰—冰脫落的完整過程如圖9所示，觀察總時(shí)長為15 min。

圖9(a)為結(jié)冰潛伏階段，葉片前緣尚無明顯的固體積冰出現(xiàn)，但在葉片根部的前緣可觀測(cè)到已有白色霜層出現(xiàn)。圖9(b)為初始結(jié)冰階段。當(dāng)風(fēng)扇在試驗(yàn)環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，葉片根部的前緣陸續(xù)有積冰產(chǎn)生，并逐漸向梢部發(fā)展。圖9(c)為冰持續(xù)生長階段。隨時(shí)間推移，積冰從葉片根部前緣逐漸向梢部發(fā)展，直至覆蓋整個(gè)葉片前緣。圖9(d)為冰脫落階段。葉片上積冰開始出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。在同一個(gè)工況下，不同葉片上發(fā)生脫落現(xiàn)象在時(shí)間上較為集中，前后間隔不超過2 s。冰脫落基本發(fā)生于葉片梢部，而葉片根部前緣的積冰依舊附著，基本均未發(fā)生脫落現(xiàn)象，且各葉片上剩余冰的特征長度差異較小。

5.2 環(huán)境溫度對(duì)冰脫落特性的影響

分析圖10中各結(jié)果可知，當(dāng)環(huán)境溫度為-2、-3.5、-5℃時(shí)，葉片前緣積冰為透明狀，基本為明冰[7]；而當(dāng)環(huán)境溫度為-7、-9℃時(shí)，積冰呈白色，應(yīng)為混合冰，由明冰與霜冰共同組成。

分析表3中的數(shù)據(jù)并結(jié)合圖10可知，當(dāng)環(huán)境溫度在-2～-5℃范圍內(nèi)降低時(shí)，脫落所需時(shí)間與剩余冰特征長度均有減小趨勢(shì)；當(dāng)環(huán)境溫度在-5～-9℃范圍內(nèi)繼續(xù)降低時(shí)，脫落所需時(shí)間與剩余冰特征長度均有增大趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)境溫度低至-9℃時(shí)，葉片上脫落的冰的特征長度已不足10%。通過分析以上結(jié)果可知，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著環(huán)境溫度的持續(xù)降低，冰的成分由單一的明冰向混合冰轉(zhuǎn)變，冰脫落程度先增大后減小，冰脫落所需時(shí)間先縮短再延長。該趨勢(shì)變化的拐點(diǎn)可能出現(xiàn)在-3.5～-5℃的溫度范圍內(nèi)。在此溫度條件下，冰較容易脫落，且發(fā)生脫落的程度較大。

圖10 環(huán)境溫度對(duì)冰脫落的影響Fig.10 Effect of environmental temperature on ice shedding

T/℃Δt/sl′c-2427.40.735-3.5325.00.389-5259.10.433-7274.00.624-9360.50.904

5.3 轉(zhuǎn)速對(duì)冰脫落特性的影響

分析圖11可知，葉片前緣積冰均為呈白色狀，為混合冰，其成分不隨轉(zhuǎn)速變化而改變。

圖11 葉片轉(zhuǎn)速對(duì)冰脫落的影響Fig.11 Effect of blade rotational speed on ice shedding

ω/(r·min-1)Δt/sl′c2400266.310.6242700198.570.3893000134.390.368

6 結(jié) 論

本文通過分析葉片冰脫落風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果可獲得以下結(jié)論：

1) 葉片前緣冰脫落的整個(gè)過程，包括結(jié)冰潛伏階段、初始結(jié)冰階段、冰持續(xù)生長階段及冰脫落階段。

2) 葉片根部結(jié)冰較早，且不容易脫落；葉片末梢結(jié)冰需較長時(shí)間，但容易脫落。不同工況下，冰脫落所需的時(shí)間及脫落的程度均不同。

3) 冰脫落所需時(shí)間及冰脫落程度與轉(zhuǎn)速有關(guān)。在試驗(yàn)設(shè)定的轉(zhuǎn)速下(2 400、2 700、3 000 r/min)，轉(zhuǎn)速越快，脫落發(fā)生的越早，脫落的程度越大。該結(jié)論與文獻(xiàn)[16-17]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰脫落的預(yù)測(cè)結(jié)果在趨勢(shì)上具有一致性。

4) 冰脫落所需時(shí)間及冰脫落程度與環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度不同時(shí)，冰的成分將發(fā)生變化，在試驗(yàn)設(shè)定的環(huán)境溫度范圍[-2,-9]℃內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度持續(xù)降低時(shí)，冰脫落所需的時(shí)間先縮短再延長，冰脫落程度先增大后減小，變化趨勢(shì)的拐點(diǎn)出現(xiàn)在-3.5～-5℃附近，在該環(huán)境溫度下，冰脫落最容易發(fā)生，且脫落程度最大。該結(jié)論與文獻(xiàn)[18]關(guān)于環(huán)境溫度對(duì)結(jié)冰附著力和冰脫落影響規(guī)律的分析部分吻合。同時(shí)，該結(jié)論與中國某型號(hào)民用飛機(jī)在哈爾濱氣動(dòng)進(jìn)行的全機(jī)與1∶2縮比模型試驗(yàn)的結(jié)果一致。

本文使用了冷庫來模擬結(jié)冰環(huán)境的試驗(yàn)技術(shù)，在中國相關(guān)研究中尚屬首次。通過該試驗(yàn)技術(shù)，以較小的成本及代價(jià)獲得具有一定可靠性、可信性的試驗(yàn)結(jié)果，為研究渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)冰—冰脫落問題提供了新的手段，具有重要意義。