鄒寶軍 康飛 許明文 劉宇恒

摘要：為考核某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)吞入一定形狀、大小和數(shù)量冰片或冰雹的能力，在地面試驗(yàn)臺(tái)上模擬飛行環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行吞冰試驗(yàn)。試驗(yàn)前根據(jù)《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》（GJB242-87）、《航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰試驗(yàn)技術(shù)要求》（GJB5032-2001）和某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范要求對(duì)吞冰裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了試驗(yàn)中準(zhǔn)確投冰片、冰雹的問題。同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了可行性研究，并對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了吞冰試驗(yàn)，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰試驗(yàn)充足的數(shù)據(jù)分析資料，驗(yàn)證了方法的科學(xué)性、合理性。

Abstract： In order to validate the ability of a turboshaft engine to ingest hailstones or ice chips with given shape， size and quantity， an engine ice ingestion test simulating flight condition is conducted on ground test bench. Before test， based on General Specification for Aviation Turbo-prop and Turbo-shaft Engine（GJB242-87）and Aero-engine Ice Ingestion Test Requirements（GJB5032-2001）and the Type Specification of a Turbo-shaft Engine， an unique design of the ice ingestion device is done so as to achieve accurate ice and hailstone throwing. Also， the feasibility of the test method is analyzed， A turbo-shaft engine have been tested， using the developed ice throwing device and the developed hail ingestion device respectively. Sufficient data have been obtained， validating that the hail ingestion method is scientific and reasonable.

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);吞冰試驗(yàn);方法研究

Key words： turboshaft engine;ice ingestion test;method study

0? 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)定型試驗(yàn)中，環(huán)境試驗(yàn)是不可缺少的重要部分[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過程中遭遇進(jìn)氣道積聚大量冰層突然脫落的情況或冰雹時(shí)，會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、產(chǎn)生永久性的功率損失或引起發(fā)動(dòng)機(jī)毀壞的主要結(jié)構(gòu)的損壞。

為保證飛行安全，應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面吞冰試驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行鑒定[2]。

吞冰試驗(yàn)分為吞冰片試驗(yàn)和吞冰雹試驗(yàn)[3]。本文對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰試驗(yàn)方法進(jìn)行了深入研究，主要包括：設(shè)計(jì)和研制了制冰裝置、投冰片裝置、投冰雹裝置等主要設(shè)備，購置了快速攝影裝置，巧妙解決了試驗(yàn)中進(jìn)行準(zhǔn)確投冰片、冰雹的問題;對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容和步驟進(jìn)行了概述。最后，使用吞冰試驗(yàn)裝置對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了吞冰試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合文獻(xiàn)[3]、[4]和發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范要求。

1? 試驗(yàn)要求

根據(jù)文獻(xiàn)[3]、[4]和發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范要求試驗(yàn)時(shí)要求車臺(tái)設(shè)備分別按以下兩種方式向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口投冰：

①在發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)，在較短時(shí)間內(nèi)向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口投送一片密度為0.8～0.9g/cm3、尺寸為（228×76×6.3）mm的冰片，投送速度接近零;

②在發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)，5s內(nèi)以320km/h以上的速度向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口同時(shí)投送密度為0.8～0.9g/cm3的一個(gè)5cm直徑的冰雹和兩個(gè)2.5cm直徑的冰雹。

2? 試驗(yàn)設(shè)備

吞冰試驗(yàn)主要是模擬直升機(jī)在極端天氣條件下其發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口吞入一定形狀、大小和數(shù)量冰片或冰雹對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。所以，要設(shè)計(jì)一套裝置按照一定規(guī)律在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口投入冰片或冰雹，來模擬極端天氣條件。吞冰試驗(yàn)設(shè)備主要包括制冰裝置、投冰片裝置、投冰雹裝置、高速攝影裝置、測(cè)試系統(tǒng)等設(shè)備。

2.1 吞冰試驗(yàn)裝置

2.1.1 制冰裝置

制冰裝置主要由制冷設(shè)備和制冰模組成。冰片和冰雹由根據(jù)試驗(yàn)要求制成的冰模中注入水，放入制冰設(shè)備中在冷藏模式-10℃～-20℃溫度下冷凍48h制成[3]。其中制冰模根據(jù)冰片、冰雹外形及大小尺寸進(jìn)行機(jī)加工。制出來的冰通過測(cè)出體積，再通過質(zhì)量測(cè)量?jī)x測(cè)得其質(zhì)量后，通過計(jì)算求得密度，制得的冰雹、冰塊參數(shù)如表1。

2.1.2 投冰片裝置

該裝置主要由安裝座、安裝盤、支架、組合滑道、可調(diào)拉桿、連桿、儲(chǔ)冰盒和電磁鐵組成，圖1為投冰片裝置結(jié)構(gòu)圖。儲(chǔ)冰盒具有保溫、密封功能，能在室溫條件下，5分鐘內(nèi)儲(chǔ)存一塊冰片，保證冰片的體積、密度、強(qiáng)度和硬度等指標(biāo)符合試驗(yàn)要求。

裝置可遠(yuǎn)程操控投放，對(duì)冰片滑入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的速度與角度能進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。投冰時(shí)，通過遠(yuǎn)程開關(guān)斷開電磁鐵直流電，儲(chǔ)冰盒在自身重力作用下發(fā)生傾轉(zhuǎn)，冰塊滑出儲(chǔ)冰盒，經(jīng)過組合滑道4由下滑道下邊緣以調(diào)節(jié)規(guī)定的角度與速度滑出，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口。

2.1.3 投冰雹裝置

投冰雹裝置又稱氣體炮裝置，主要由儲(chǔ)氣罐、炮筒、氣室及觸發(fā)機(jī)構(gòu)、速度控制系統(tǒng)、彈丸殼、管路開關(guān)等組成。

氣體炮裝置由高壓氣源通過儲(chǔ)氣罐對(duì)氣室注氣加壓，依靠氣室內(nèi)的高壓氣體在炮筒內(nèi)對(duì)被投物加速，以獲得所需的投射速度，如圖2。對(duì)于一定質(zhì)量的被投物，通過調(diào)節(jié)氣室內(nèi)的注氣壓力，改變投射速度。

彈丸殼用來裝填冰雹，保護(hù)冰雹不破碎又能讓冰雹在炮筒內(nèi)加速至目標(biāo)速度，彈丸殼外層由鋁合金制成，里層為泡沫保溫層，可以保證冰雹安裝后在溫度（-2～0）℃下保溫5分鐘。

裝置主要技術(shù)指標(biāo)：

①投射速度：（50～600）km/h范圍內(nèi)可調(diào)，精度優(yōu)于2%;②炮筒有效內(nèi)徑：125mm（1個(gè)）和90mm（1個(gè)）。

裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

2.2 高速攝影裝置

高速攝影裝置主要由高速攝影機(jī)、光學(xué)鏡頭、固定臺(tái)架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及圖像跟蹤系統(tǒng)等組成。用于觀察冰雹的入射軌跡、撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)前的姿態(tài)、撞擊部位、冰雹變形破碎過程等情況，并測(cè)量冰雹撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)前的瞬時(shí)速度。

高速攝影裝置測(cè)速能力主要是由其像素和幀數(shù)決定的。像素是指基本原色素及其灰度的基本編碼，是構(gòu)成數(shù)碼影像的基本單位。像素越高，定位精度越高。高速攝影機(jī)單位時(shí)間內(nèi)（一般為1s）拍攝的幀數(shù)（圖片張數(shù)），即拍攝速率？姿（幅/s）。拍攝速率越高，高速運(yùn)動(dòng)物體位置的確定越精確。

測(cè)速時(shí)，測(cè)量用的基準(zhǔn)長(zhǎng)度（即拍攝圖像全長(zhǎng)）為L(zhǎng)0，基準(zhǔn)長(zhǎng)度所占的像素為N0，物體運(yùn)動(dòng)了？駐x距離？駐t，時(shí)間間隔，則運(yùn)動(dòng)距離所占的像素為：

高速攝影機(jī)單位時(shí)間內(nèi)（一般為1s）拍攝的幀數(shù)，即拍攝速率？姿根據(jù)公式（3）確定。

根據(jù)公式（3），求得？姿的取值范圍為8368幅/s ～12551幅/s。當(dāng)拍攝距離比較近時(shí)，？姿取較大值，當(dāng)拍攝距離較遠(yuǎn)時(shí)，？姿取較小值。

該裝置的主要功能和技術(shù)參數(shù)如下：

①相機(jī)攝像最高速度大于冰的射入速度;

②裝置能在投放冰片、冰雹前0.5s觸發(fā)拍攝;

③連續(xù)拍攝時(shí)間大于5s;

④碰撞瞬間產(chǎn)生的火花、光亮、煙霧等不會(huì)影響拍攝物的成像質(zhì)量;

⑤物體運(yùn)動(dòng)分析軟件能根據(jù)所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、圖像計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體速度;

⑥相機(jī)與燈組具備抗震、防抖功能，且能在高噪聲環(huán)境下穩(wěn)定工作。

3? 吞冰片、冰雹試驗(yàn)設(shè)備的布局和安裝

將投冰片裝置、吞冰雹裝置、高速攝影裝置和試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)合理安裝，在常規(guī)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，還要確保：

①投冰片裝置能把冰片精準(zhǔn)投入發(fā)動(dòng)機(jī)，氣體炮裝置能將冰雹精準(zhǔn)射入發(fā)動(dòng)機(jī);

②攝影裝置拍攝范圍能覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口和尾噴管出口（車臺(tái)原有監(jiān)控裝置滿足出口攝像要求），并能多角度全方位觀察冰片、冰雹的入射和撞擊情況。

吞冰片、吞冰雹試驗(yàn)設(shè)備的布局安裝分別見圖4、圖5。

圖4中投冰裝置為框架結(jié)構(gòu)，放在測(cè)功器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間，同時(shí)調(diào)節(jié)圖1中投冰裝置組合滑道4，讓冰片下滑出口對(duì)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口要求位置。

吞冰雹設(shè)備布局中，攝影裝置1（兩套）主要用來測(cè)量冰雹的速度，安裝過程中通過調(diào)節(jié)相機(jī)焦距選擇合適距離，同時(shí)調(diào)節(jié)相機(jī)角度，使相機(jī)與炮筒軸線垂直;攝影裝置2（1套）主要用來對(duì)冰雹撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)前的姿態(tài)、撞擊部位、葉片變形和冰雹變形破碎過程等進(jìn)行高速圖像采集。

安裝完成后，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，投冰片裝置能瞬間觸發(fā)施放冰片。投冰雹裝置在安裝前進(jìn)行了“放空炮”調(diào)試，氣室氣體壓力調(diào)至0.14MPa時(shí)，能保證冰雹速度320km/h以上的要求。

4? 發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰試驗(yàn)程序

試驗(yàn)開始前更換發(fā)動(dòng)機(jī)滑油，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能進(jìn)行校準(zhǔn)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在各狀態(tài)的功率、輸出軸扭矩、燃油消耗率、轉(zhuǎn)速、排氣溫度、大氣參數(shù)以及振動(dòng)等參數(shù)，在瞬態(tài)性能錄取時(shí)還需記錄瞬變過程的時(shí)間，試驗(yàn)后再次進(jìn)行校準(zhǔn)。

吞冰試驗(yàn)中如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常，則實(shí)行緊急停車，中斷試驗(yàn)。

吞冰片試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)進(jìn)行，試驗(yàn)程序見圖6。

在發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)進(jìn)行吞冰雹試驗(yàn)，試驗(yàn)程序圖7。

5? 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

吞冰試驗(yàn)設(shè)備調(diào)試完后，分別對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了吞冰片、吞冰雹試驗(yàn)。吞冰試驗(yàn)主要試驗(yàn)參數(shù)如表2。

吞冰片試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)出現(xiàn)兩次波動(dòng)，第一次波動(dòng)持續(xù)時(shí)間6.2s，第二次波動(dòng)持續(xù)時(shí)間4.5s，功率恢復(fù)時(shí)間7s，兩次波動(dòng)由冰塊撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)破碎成兩塊，先后吸入發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致。

吞冰雹試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)波動(dòng)持續(xù)時(shí)間5s，功率恢復(fù)時(shí)間6s。

吞冰片、冰雹試驗(yàn)后，分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查，未造成發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)的損壞，試驗(yàn)未引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、喘振等現(xiàn)象。某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)具備參考文獻(xiàn)[3]、[4]和發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范要求的吞入一定形狀、大小和數(shù)量冰片或冰雹的能力。

高速攝影裝置對(duì)冰雹投射軌跡、冰雹撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)前的姿態(tài)、冰雹變形破碎過程和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形進(jìn)行了高頻高清晰的拍攝，得到了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰雹試驗(yàn)充足的數(shù)據(jù)分析資料，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的科學(xué)性、合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]З.Л 索絡(luò)欣.航空空氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)[M].姚文江等譯.國(guó)防工業(yè)出版社，1982.

[2]祝耀昌，王建剛.各種環(huán)境試驗(yàn)的特點(diǎn)及其應(yīng)用分析[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量，2004.

[3]GJB4187—2001，航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞冰試驗(yàn)要求[S].

[4]GJB242—87，航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范[S].

[5]Christopher G· Demers. Large air transport jet engine design considerations for large and for flocking bird encounters[R]. East Hartford， Pratt& Whitney， 2009.