陳竹兵, 周澎錄, 龔歡, 王澤宇, 宋思澤

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所強(qiáng)度試驗(yàn)研究室, 沈陽 110015)

進(jìn)口帽罩是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的進(jìn)口部件之一,當(dāng)飛機(jī)穿越低溫云層時(shí),由于云層中存在過冷水滴、冰晶以及凍雨和降雪等,進(jìn)口帽罩容易發(fā)生結(jié)冰[1-2]。一旦進(jìn)口帽罩發(fā)生結(jié)冰輕則會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率;若積冰嚴(yán)重,可能會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)增大,冰塊脫落甚至?xí)p壞發(fā)動(dòng)機(jī)部件,危及飛行安全以致造成飛行事故[3-4]。因此,對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口帽罩進(jìn)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(yàn)研究起步較早,早在20世紀(jì)20年代就建成了第一個(gè)冰風(fēng)洞,后續(xù)西方發(fā)達(dá)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(fēng)洞并開展了結(jié)/防冰試驗(yàn)研究,積累了冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究方法、測試和控制方法、結(jié)冰機(jī)理等經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。國內(nèi)航空工業(yè)水平整體落后,在冰風(fēng)洞建設(shè)及試驗(yàn)研究均晚于發(fā)達(dá)國家,最早的小型冰風(fēng)洞由武漢航空儀表廠于1999年建立[9],后續(xù)中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院、沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等科研院所相繼建立了冰風(fēng)洞并開展了相關(guān)試驗(yàn)研究工作[10-13]。

進(jìn)口帽罩防冰種類很多,如氣動(dòng)脈沖、液體、電加熱、涂層、熱氣、旋轉(zhuǎn)防冰等多種形式[14-15]。國內(nèi)學(xué)者在帽罩防冰數(shù)值模擬方面開展了系列研究[3-4,12,16-18],而對帽罩結(jié)/防冰試驗(yàn)研究較少[11,19]。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(shù)如熱氣溫度、熱氣流量對帽罩結(jié)/防冰的影響,缺乏來流狀態(tài)對結(jié)冰形態(tài)的影響,缺少必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐熱氣式防冰部件的結(jié)/防冰機(jī)理研究?，F(xiàn)利用冰風(fēng)洞對熱氣式防冰進(jìn)口帽罩進(jìn)行結(jié)/防冰試驗(yàn),系統(tǒng)地研究進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰狀況隨熱氣流量、來流溫度、來流風(fēng)速的影響規(guī)律,以期用于支撐進(jìn)口帽罩的結(jié)/防冰機(jī)理分析從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)防冰設(shè)計(jì)水平。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在閉環(huán)式冰風(fēng)洞中進(jìn)行,該風(fēng)洞主要由空氣動(dòng)力系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、噴水霧化系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、試驗(yàn)段、前后轉(zhuǎn)接段組成,具有模擬高空低溫結(jié)冰環(huán)境能力,可用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口部件結(jié)/防冰試驗(yàn)研究和驗(yàn)證。冰風(fēng)洞的主體示意圖如圖1所示。空氣動(dòng)力系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)及其控制系統(tǒng)組成,試驗(yàn)段空氣風(fēng)速可通過調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化。低溫環(huán)境通過制冷系統(tǒng)對冰風(fēng)洞內(nèi)空氣換熱得到。試驗(yàn)段的液態(tài)水由噴水霧化系統(tǒng)提供,液態(tài)水含量及平均有效水滴直徑通過控制噴嘴數(shù)量和噴嘴內(nèi)水壓及霧化氣壓來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)段的溫度、總壓、靜壓由專門設(shè)計(jì)的受感部測量。來流風(fēng)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(biāo)定,液態(tài)水含量采用水流量計(jì)及液態(tài)水含量測試儀測量和標(biāo)定。

圖1 冰風(fēng)洞主體Fig.1 Main body of icing wind tunnel

1.2 試驗(yàn)件

專門設(shè)計(jì)的進(jìn)口帽罩作為試驗(yàn)件,該帽罩采用熱氣式防冰,結(jié)構(gòu)如圖2所示,可直接安裝固定在冰風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)帽罩內(nèi)通入熱氣流,熱氣流從帽罩尾部集氣腔進(jìn)入,通過帽罩雙層壁夾層流向帽罩尖錐內(nèi)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(jì)測量、專門設(shè)計(jì)的傳感器測量熱氣流溫度和壓力,試驗(yàn)過程中所有的測量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并由計(jì)算機(jī)完成記錄。進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰過程由觀察系統(tǒng)全程錄像并對試驗(yàn)中典型現(xiàn)象進(jìn)行拍照記錄。

圖2 進(jìn)口帽罩示意圖Fig.2 Sketch of the inlet cowl

1.3 試驗(yàn)方法

參照中國民用航空局《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》(CCAR-33R2)和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》(GJB 241A—2010)中海平面防冰條件相關(guān)參數(shù)設(shè)置了試驗(yàn)的結(jié)冰條件主要參數(shù),熱氣流參數(shù)依據(jù)計(jì)算結(jié)果給定。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 進(jìn)口帽罩試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters of the inlet cowl

試驗(yàn)方法及試驗(yàn)步驟如下。

步驟1對冰風(fēng)洞的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢查和確認(rèn)并進(jìn)行準(zhǔn)備工作。

步驟2按試驗(yàn)狀態(tài)要求調(diào)節(jié)冰風(fēng)洞來流參數(shù)。

步驟3按試驗(yàn)狀態(tài)要求調(diào)節(jié)進(jìn)口帽罩的熱氣流參數(shù)。

步驟4按標(biāo)定參數(shù)設(shè)置噴水霧化參數(shù)。

步驟5狀態(tài)參數(shù)穩(wěn)定后開始噴水并計(jì)時(shí),同時(shí)記錄所有試驗(yàn)參數(shù)并對帽罩表面狀態(tài)錄像。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱氣流量對進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰狀況的影響

在狀態(tài)1(來流風(fēng)速為40 m/s,來流溫度為-10 ℃)下開展了熱氣流量對進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰狀況影響的試驗(yàn)研究,試驗(yàn)過程典型特征記錄如圖3所示。首先開展了狀態(tài)點(diǎn)下試驗(yàn),試驗(yàn)過程中觀察發(fā)現(xiàn),噴水后尖錐表面馬上有小冰粒凝結(jié),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(xiàn)了一層薄明冰,帽罩表面除尖錐出氣口影響區(qū)外出現(xiàn)了不連續(xù)的冰粒,帽罩后端依然看到水流痕跡。隨著噴水時(shí)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(jīng)完全被冰覆蓋,帽罩表面除了斷續(xù)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(yàn)參數(shù)保持不變;觀察發(fā)現(xiàn),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(qiáng)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(shí)尖錐表面積冰脫落,在此過程帽罩表面一直未出現(xiàn)明顯結(jié)冰[圖3(d)]。

圖3 狀態(tài)1進(jìn)口帽罩結(jié)冰過程Fig.3 Icing procedure of the inlet cowl in condition 1

從試驗(yàn)現(xiàn)象觀察得知,尖錐表面總是最先結(jié)冰,帽罩前端有少許冰粒,而帽罩后端依然存在水流痕跡,據(jù)此認(rèn)為帽罩的防冰能力從尖錐頭部到帽罩后端逐漸加強(qiáng),這正好與帽罩內(nèi)部熱氣流動(dòng)方向相反。熱氣從帽罩后端進(jìn)入時(shí)溫度最高,沿著帽罩內(nèi)部通道到達(dá)尖錐頭部,由于熱氣與帽罩存在熱交換,熱氣流動(dòng)過程中氣流溫度逐步降低,到達(dá)尖錐頭部時(shí)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(nèi)流道熱氣流防冰作用外,同時(shí)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(hù)。為此,尖錐的防冰能力最差,帽罩的防冰能力強(qiáng)于尖錐的防冰能力。從試驗(yàn)結(jié)果得知,增加熱氣流量,帽罩的防冰效果明顯改善;在發(fā)動(dòng)機(jī)引氣條件允許情況下,應(yīng)增加熱氣流量保證進(jìn)口部件不發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。

2.2 來流溫度對進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰狀況的影響

為了研究來流溫度對進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰狀況的影響,改變來流溫度分別為-20 ℃(狀態(tài)2)和-30 ℃(狀態(tài)3),其他參數(shù)與狀態(tài)1保持一致。狀態(tài)2:噴水后尖錐和帽罩表面立即凝結(jié)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(shí)冰型為明冰。隨著噴水時(shí)間增加,尖錐和帽罩表面積冰一直在累加;300 s左右,觀察發(fā)現(xiàn)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(tài)3:噴水后帽罩和尖錐表面立即凝結(jié)很多細(xì)小的霜冰顆粒,隨著噴水時(shí)間的增加,霜冰覆蓋區(qū)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(tài)2和狀態(tài)3進(jìn)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(qū),說明熱氣流對帽罩表面防冰起到了一定的作用。對狀態(tài)1～狀態(tài)3結(jié)冰類型進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),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(yàn)現(xiàn)象表明來流溫度對結(jié)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(jié)果符合結(jié)冰氣象條件下出現(xiàn)的典型冰型,黃抒宇等[21]關(guān)于積冰參數(shù)對結(jié)冰類型影響的模擬計(jì)算得到同樣的結(jié)果,來流溫度是引起結(jié)冰類型變化的主要因素。對狀態(tài)1～狀態(tài)3試驗(yàn)參數(shù)分析得知,來流溫度越低,霧化后的液態(tài)水溫度也越低,同時(shí)帽罩表面溫度也越低,最終導(dǎo)致霧化水碰撞到構(gòu)件表面結(jié)冰時(shí)間縮短,即可能立即凝結(jié)成冰。

圖4 進(jìn)口帽罩試驗(yàn)結(jié)束瞬間形貌(狀態(tài)2、狀態(tài)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(fēng)速對進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰狀況的影響

為研究來流風(fēng)速對進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰狀況的影響,開展了來流溫度為-20 ℃下風(fēng)速100 m/s(狀態(tài)4)和160 m/s(狀態(tài)5)的對比試驗(yàn)研究。狀態(tài)4:來流風(fēng)速為100 m/s時(shí),噴水后帽罩表面并未立即出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,約60 s尖錐頭部才出現(xiàn)一層薄冰,帽罩表面仍未出現(xiàn)結(jié)冰;隨著噴水時(shí)間的增加,尖錐的結(jié)冰區(qū)域在擴(kuò)大且冰在增厚,但帽罩表面仍未結(jié)冰;到300 s時(shí),尖錐表面完全被冰覆蓋,此時(shí)冰為明冰,但帽罩表面一直未出現(xiàn)結(jié)冰,帽罩后端依稀能觀察到水流痕跡[圖5(a)]。狀態(tài)5:來流風(fēng)速達(dá)到160 m/s,其他參數(shù)與狀態(tài)4一致。噴水后尖錐表面立即有細(xì)小的霜冰顆粒凝結(jié);60 s左右尖錐完全被薄薄的霜冰覆蓋,帽罩前端部分區(qū)域有少量的霜冰;隨著噴水時(shí)間的增加,尖錐表面的霜冰在增厚,帽罩表面結(jié)冰區(qū)域和厚度都在增加;到300 s時(shí),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(shí)觀察到整個(gè)構(gòu)件表面出現(xiàn)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(gè)狀態(tài)的試驗(yàn)現(xiàn)象比較發(fā)現(xiàn),來流風(fēng)速的改變不僅影響結(jié)冰區(qū)域大小同時(shí)還改變了冰型。來流風(fēng)速越大,構(gòu)件與來流的換熱增強(qiáng),試驗(yàn)件表面溫度也越低,那么試驗(yàn)件表面凝結(jié)成霜冰的可能性也越大。

圖5 進(jìn)口帽罩試驗(yàn)結(jié)束瞬間圖片(狀態(tài)4、狀態(tài)5)Fig.5 Photograph of the inlet cowl at the ending moment of the experiment (condition 4 and condition 5)

采用數(shù)值模擬方法對兩個(gè)風(fēng)速下進(jìn)口帽罩表面水撞擊特性進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹?不管風(fēng)速大小尖錐頭部水收集系數(shù)最大,沿著帽罩尾緣的方向逐漸減小到零。從兩個(gè)風(fēng)速下數(shù)值模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),風(fēng)速越大,帽罩的水收集系數(shù)也越大且帽罩表面水滴撞擊區(qū)域也越大。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的對應(yīng)關(guān)系,從而更好地說明來流風(fēng)速對結(jié)冰區(qū)域大小及結(jié)冰量的影響。

圖6 進(jìn)口帽罩表面水滴收集系數(shù)分布圖Fig.6 Distribution of droplet collection efficiency on the surface of the inlet cowl

在某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣支板水滴撞擊特性數(shù)值研究[22]中取得類似的規(guī)律,來流速度越大,水滴對支板局部收集系數(shù)、撞擊寬度以及總的收集系數(shù)都在增大。

3 結(jié)論

(1)進(jìn)口帽罩防冰能力從帽罩后端到尖錐頭部逐漸變?nèi)?為此需要優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)效率允許情況下建議增加防冰用氣量,同時(shí)需要保持防冰用氣溫度不降低。

(3)來流溫度影響了進(jìn)口帽罩表面結(jié)冰類型,隨著來流溫度的降低,帽罩表面結(jié)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(fēng)速越大,帽罩結(jié)冰區(qū)域越大,帽罩表面越易形成霜冰。