小型航空涡喷发动机吞水试验装置研制

田小江，张　灵，夏全忠，夏　辉

（中国燃气涡轮研究院，四川江油621703）

小型航空涡喷发动机吞水试验装置研制

田小江，张灵，夏全忠，夏辉

（中国燃气涡轮研究院，四川江油621703）

根据国内外航空发动机吞水试验装置发展情况，结合小型航空涡喷发动机结构特点，采用三维流场计算与试验相结合的方式，确定了喷水装置距离发动机进口截面的位置和在进气道径向上的安装尺寸。通过喷水装置的喷雾特性试验，获得了不同吹风流量和喷水流量条件下的喷雾特性；通过静态条件下的流量分布试验，获取了不同喷水流量下的水雾分布特性。整机吞水试验验证表明，所设计的吞水试验装置的功能和性能满足试验要求。

航空发动机；吞水试验；喷水装置；喷雾特性；地面试验；水雾分布

1　引言

航空发动机在飞行过程中吸入液态水后，可能会造成发动机机匣局部冷收缩，引起机匣与叶片之间间隙减小而产生刮擦，以及引起压气机喘振、燃烧室熄火等。目前，发动机吞水试验为发动机研制过程中的一个重要试验环节，并列入研制型号规范，作为发动机工作稳定性的一个重要考核项目［1-3］。吞水试验一般在地面试车台（露天台）和飞机跑道上进行。其中，地面试车台吞水试验主要采用喷雾架结构形式的喷水装置，从发动机进气道外向发动机内部喷水，从而模拟发动机雨天工作环境［4-5］。飞机跑道试验主要是在机场跑道上设置一条水槽，槽内注入大量水，飞机起落架前轮在水槽中滑行，溅射的水随进气气流进入发动机，以模拟飞机在起飞、着陆时跑道上因降雨而积存了大量雨水的情况［6-8］。

本文针对小型航空发动机进气流道小，和对喷水装置的喷雾特性、水雾分布要求及控制调节要求等，展开了吞水试验装置设计研究；并依托某小型航空发动机设计定型吞水试验，对吞水试验装置能否满足该发动机的试验要求予以了验证。

2　喷水装置

试验发动机为单涵道涡喷发动机，进气流量较小。为准确计量喷入发动机流道内水量，采用外部喷雾架结构形式，共设计有两个喷水截面、6只喷嘴（周向间隔60°）。喷水装置由气瓶、水箱、调节阀、流量计、两位三通电磁阀、喷嘴（预调喷嘴、试验喷嘴）和相应连接管路组成。装置通过针形调节阀、两位三通电磁阀及水雾分区控制，来实现喷水流量、水滴直径及水雾分布调节。喷水装置示意图如图1所示，从水箱出来的水分两路，分别向喷水面1和喷水面2供水，每个截面共用一个供水环，水环固定在定架上；喷水杆与喷水环间采用熟铜管柔性连接，从而降低喷水管路对发动机推力测量的影响。发动机吞水试验时，只需通过调整主路上的针型阀对两个喷水截面进行水量调节，即可使发动机进口截面水雾质量分布满足试验要求；喷水量由主路上的涡轮流量计计量。

3　喷水装置特性

3.1喷水杆对进气流场的影响

为最大程度降低喷水杆对发动机进气流场和形成的水雾特性的影响，在考虑气流粘性阻力、忽略重力影响且均匀来流条件下，对安装喷水装置的流量管进行三维流场计算。不同截面总压分布如图2所示，喷水杆造成的最大总压损失约为0.6 kPa，总压不均匀度为2.6%。根据计算结果和实际安装位置，选取距发动机进口1.25D（D为流量管直径）处为喷水截面；根据喷嘴的喷雾覆盖范围、进气道直径和对流道的堵塞，选取喷水杆沿径向插入流量管深度为0.25D。

图2　R不同截面处的总压分布Fig.2 The total pressure distribution of differentsections

3.2喷嘴喷雾特性

因试验台安装空间限制，未能实现水滴直径的实时测量。试验过程中，主要根据喷雾系统的压力-粒径特性进行水滴直径控制。为此，采用马尔文粒度仪分别在无气流和有气流条件下，两喷射截面流量比例为1：1时，测量了发动机不同入口截面处喷雾系统的压力-粒径特性。图3为吹飞条件下喷雾特性测量试验现场照片，可见喷雾在气流作用下在流量管出口分布较为均匀，无水滴打在管壁上。表1示出了流量管中轴线上喷水截面后1.25D处有气流条件下的水滴直径测量结果，图4所示为流量管中轴线上喷水截面后0.75D、1.25D、1.75D处无气流条件下的水滴直径测量结果。测试结果表明，两种条件下相同截面处喷水装置所产生的水雾，皆能满足试验要求［3］。但在气流条件下，喷雾受气流压缩的影响，所形成的水滴在气流中产生了二次雾化，形成了更加细小的水雾；无气流条件下，所形成的水滴随喷嘴出口距离的增加直径略有变化。

图3　R吹风条件下喷雾特性测量试验照片Fig.3 Testphoto of spray characteristicsmeasurementunder blowing

图4　R距喷水截面不同距离下的水滴直径Fig.4 The change of drips diameter atdifferentnozzle's spray section

3.3喷雾质量分布

喷水装置的液态水分布，虽然通过喷嘴位置布置和管路流量分配在原理上可满足要求，但由于喷嘴喷雾锥角差异，及与发动机实际试验过程中受到气流压缩，其实际分布将存在一定误差。在无吹风条件下，对1/3进口流道扇形区内的液态水质量进行测量，结果如表2所示。可见，静态下雨要求值偏差较大，液态水质量分布不能满足国军标要求［3］。根据液态水质量分布要求，调整两喷水面的喷射流量比例，调整后液态水质量分布部分满足国军标要求。考虑到实际吞水过程中，喷雾锥角将在一定程度上受到气流压缩，喷嘴喷出的水雾范围将减小，区域水量将增加，若静态条件下液态水分布满足设计要求或与要求偏差较小，可认为吹风条件下亦满足水雾质量分布要求。

表2　R平均液态水含量分布Table 2 Distribution of LWC

4　喷水装置调试

喷水装置完成喷雾特性调试后，在某小型发动机吞水摸底试验中进行了应用。图5示出了喷水装置工作过程中模拟雨雾环境的开始、稳定喷射和停止喷射的过程。喷水装置能实时实现喷水流量的调节，但调节（切换管路）过程中，喷嘴管路的水流量有3.6 g/s的突升，这主要是用两位三通电磁阀进行喷射管路切换，管路空余容积填充所致。管路切换后，喷射管路在10 s内建起喷射压力，约30 s后达到目标喷射压力开始稳定喷射。发出停止喷射指令（切换电磁阀）后，约8.5 s后停止喷射（喷射压力为常压）。

图5　R喷水装置工作过程Fig.5 The processof spray equipment

5　结论

通过对设计的喷水装置展开流场计算、喷雾特性测量、吹风试验和整机调试试验，对喷水装置喷雾特性、控制特性和喷水量进行了验证。调试和试验结果表明，所设计的喷水系统能在10 s内产生喷雾，30 s内实现稳定喷雾，50 s内可实现喷射流量的改变，所形成的喷雾液滴直径满足皆小于2mm的试验要求；为满足1/3扇形截面水含量分布要求，可通过改变管路流量分配比例来调节发动机进口截面水含量分布。虽然该喷水装置满足试验要求，但其喷射压力的建立速度及喷水流量的调节方式还需进一步优化，以提高雨雾环境的模拟精度。

［1］GJB 241A-2010，航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范［S］.

［2］GJB 242-1987，航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范［S］.

［3］GJB 4877-2003，航空涡轮发动机吞水试验要求［S］.

［4］杜鹤龄.航空发动机高空模拟［M］.北京：国防工业出版社，2002：184—190.

［5］张宝诚.航空发动机试验和测试技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005：199—203.

［6］李卫东.CFM56发动机吞水能力的改进［J］.燃气涡轮试验与研究，1999，12（3）：21—24.

［7］王长喜，李明亮，刘选民.英、美航空发动机部分特种地面试验简介［J］.飞行试验，1997，13（4）：2—7.

［8］马庆祥.航空发动机地面模拟吞水试验［J］.燃气涡轮试验与研究，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，工程师，硕士，主要从事航空发动机整机试验技术研究。

V216.5；V263.4+2

A

1672-2620（2015）03-0049-04

2014-07-09；修回日期：2015-01-22