发动机吞水试验用喷水装置管路调控特性试验分析

孙科，马昌，任博扬，宋江涛，贾文杰

(中国飞行试验研究院发动机所，西安 710089)

飞机穿过云层时，发动机会吸入云层中的水，对安全运转产生影响，进而会影响飞行安全。飞机如在跑道积水的机场起飞、降落，发动机会吸入跑道积水。为保证发动机工作稳定性，需进行相关考核试验，验证说明发动机在吸雨/吞水条件下的安全可靠性。对于民用航空发动机，必须通过适航认证试验，才能获得商业运行许可。军用发动机同样需要进行吞水试验，才能通过设计定型。

中外均制定了相应的适航条款，美国航空局制定的FAR 33部[1]中33.78条即规定发动机需在工作包线范围内，遭遇任何连续3分钟降雨时，具有可接受的工作能力。欧洲航空安全局(European Aviation Safety Agency，EASA)和中国民航局同样制定了适航条款[2-3]，其中规定发动机吸雨时必须具备工作稳定性。《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》(GJB 241A—2010)[4]规定，发动机在慢车及最大推力状态工作时，需吞入占空气总质量流量2%、3.5%、5%的水，发动机在上述每一条件下工作5 min。《航空涡轮发动机吞水试验要求》(GJB 4877—2003)[5]中提出了发动机吞水试验具体要求。进行发动机吞水试验，需模拟降水环境，喷水装置用于提供试验所需用水，其对试验开展起非常重要的作用。Nikolaidis[6]通过数值计算研究吞入水对发动机性能的影响，夏国正等[7]、马宇晨[8]通过数值模拟研究了吸雨对压气机的影响，但是仿真计算仅从原理角度模拟吞水对发动机的影响，最终需要通过吞水试验验证发动机在吞水时的工作稳定可靠性。邢洋等[9]在地面台架上进行了发动机吞水试验。米晓童等[10]对吞水试验台喷雾系统进行了数值模拟研究，薛洪科等[11]研制了一款航空发动机地面吞水试验设备，这种试验设备是在进气道进口外喷水。田小江等[12]研制的喷水试验设备，是在进气道流道内布置喷嘴，其设备指标满足相关标准要求，但对喷水装置及其管路特性均没有明确的介绍。不同发动机状态所需的水量变化较大，需专门针对喷水装置调控进行研究。贺元骅等[13]针对细水雾灭火技术中水雾粒径的影响因素开展了实验分析研究，其喷头喷出水滴的过程与喷水装置类似。张华杰等[14]针对细水雾灭火技术中粒径对灭火的影响进行了研究。王瑜等[15]针对数据中心喷雾冷却系统的研究进展进行了研究，其中喷雾系统使用的喷嘴与喷水装置相似。

吞水试验过程中，喷水装置需将试验所需的水量喷入至发动机进口，其喷水流量的调节性能是一项关键技术。为此，针对研制的喷水装置，进行管路调控特性试验，形成喷水量及水滴粒径调节方法，为喷水装置调控提供指导及支撑。

1 喷水装置简介

喷水装置主要包含供水系统、喷水环。图1为喷水装置工作原理示意图。供水系统向喷水环供水，经过喷水环上分布的喷嘴喷出，水滴被发动机进气道吸入。图2为供水系统元件组成示意图，供水系统管网由主供水路、大流量路、小流量路及回水路组成。主供水路由水泵及过滤器等组成。大流量路由流量计、电磁开关阀等组成；小流量路由流量计、电磁开关阀组成；回水路由电动调节阀组成。水箱中的水在水泵作用下首先进入主供水管路，一部分水通过回水路流回至水箱中，剩余的水则通过大流量路或小流量路进入喷水环。

图1 喷水装置工作原理简图Fig.1 Working principle diagram of sprinkler

M为电动机构；P为压力传感器；H为液位传感器图2 供水系统组成Fig.2 Composition of water supply system

该喷水装置供水系统的详细设计参数包括：①水箱的有效容积为8 m3，可保障发动机最大吞水试验工况的试验；②所选水泵在额定状态下的流量为65 m3/h，对应的扬程为102 m；③回水调节阀的通径为80 mm，公称压力1.6 MPa；④大流量路的流量测量范围为10～80 m3/h，0.5级；⑤小流量路的流量测量范围为2～20 m3/h，0.5级。

2 水流量调节原理

喷水装置调试过程中，主要调节回水路中电动调节阀的开度，即电动调节阀1的开度，调整通过回水路流回至水箱的水流量，即可调整供应至喷水环的水流量。

通过阀门的水流量与阀门流量系数有关，阀门的流动状态分为阻塞流和非阻塞流两种。Kv为阀门的流量系数[16]，定义是温度为(5～40 ℃)的水在105Pa压降下，1 h内流过阀的立方米数。流量系数直接反映了流体通过阀门的能力。

当阀门前后的压力差满足式(1)时，流动状态为非阻塞流。流量系数与通过阀门的流量呈正相关，流量系数的计算公式见式(2)。

(1)

式(1)中：Δp为阀门前后的压差，Pa；FL为压力恢复系数，对于O型球阀，取0.55；p1为阀前压力，Pa；pv为液体饱和蒸汽压力，Pa；FF为阀入口温度下的pv与液体临界压力之比的函数。

(2)

式(2)中：Kv为流量系数；m为通过调节阀的质量流量，kg/h；ρL为水的密度，kg/m3。

(3)

式(3)中：pc为临界压力，对于水，取21 966.5 kPa。

当阀门前后的压力差满足式(4)时，流动状态为阻塞流，此时将产生阻塞流的压差值代入式(2)中进行计算，得到流量系数的表达式见式(5)。

(4)

(5)

供水系统中所用的O型球阀，通过调节阀芯角度调整流通面积，从而调节流通能力。图3为球阀阀芯旋转角度为θ时的工作示意图，此时有效流通面积有较大减小，有效流通面积与开度之间的关系如式(6)所示，随着阀门开度增大有效流通面积随之增大，因此随着开度增大流量系数逐渐增大。研究表明，随着阀门开度的增大流量系数随之增大[17-18]。阀门开度较大时，流通面积的变化趋势很小，相应的流量系数在该区域的变化趋势也很小。

图3 球阀工作示意图Fig.3 Working diagram of ball valve

(6)

式(6)中：v为阀门开度，%；A为阀门开度为v时有效流通面积，m2；A0为阀门开度为100%时有效流通面积，m2。

由于发动机吞水试验需在不同发动机状态及不同吞水量条件下开展，因此喷水装置供水流量需在一定范围内调节。如一味调节阀门开度来调整喷水流量，则供水压力变化范围较大，不利于水滴粒径控制。因此除通过调节阀门开度调整供水流量外，还可以通过调整喷嘴数量调节供水流量。采用调节阀门开度与喷嘴数量结合的方式进行喷水流量控制，保证供水压力在一定范围内，进而可以保证水滴粒径满足相关要求。

通过不同数量喷嘴、不同回水阀开度的调试试验，分析供水系统管网特性，为吞水试验喷水装置水流量调节提供支撑。表1为试验工况。

表1 调试试验工况Table 1 Commissioning test condition

图4为可安装喷嘴的位置分布，喷水环上最多可安装69个喷嘴，可通过喷嘴及堵头的更换调整喷嘴数量。图5为某次试验现场示意图。分别调整喷嘴数量为9、10、14、18、44。回水阀门开度在20%～100%进行调节，由于供水管网中元件公称压力为1.6 MPa，试验中阀门开度适当调整。

图4 喷水环喷嘴分布位置Fig.4 Distribution position of sprayring nozzle

图5 试验现场示意图Fig.5 Schematic diagram of test site

3 试验结果分析

3.1 管路调控特性分析

图6为10个喷嘴工况条件下的阀门调节结果，图7为水流量随开度变化，图8为供水压力随开度变化。试验过程中，将阀门开度由100%逐渐减小，得到不同开度下水流量及供水压力。在阀门开度较大条件下，供水流量和供水压力变化较小，供水压力为130 kPa，较小的供水压力条件下，喷嘴喷出的水滴粒径较大，不能满足试验要求，此时对应的回水流量值较大。在大开度区间内，随开度变化回水流量的变化很小，这是由于阀门为O型球阀，在开度较大条件下，随着开度的变化，阀门流通面积变化很小，因此通过阀门的水流量值变化幅度很小。

图6 回水阀开度实际值与给定值对比Fig.6 Comparison between actual value and given value of return valve opening

图7 10个喷嘴流量随回水阀开度变化Fig.7 Flow of 10 nozzles varies with the opening of the return valve

图8 10个喷嘴供水压力随回水阀开度变化Fig.8 Change of water supply pressure and return valve opening of 10 nozzles

3.2 供水管网流阻特性分析

图9为不同喷嘴数量条件下供水压力和供水流量的对比，其中9个喷嘴、10个喷嘴、14个喷嘴、18个喷嘴采用小流量路供水，44个喷嘴采用大流量路供水。

图9 不同喷嘴数量供水压力、供水流量随回水阀开度变化Fig.9 Variation of water supply pressure and flow rate with the opening of return valve for different number of nozzles

对于回水阀开度小于55的某一特定开度，供水压力随着喷嘴数量的减少而增大，这是由于随着喷嘴数量的减小，供水流路的流阻增大，则整个管路的流阻增大，因此整个管路的流通能力下降，通过水泵的水流量减小，进而水泵扬程增大，因此供水压力增大。此时，由于喷嘴数量减小，喷水环供水流量减小，且供水流量减小值大于回水流路流量增大值，因此主供水管流量减小。44个喷嘴工况与其他工况相比，相同回水阀开度条件下，供水压力有较大程度的减小，这是由于44个喷嘴工况采用大流路进行供水，大流路供水管径较大，且44个喷嘴流通面积较大，供水管路整体的流阻有较大程度的降低，从而管路整体的流阻降低，因此总供水流量增大，水泵的扬程减小，因此供水压力有较大程度的降低。

对于回水阀开度大于55时，由于回水流路的阀门流通能力很强，其流阻较小，从而整个供水管网的流阻较小，主供水管路水流量较大，因此水泵后的压力较小，从而喷水环供水压力较小，此时大量的水通过回水路流回至水箱。虽然喷嘴数量变化会造成大流量路/小流量路流阻变化，但对整个供水管网的影响微乎其微，因此不同喷嘴工况条件下，供水压力基本一致。由于喷嘴数量变化会造成大流量路/小流量路流阻变化，在相同供水压力条件下，水流量自然有所不同，对于喷嘴数量多的工况，水流量较大；对于喷嘴数量少的工况，水流量则较小。

3.3 喷水粒径分析

图10为44个喷嘴调节过程，通过调节回水阀开度调节喷水压力和喷水流量。图11为供水流量变化，图12为供水压力变化。试验过程中回水阀开度由大逐渐减小，对应的供水压力和供水流量逐渐增大。

图10 44个喷嘴工况调节过程Fig.10 44 nozzles condition adjustment processes

图11 44个喷嘴工况流量变化Fig.11 Flow variation under 44 nozzles condition

图12 44个喷嘴工况供水压力变化Fig.12 Variation of water supply pressure under 44 nozzles condition

图13为不同供水压力条件下对应的水滴粒径分布示意。随着供水压力的增大，水流量逐渐增大，另外随着供水压力的增大，水滴粒径明显变小，在供水压力小于200 kPa时，喷嘴喷出的水呈明显滴状，且由于供水压力较小，水滴喷出速度较小，喷出的水滴在重力作用下呈明显的下落趋势。供水压力在200～400 kPa范围，喷出的水滴较200 kPa以下供水压力时破碎程度有明显加大，但依然呈现小水滴状液滴。当供水压力大于400 kPa时，喷嘴喷出的水呈雾状，此时的水滴雾化程度较高，水滴粒径很小，当供水压力大于600 kPa时，喷雾效果尤为明显。

图13 不同供水压力条件下的水滴粒径分布示意图Fig.13 Schematic diagram of droplet size distribution under different water supply pressure

使用激光粒度仪进行水滴粒径测量，试验结果表明供水压力在400 kPa以上时，最大水滴粒径可充分满足小于2 mm的技术要求。

4 结论

针对发动机吞水试验用喷水装置，进行了供水系统管路特性试验研究。由于喷水装置需适应不同工况条件下吞水量需求，因此进行供水管网调控特性研究。得出如下结论。

(1)通过分析供水管网中主要组成部件的调控特性，揭示了供水管网水流量调节原理，如仅采用回水阀开度调节水流量，会造成供水压力在不同工况条件下有很大变化。因此采用回水阀开度调节及喷嘴数量调节组合的调控方法，进行喷水流量调整。这种方法可将供水压力控制在一定范围内，从而使得水滴粒径满足技术要求。通过分析喷嘴水滴粒径分布特性，当供水压力在400 kPa以上时，水滴粒径满足要求，当供水压力超过600 kPa时，水滴破碎程度更强，雾化效果更好。这种流量调控方法可应用于后续同类发动机吞水试验中。

(2)随着回水阀开度的减小，回水路流量逐渐减小，喷嘴供水流路流量逐渐增大。在阀门开度较大时，阀门开度变化引起的供水压力及供水流量变化很小。对于不同喷嘴数量间的对比试验，当阀门开度为特定值时，随着喷嘴数量的增多，大流量路/小流量路流阻减小，因此管网整体流通能力增强，从而流经水泵的水流量增大，因此水泵增压减小，从而供水压力略有减小。但由于喷嘴数量增多的效果明显，因此喷嘴供水流量增大。