航空发动机吞水试验技术研究

摘要：飞机在雨天飞行时，航空发动机会吞入空气中的雨水。当航空发动机吸入大量的雨水时，可能引起机匣与叶片之间摩擦损坏，也可能造成航空发动机喘振或熄火，严重威胁飞机的飞行安全。基于此，介绍了航空发动机吸入雨水后对稳定性可能造成的影响，航空发动机吞水试验对试验用水、水滴直径、吞水量、液态水分布和试车过程的要求以及航空发动机吞水试验完成指标。同时，介绍了吞水试验设备的主要组成，包括喷水设备、液压站、测控系统以及储水设备，并介绍了各组成部分的功用。

关键词：吞水试验；试验要求；完成指标；设备组成

ResearchonWaterSwallowingTestTechnologyforAircraftEngines

MANDaWANGXintongZHANGHaixingLIUChaochao

AECCShenyangEngineResearchInstitute，Shenyang，LiaoningProvince，110015China

Abstract：Whentheaircraftisflyingonrainydays，itsaircraftenginewillswallowrainwaterintheair.Whenanaircraftenginesucksinalargeamountofrainwater，itmaycausefrictiondamagebetweenthecasingpartandbladesandalsocausethesurgingorstallingoftheaircraftengine，seriouslythreateningtheflightsafetyoftheaircraft.Basedonthis，thisarticleintroducesthepossibleimpactofrainwaterinhalationonthestabilityofaircraftengines，therequirementsfortestwater，thewaterdropletdiameter，waterswallowingcontent，liquidwaterdistributionandthetestprocessinthewaterswallowingtestofaircraftengines，andthecompletionindicatorsofthewaterswallowingtestofaircraftengines.Thisarticlealsointroducesthemaincomponentsofwaterswallowingtestequipment，includingthesprinkler，thehydraulicstation，themeasurementandcontrolsystemandwaterstorageequipment，andintroducesthefunctionsofeachcomponent.

KeyWords：Waterswallowingtest;Testrequirement;Completiontarget;Equipmentcomposition

现代军用飞机一般要求具备全天候环境的飞行能力，其配备的发动机应能够在雨天环境下工作。当发动机吸入雨水时，可能引起燃烧室熄火、压气机喘振，严重影响飞机的飞行安全[1]。

早在1977年，美国佐治亚州一架DC客机由于发动机吸入大量雨水压气机结构受损，飞机在迫降过程中不幸坠毁。2002年，一架加鲁达印尼航空公司的波音737客机遭遇了暴雨恶劣天气，发动机吸入大量的雨水导致发动机熄火停车，飞机被迫降落，造成人员伤亡事故[2]。

为此国内外针对航空发动机吞水试验开展了大量的研究，我国《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》（GJB241A-2010）和《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB242A-2018）已将吞水试验纳入航空发动机定型考核的必要环节。

• 雨水对航空发动机的影响

1988年，航空宇航工业协会（AIA）发起了一项针对由于在恶劣气候下工作而引起的航空发动机功率损失和不稳定情况的研究。该项研究表明，航空发动机在高速飞行和低功率状态下吸入雨水时，雨水会明显集中在发动机中心，大部分雨水会进入航空发动机的核心机，可能降低压气机的稳定性、燃烧室的熄火裕度以及燃油控制的中断裕度。当航空发动机核心机吸入极限量的雨水时，最终可能导致喘振、功率损失和发动机熄火等一系列发动机异常情况。

事实上，不仅在雨天高空飞行中发动机可能吞入水，进气道中湿空气凝结、外场跑道积水均可能造成发动机吞水如图1所示。发动机吞水后，一方面会引起发动机主要部件的工作特性发生变化，发动机机匣发生热胀冷缩，机匣与叶片之间的间隙变小，磨损发动机，甚至发动机压气机喘振、燃烧室熄火；另一方面，发动机吞水还可能影响发动机控制系统的正常工作，造成发动机工作失控，严重影响飞机的飞行安全。因此，对于新研制的航空发动机在状态鉴定考核时均要求在吞水环境下能够正常工作。

• 航空发动机吞水试验要求

航空发动机吞水试验是向工作的航空发动机喷入规定流量、直径的液态水，以评估航空发动机在雨天环境下的工作能力。

2.1试验用水要求

吞水试验用水为软化水，除去机械杂质，pH值在6.5～7.5范围内；总固体含量不大于30mg/L，溶解固体含量不大于25mg/L；电阻率不小于150kΩ.cm。

2.2水滴直径

吞水试验要求喷出的液态水水滴直径不大于2mm。

2.3吞水量

吞水试验要求发动机吞水量分别占发动机空气质量流量的2%、3.5%和5%。

根据美军标MIL-HDBK-310统计，在海平面暴雨的最高纪录为3.12cm/min，水占空气质量流量的6.4%，在6005m高空，记录的最高降雨量为4.3cm/min，水占空气质量流量的17.2%。然而，美军标MIL-HDBK-310认为，这种情况只出现在0.5%或1%的极端条件，在通常情况下，水占空气体积的百分比会明显下降。实际上，在世界降雨最多的地区，在降雨最多的月份，在6005m高空，水超过空气质量流量2.6%的时间仅占总时间的1%。

2.4液态水分布

吞水试验要求应50%的液态水进入1/3的发动机扇形进口面积。

吞水试验要求中对液态水的分布要求是用于模拟由于安装影响而经常出现的液态水集中情况。

2.5试车过程

由于吞水试验吞水量分别占空气质量流量的2%、3.5%和5%，应分3次完成发动机的全部吞水试验。吞水试验过程一般包括稳态和瞬变过程吞水，具体试验内容叙述如下。

（1）在发动机慢车和最大推力（或功率）状态进行稳态吞水试验，每一稳态吞水时间为5min；

（2）发动机开展起动－慢车过程和慢车－最大推力（或功率）－慢车瞬变过程的吞水试验。

我国军用规范《航空涡轮发动机吞水试验要求》（GJB4877-2003）推荐了一种航空发动机吞水试验程序如图2所示。其中，o-a为发动机在起动到慢车过程中吞水的时间，b-c为发动机在最大推力（或功率）状态吞水的工作时间，d-e为发动机在慢车状态吞水的工作时间，e-f-g为发动机从慢车－最大推力（或功率）－慢车推力瞬变过程中的吞水试验。

• 航空发动机吞水试验完成指标

吞水试验用发动机应在试验前开展性能录取。试验用发动机应与定型试验持久试车的发动机技术状态相同，并且试验用发动机换算成标准大气海平面静止条件下的稳态性能和瞬态特性应符合型号规范规定。

我国国军标规范《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》（GJB241A-2010）和《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB242A-2018）中对航空发动机吞水试验后的考核完成指标做出了说明。当发动机以最大推力状态工作时，把占空气总质量流量的2.0%、3.5%和5.0%的水（液态和气态）引进发动机进口，其中有50%的液态水进入1/3的进口扇形面积。发动机在上述每一条件下工作5min后，再在慢车状态重复上述程序。在试验中，注意和记录吞入水对发动机性能的影响，试验结束时将发动机停车，并冷却到环境温度。然后，再进行试验后的性能检查。性能检验后，将发动机完全分解、检验。例如：发动机保持了适当的间隙、在试验中未发生损伤或有害擦伤、性能未恶化、燃气流路中的零件未受到损伤，则认为满意地完成了验证。

• 吞水试验设备

吞水试验设备用于模拟雨水环境，向发动机喷射规定流量、直径的液态水[3～6]，一般由喷水设备、液压站、测控系统和储水设备组成如图3所示。吞水试验前在储水设备中存储足够量的液态水，液压站为液态水动力源，向喷水设备提供一定压力、流量的液态水，喷水设备上安装喷嘴，喷出符合吞水试验要求的液态水，测控系统用于对流量控制液压站进行控制及数据采集记录。

喷水设备一般由喷嘴、支撑架、供水管线等组成。喷水设备功用为喷射规定流量、水滴直径的液态水，为发动机提供液态水条件。喷嘴为喷水设备的核心部件，可选择工业雾化喷嘴，喷出符合试验要求直径的液态水。液压站一般由水泵、调节阀门、开关阀门、过滤器、供水管线等组成，通过控制水泵、调节阀门的参数改变液压站的供水流量，实现发动机吞水试验需求的流量。液压站一般采用集成化设计，将所有元器件集中安装在一个平台上，结构紧凑。测控系统一般由PLC模块、动力电缆、设备控制柜、流量传感器、压力传感器、温度传感器等组成，具备手动/自动控制、逻辑控制等功能，能够对流量控制液压站进行数据采集及记录、状态监控等。储水设备用于储蓄试验用水，储水设备储蓄的总水量应至少满足一次发动机开车过程中需求的最少吞水量。

5结语

通过对航空发动机吞水试验技术的研究，总结了航空发动机吞水试验要求，包括试验用水要求、水滴直径要求、吞水量要求、液态水分布要求和试车程序要求；介绍了航空发动机吞水试验完成指标；归纳了吞水试验设备的组成及功能，包括喷水设备、液压站、测控系统和储水设备，由喷水设备喷出符合试验要求的水滴直径、流量以及分布的液态水。本文为开展航空发动机吞水试验提供了参考和技术积累，具有重要的指导意义。

参考文献

[1]邢洋，王常亮，李兆红.航空涡扇发动机吞水性能变化[J].航空动力学报，2019（8）：1717-1723.

[2]王静宜.吞雨及吞雨畸变对压气机特性影响研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2021.

[3]薛洪科，常鸿雯，刘旭峰.某型航空发动机地面吞水试验设备技术研究[J].机械工程师，2019（1）：64-65，71.

[4]孙科，马昌，任博扬，等.发动机吞水试验用喷水装置管路调控特性试验分析[J].科学技术与工程，2022（24）：10769-10775.

[5]唐通，孔雅婵，蒋全维.航空发动机吞水试验方案研究[J].科技创新与应用，2022（21）：7-10.

[6]汪京、张鹏、李玉杰，等.航空发动机吞水试验环形喷雾特性分析[C]//中国航空学会.2019年（第四届）中国航空科学技术大会论文集.中国航发贵阳发动机设计研究所，2019.