一种涡轴发动机吞冰雹装置的设计与试验*

邹宝军，许明文，刘宇恒

(中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引 言

航空发动机定型试验中，环境试验是不可缺少的重要部分[1]。发动机在飞行过程中进气道遭遇冰雹时，会引起发动机熄火、产生永久性的功率损失。为保证飞行安全，在发动机研制阶段有必要进行吞冰雹试验，对发动机吞入冰雹的能力进行技术鉴定[2]。

笔者根据某涡轴发动机吞冰雹试验要求，专门研制了一套吞冰雹试验系统，并通过试验验证了吞冰雹试验方法科学、合理、可操作性强，符合试验预期。

1 试验要求

根据国军标相关文件[3-4]和某涡轴发动机型号规范要求，试验时车台设备按以下方式向发动机进口投送冰雹[3-4]：在发动机最大连续状态，5 s内以350 m/s左右的速度向发动机进口同时投送密度为0.8～0.9 g/cm3的一个Φ5 cm直径的冰雹和两个Φ2.5 cm直径的冰雹。

2 吞冰雹试验装置设计与试验

在涡轴发动机常规试验基础上，吞冰雹试验装置主要包括制冰雹装置、气体炮(投冰雹)装置、高速摄影装置和冰雹密度测试设备等。

2.1 制冰雹装置

根据试验要求，制冰雹的关键是冰雹的质量、形状和尺寸。制冰雹装置主要由制冷设备和制冰模组成。根据试验要求的形状和尺寸制成冰模，再将水注入冰模中，在制冰设备的冷藏模式-10～-20 ℃温度下冷冻48 h制成冰雹[3]。

制冰装置试制出来后进行制冰试验，能在一定精度范围内估算出其体积，通过高精度质量测量仪测得其质量后，计算出密度，满足试验要求，试验参数如表1所列。

表1 制得的冰雹参数

2.2 气体炮装置

气体炮装置主要由活塞气阀气体炮组成，包括储气罐、炮筒、气室及触发机构、速度控制系统、通用附件、管路开关等，用来发射冰雹。

气体炮发射冰雹时气体运动分三个过程[5]： ①冲击波的形成；②冲击波反射的形成；③气体推动冰雹。

控制系统给发射控制阀发出指令信号后，活塞带动密封锥移动，将气室和炮筒连通，由于气室内气体的压力、密度远大于炮筒，密封锥以较快速度打开，气室内气体形成较强的冲击波向冰雹运动(如图1所示)，气室内高压气体的内能转换成冲击波的动能。由于气室容积是炮管容积的4倍以上，所以始终有:

图1 气体炮原理图

P0≥P

式中：P0为气室压力；P为冲击波波前压力。

冲击波接触冰雹的瞬间(假设冰雹为十分坚固的物体)，对冰雹形成较强的撞击，在撞击过程中，冰雹的位移是个小量，可以把整个过程看成冲击波在冰雹上发生反射[6]。

反射冲击波后的气体密度由雨汞纽关系得：

(1)

式中:P，P*为冲击波前、后的压力；P1为反射波后的压力；γ为气体的比热比，对于强冲击波，取1.4；ρ1，ρ*为分别为反射波后、冲击波后的空气密度。

对强冲击波，由公式(1)得出P1/P*=3.5，说明冲击波在冰雹上发生后，炮筒内空气受到强烈的压缩，且在这个时间很短的过程中压力会有很大提升。实际中，冰雹易碎，这样的压力变化使得冰雹容易破碎。

而试验要求冰雹速度高，气室必须在较高的压力下工作，产生的强冲击波会破坏冰雹。为了保护冰雹不破碎又能让冰雹在炮筒内加速至目标速度，专门设计了冰雹弹丸壳，如图2所示，弹丸壳外层由铝合金制成，里层为泡沫保温层，可以保证冰雹安装后在温度(-2～0)℃下保温5 min。

图2 冰雹弹丸壳结构图

炮筒口安装弹丸壳分离器(结构如图3所示)，分离器通过长螺杆与炮口连接，长螺杆在炮口后端使用弹簧阻尼套筒顶住法兰。试验时，截住弹丸壳，冰雹由于惯性继续以目标速度飞向发动机入口。

图3 弹丸壳分离器结构图

控制系统通过数字采集卡对空气炮控制压力、发射压力、两个储气罐压力进行实时采集，同时对储气罐和气体炮上的电磁阀等阀门进行精确控制，以控制系统(自动)充放气、发射、高速触发。

为得到气体炮装置的结构参数、空气压力等与冰雹射出速度的关系，我们对冲击波推动弹丸壳过程中气流作如下三点假设：

(1) 高压工作气流是理想气体，即为没有扩散、粘度和热传导等耗散过程的气体,其粒子之间的相互作用可忽略不计；

(2) 气体在炮筒内运动的摩擦力忽略不计；

(3) 弹丸在整个运动过程中气体状态变化是等熵运动。

根据牛顿运动定律：

(2)

由公式(2)得到：

(3)

由于p、x、v为过程量，由公式(3)得：

(4)

式中：L1为弹丸壳长度；m为弹丸质量；D为气体炮炮筒直径；s为气体炮炮筒截面积；L为气体炮炮管长度；p为弹丸壳后气体压力；x为弹丸壳离开初始位置的距离；v为弹丸壳在炮筒内的速度。

(5)

公式(5)用无量纲的炮管长度和弹丸壳长度来表达，得公式(6)：

(6)

根据公式(6)，为获得最大弹速，应尽量增大弹丸壳后气体平均压力和气体炮炮筒的长径比，同时尽量减小弹丸壳平均密度和弹丸壳长径比。

气体炮装置的主要技术指标如下，其主要部件数量及用途见表2所列。

表2 气体炮主要部件数量及用途

(1) 投射速度：(50～600)km/h范围内可调，精度大于2%。

(2) 气室设计压力：1.6 MPa。

气体炮装置安装调试完成后，进行 “放空炮”校验。校验前，根据公式(6)求得高压气室压力值，校验过程中检查气体炮系统的性能，对公式(6)算得的气室压力值进行修正。

2.3 高速摄影装置

高速摄影装置主要由高速摄影机、光学镜头、固定台架、数据采集系统以及图像跟踪系统等组成。用于观察冰雹的入射轨迹、撞击发动机前的姿态、撞击部位、冰雹变形破碎过程等情况，并测量冰雹撞击发动机前的瞬时速度。

高速摄影装置测速能力主要是由其像素和帧数决定的。像素是指基本原色素及其灰度的基本编码，是构成数码影像的基本单位。像素越高，定位精度越高。高速摄影机单位时间内(一般为1s)拍摄的帧数(图片张数)，即拍摄速率λ(幅/s)。拍摄速率越高，高速运动物体位置的确定越精确。

测速时，测量用的基准长度(即拍摄图像全长)为L0，基准长度所占的像素为N0，物体运动了Δx距离，时间间隔Δt，则运动距离所占的像素为：

(7)

测量物体运动速度的表达式为：

(8)

高速摄影机单位时间内(一般为1 s)拍摄的帧数，即拍摄速率λ根据公式(9)确定：

(9)

式中：b为画幅宽度；B为物方视场宽度(mm)；Vmax为目标最大运动速度(mm/s)；α为目标运动方向与胶片平面的夹角，通过标校后可视为0；κ为摄影机快门常数，为2.9；d为胶片上允许的模量, 一般为0.02 mm～0.05 mm，取0.05 mm。

根据公式(9)，求得λ的取值范围为8368幅/s ～12551幅/s。当拍摄距离比较近时，λ取较大值,当拍摄距离较远时，λ取较小值。

3 吞冰雹试验设备的布局与调试

调试前，根据试车台结构进行合理布局(如图4)，既要保证冰雹以要求的速度送入发动机目标位置，还要保证高速摄影装置拍摄到位、测速准确。

布局中(见图4)，摄影装置1(两套)主要用来测量冰雹的速度，摄影装置2(1套)主要用来对冰雹撞击发动机前的姿态、撞击部位、叶片变形和冰雹变形破碎过程等进行高速图像采集。

图4 吞冰雹试验布局图

摄影装置1在安装过程中应结合2.3节内容保证合适的距离，同时调节相机的角度，使相机与炮筒轴线垂直(确保公式(9)中的α角为0)。

相机调节完成后，固定相机，用标尺对相机进行校准，校准方法：沿发射轨迹布置标尺(由于冰雹速度相对于炮口与发动机距离来说足够大，标尺可沿炮筒轴线布置)，通过相机记录拍摄图像，读取图像上的尺寸刻度，从而得到每一像素点具体长度尺寸。保持相机在此位置状态，进行试验测量。

安装完成后，对相关设备进行调试，调试结果如表3所列。调试中，设置速度为350 km/h(将两气室高压气体压力调至0.14 MPa)，实测速度为高速摄影装置测得的速度，速度满足试验要求。

表3 吞冰雹试验装置调试参数

试验过程中应控制好时间，保证高速摄影装置在气体炮触发发射前0.5 s触发工作。为了让高速摄影装置摄像效果更好，可以参考国外吞鸟试验的做法：将发动机进口及第一级动叶喷涂成反光性好的白色[7]。

4 结 语

设备安装调试完成后，对某涡轴发动机进行了吞冰雹试验。试验设置发射速度为350 m/h左右，实测速度误差0.25%(高速摄影装置测速误差一般不超过1%，所以冰雹速度满足参考文献[3]、[4]和发动机型号规范的要求。发动机吞冰雹过程中，各参数剧烈波动时间持续5s，功率恢复时间约6 s，验证了此试验方法的科学性和合理性。具有较好的实际应用价值和指导意义，对其它型号发动机类似试验具有一定的参考价值。