某型涡轴发动机吞冰试验方法研究

邹宝军 康飞 许明文 刘宇恒

摘要：为考核某型涡轴发动机对吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹的能力，在地面试验台上模拟飞行环境对发动机进行吞冰试验。试验前根据《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB242-87）、《航空发动机吞冰试验技术要求》（GJB5032-2001）和某型涡轴发动机型号规范要求对吞冰装置进行了创新设计，解决了试验中准确投冰片、冰雹的问题。同时，对试验方法进行了可行性研究，并对某型涡轴发动机进行了吞冰试验，得到了发动机吞冰试验充足的数据分析资料，验证了方法的科学性、合理性。

Abstract： In order to validate the ability of a turboshaft engine to ingest hailstones or ice chips with given shape， size and quantity， an engine ice ingestion test simulating flight condition is conducted on ground test bench. Before test， based on General Specification for Aviation Turbo-prop and Turbo-shaft Engine（GJB242-87）and Aero-engine Ice Ingestion Test Requirements（GJB5032-2001）and the Type Specification of a Turbo-shaft Engine， an unique design of the ice ingestion device is done so as to achieve accurate ice and hailstone throwing. Also， the feasibility of the test method is analyzed， A turbo-shaft engine have been tested， using the developed ice throwing device and the developed hail ingestion device respectively. Sufficient data have been obtained， validating that the hail ingestion method is scientific and reasonable.

關键词：涡轴发动机;吞冰试验;方法研究

Key words： turboshaft engine;ice ingestion test;method study

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遭遇进气道积聚大量冰层突然脱落的情况或冰雹时，会引起发动机熄火、产生永久性的功率损失或引起发动机毁坏的主要结构的损坏。

为保证飞行安全，应对发动机进行地面吞冰试验，对发动机性能进行鉴定[2]。

吞冰试验分为吞冰片试验和吞冰雹试验[3]。本文对某型涡轴发动机吞冰试验方法进行了深入研究，主要包括：设计和研制了制冰装置、投冰片装置、投冰雹装置等主要设备，购置了快速摄影装置，巧妙解决了试验中进行准确投冰片、冰雹的问题;对试验内容和步骤进行了概述。最后，使用吞冰试验装置对某型涡轴发动机进行了吞冰试验，试验结果符合文献[3]、[4]和发动机型号规范要求。

1  试验要求

根据文献[3]、[4]和发动机型号规范要求试验时要求车台设备分别按以下两种方式向发动机进口投冰：

①在发动机最大状态，在较短时间内向发动机进口投送一片密度为0.8～0.9g/cm3、尺寸为（228×76×6.3）mm的冰片，投送速度接近零;

②在发动机最大连续状态，5s内以320km/h以上的速度向发动机进口同时投送密度为0.8～0.9g/cm3的一个5cm直径的冰雹和两个2.5cm直径的冰雹。

2  试验设备

吞冰试验主要是模拟直升机在极端天气条件下其发动机进口吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹对发动机的影响。所以，要设计一套装置按照一定规律在发动机进口投入冰片或冰雹，来模拟极端天气条件。吞冰试验设备主要包括制冰装置、投冰片装置、投冰雹装置、高速摄影装置、测试系统等设备。

2.1 吞冰试验装置

2.1.1 制冰装置

制冰装置主要由制冷设备和制冰模组成。冰片和冰雹由根据试验要求制成的冰模中注入水，放入制冰设备中在冷藏模式-10℃～-20℃温度下冷冻48h制成[3]。其中制冰模根据冰片、冰雹外形及大小尺寸进行机加工。制出来的冰通过测出体积，再通过质量测量仪测得其质量后，通过计算求得密度，制得的冰雹、冰块参数如表1。

2.1.2 投冰片装置

该装置主要由安装座、安装盘、支架、组合滑道、可调拉杆、连杆、储冰盒和电磁铁组成，图1为投冰片装置结构图。储冰盒具有保温、密封功能，能在室温条件下，5分钟内储存一块冰片，保证冰片的体积、密度、强度和硬度等指标符合试验要求。

装置可远程操控投放，对冰片滑入发动机进口的速度与角度能进行调节、控制。投冰时，通过远程开关断开电磁铁直流电，储冰盒在自身重力作用下发生倾转，冰块滑出储冰盒，经过组合滑道4由下滑道下边缘以调节规定的角度与速度滑出，进入发动机进口。

2.1.3 投冰雹装置

投冰雹装置又称气体炮装置，主要由储气罐、炮筒、气室及触发机构、速度控制系统、弹丸壳、管路开关等组成。

气体炮装置由高压气源通过储气罐对气室注气加压，依靠气室内的高压气体在炮筒内对被投物加速，以获得所需的投射速度，如图2。对于一定质量的被投物，通过调节气室内的注气压力，改变投射速度。

弹丸壳用来装填冰雹，保护冰雹不破碎又能让冰雹在炮筒内加速至目标速度，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分钟。

装置主要技术指标：

①投射速度：（50～600）km/h范围内可调，精度优于2%;②炮筒有效内径：125mm（1个）和90mm（1个）。

装置结构示意图见图3。

2.2 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。

高速攝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？姿（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？驻x距离？驻t，时间间隔，则运动距离所占的像素为：

高速摄影机单位时间内（一般为1s）拍摄的帧数，即拍摄速率？姿根据公式（3）确定。

根据公式（3），求得？姿的取值范围为8368幅/s ～12551幅/s。当拍摄距离比较近时，？姿取较大值，当拍摄距离较远时，？姿取较小值。

该装置的主要功能和技术参数如下：

①相机摄像最高速度大于冰的射入速度;

②装置能在投放冰片、冰雹前0.5s触发拍摄;

③连续拍摄时间大于5s;

④碰撞瞬间产生的火花、光亮、烟雾等不会影响拍摄物的成像质量;

⑤物体运动分析软件能根据所存储数据、图像计算出运动物体速度;

⑥相机与灯组具备抗震、防抖功能，且能在高噪声环境下稳定工作。

3  吞冰片、冰雹试验设备的布局和安装

将投冰片装置、吞冰雹装置、高速摄影装置和试验发动机合理安装，在常规试验基础上，还要确保：

①投冰片装置能把冰片精准投入发动机，气体炮装置能将冰雹精准射入发动机;

②摄影装置拍摄范围能覆盖发动机进口和尾喷管出口（车台原有监控装置满足出口摄像要求），并能多角度全方位观察冰片、冰雹的入射和撞击情况。

吞冰片、吞冰雹试验设备的布局安装分别见图4、图5。

图4中投冰装置为框架结构，放在测功器和发动机之间，同时调节图1中投冰装置组合滑道4，让冰片下滑出口对准发动机进口要求位置。

吞冰雹设备布局中，摄影装置1（两套）主要用来测量冰雹的速度，安装过程中通过调节相机焦距选择合适距离，同时调节相机角度，使相机与炮筒轴线垂直;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。

安装完成后，对相关设备进行调试，投冰片装置能瞬间触发施放冰片。投冰雹装置在安装前进行了“放空炮”调试，气室气体压力调至0.14MPa时，能保证冰雹速度320km/h以上的要求。

4  发动机吞冰试验程序

试验开始前更换发动机滑油，并对发动机的稳态和瞬态性能进行校准，记录发动机在各状态的功率、输出轴扭矩、燃油消耗率、转速、排气温度、大气参数以及振动等参数，在瞬态性能录取时还需记录瞬变过程的时间，试验后再次进行校准。

吞冰试验中如果发动机工作异常，则实行紧急停车，中断试验。

吞冰片试验在发动机最大状态进行，试验程序见图6。

在发动机最大连续状态进行吞冰雹试验，试验程序图7。

5  试验结果及结论

吞冰试验设备调试完后，分别对某型涡轴发动机进行了吞冰片、吞冰雹试验。吞冰试验主要试验参数如表2。

吞冰片试验，发动机各参数出现两次波动，第一次波动持续时间6.2s，第二次波动持续时间4.5s，功率恢复时间7s，两次波动由冰块撞击发动机破碎成两块，先后吸入发动机导致。

吞冰雹试验，发动机各参数波动持续时间5s，功率恢复时间6s。

吞冰片、冰雹试验后，分别对发动机进行分解检查，未造成发动机主要结构的损坏，试验未引起发动机熄火、喘振等现象。某涡轴发动机具备参考文献[3]、[4]和发动机型号规范要求的吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹的能力。

高速摄影装置对冰雹投射轨迹、冰雹撞击发动机前的姿态、冰雹变形破碎过程和发动机叶片变形进行了高频高清晰的拍摄，得到了某型涡轴发动机吞冰雹试验充足的数据分析资料，验证了试验方法的科学性、合理性。

参考文献：

[1]З.Л 索络欣.航空空气发动机试验[M].姚文江等译.国防工业出版社，1982.

[2]祝耀昌，王建刚.各种环境试验的特点及其应用分析[J].航空标准化和质量，2004.

[3]GJB4187—2001，航空发动机吞冰试验要求[S].

[4]GJB242—87，航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范[S].

[5]Christopher G· Demers. Large air transport jet engine design considerations for large and for flocking bird encounters[R]. East Hartford， Pratt& Whitney， 2009.