某涡轴发动机结冰试验验证及试验点选取初步研究

刘创 袁喜岷 张伟 刘龙初 陈杰

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002）

飞机在飞行过程中，不可避免地会遭遇具有结冰气象条件的云层，发动机进气系统（进气道、进气部件、传感器）可能会出现结冰，进而可能造成发动机流道堵塞、传感器失效、压气机喘振、功率/推力严重损失、熄火等，因此，中国民用航空规章《航空发动机适航规定》（CCAR-33R2）第33.68条明确规定了航空发动机进气系统结冰的最低安全要求，民用航空发动机在取得型号合格证投入市场使用前，必须表明对进气系统结冰条款的符合性[2]。

某涡轴发动机已顺利完成了结冰试验，该试验结合其配装的某型直升机进气系统一起进行；在此之前国内还没有涡轴发动机按照第33.68条款要求开展过进气系统结冰试验，因此对于涡轴发动机进行结冰试验的经验较少。

本文结合适航条款要求，对某涡轴发动机结冰试验验证和试验点选取进行初步研究，为其他型号研制提供参考。

1 适航规章对进气系统结冰的要求

CCAR-33R2第33.68条的实质要求是：

（1）针对第33.68条（a）：确保发动机的设计和制造，可使其在结冰条件下安全运行，且必须通过试验来验证发动机在整个飞行包线内，发动机结冰不会造成不利影响。

中国民用航空规章第29部附录C中规定了结冰包线，即连续最大结冰（层云）和间断最大结冰（积云）包线。在连续最大和间断最大结冰状态下，发动机在整个飞行功率范围内的工作时，不应在发动机部件上出现导致流道堵塞、传感器失效、压气机喘振失速、风扇叶片颤振、转子不平衡、功率/推力严重损失、核心机损伤、熄火等的结冰情况。

（2）针对第33.68条（b）：考虑在冻雾天气下飞机可能在很长一段时间里停在跑道上等待起飞，此时积冰不能对发动机产生有害影响。在规定的结冰状态下，发动机工作在地面慢车状态，引气防冰，工作30min，发动机不应出现不利影响。这是因为发动机在慢车状态工作时，尽管防冰需求热载荷较小，但是防冰系统的热量供给能力也较小，防冰系统可能无法满足防冰要求，这个状态点往往是防冰系统设计的结冰关键点。

第33.68条（b）的建立是考虑在冻雾天气下直升机可能在很长一段时间里停在地面上等待起飞，此时积冰不能对发动机产生有害影响。在规定的结冰状态下，发动机工作在地面慢车状态，引气防冰，工作30min，发动机不应出现不利影响。

2 结冰试验点选取

根据结冰试验适航条款要求，需要对结冰包线和发动机工作包线范围内的结冰条件比较危险的点进行试验考核，验证发动机在结冰条件下具有全包线的工作能力[3]。

试验中所选取的结冰试验点通常包括标准试验点和关键试验点两类。标准试验点是适航条款咨询通告推荐的试验点。由于标准试验点可能无法覆盖所有的危险结冰点，结冰关键试验点是对标准试验点的补充[4]。

某涡轴发动机在进行结冰试验前，基于直升机和发动机构型，结合结冰包线和发动机工作包线，综合考虑影响进气系统结冰因素：大气温度（OAT）、平均水滴直径（MVD）、液态水含量（MCI和IMI）、飞行速度（Vc）和发动机工作状态等，首次自行开展了结冰试验关键点仿真分析，获取了全飞行包线内进气系统结冰量等关键信息（见图1），最终确定了所有关键结冰试验点（见表1）。

图1 结冰量仿真结果

表1 某涡轴发动机进气系统结冰试验点

3 试验件安装

由于涡轴发动机在进口前安装水力测功器会影响结冰条件，目前世界各发动机公司基本上都采用核心机代替整机进行结冰试验（如T800），某涡轴发动机同样也采用核心机进行结冰试验[5-6]。

某涡轴发动机在结冰试验车台安装状态见图2。

图2 结冰试验车台安装实物图

4 试验验证与结果分析

表2 大气温度对结冰量的影响

本节结合结冰试验结果分析了大气温度、发动机工作状态以及水滴直径等因素对结冰的影响。

从表2可以看出，试验点1和试验点2大气温度逐渐降低，试验过程中进气压降绝对值也逐渐降低（结冰量逐渐减小），主要是由于随着大气温度降低，大气中相应的液态水含量逐渐减少（分别由0.7g/m3和2.4g/m3减少至0.6g/m3和2.2g/m3），因而单位时间内发动机吸入的液态水含量也逐渐减少,导致了结冰量的减小。

表3 发动机状态对结冰量的影响

从表3可以看出，试验点3和试验点1发动机状态逐渐增大，试验过程中进气压降绝对值逐渐增大 （结冰量逐渐增加），主要是由于随着发动机状态增大，发动机进口空气流量逐渐增加，因而单位时间内发动机吸入的液态水含量也逐渐增加,导致了结冰量的增加。

表4 水滴直径对结冰量的影响

从表4可以看出，试验点1和试验点4水滴直径逐渐增大，试验过程中进气压降绝对值虽然逐渐增加，但是增加量很小，因此水滴直径的变化对结冰量的影响较小。

5 结论

本文对某涡轴发动机结冰试验验证和试验点选取情况进行了初步研究，并结合结冰试验结果分析了大气温度、发动机工作状态以及水滴直径等因素对结冰的影响，得到如下结论：

（1）在其他条件相同的情况下，随着大气温度降低，结冰量逐渐减小。

（2）在其他条件相同的情况下，随着发动机状态增大，结冰量逐渐增大。

（3）在其他条件相同的情况下，水滴直径的变化对结冰量的影响较小。