航空发动机吞水试验方案研究

唐 通，孔雅婵，蒋全维，卫仁杰，杨怀孝

（中国航发成都发动机有限公司，四川 成都 610000）

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，为飞行器提供所需动力。为保证航空发动机的可靠性，其在投入使用前均需要进行大量的试验研究。发动机吸入大量雨水会引起压气机机匣急剧冷却，有可能使发动机机匣局部受冷收缩，引起机匣和叶片之间的间隙减小，产生摩擦损坏可能降低发动机的不稳定工作裕度并引起发动机喘振失速，甚至是熄火停车。为保证发动机使用安全性，航空发动机吞水试验在民用和军用发动机均会开展[1-3]。

航空发动机吞水试验是测试发动机吞咽能力的重要试验，主要是衡量发动机在淋雨条件下正常工作的能力，能较好地反映发动机的环境适应性。根据以往的发动机吞水试验开展情况来看，吞水试验的吞水量取发动机空气流量的2%～5%，水滴直径不大于2 mm；为防止发动机热部件积垢，试验用水主要为软化水和蒸馏水；试验场地则一般在露天试验台或机场停机坪上开展[4-7]。

本文根据航空发动机研制情况，提出某型航空发动机台架吞水试验方案，并对发动机试车台架进行适应性改造，确保了航空发动机吞水试验的顺利实施。

1 吞水试验台架总体布局方案

发动机吞水试验一般在露天试验台或机场停机坪上开展，这种试验方式对试验平台的特殊需求耗费大量的协调成本影响试验任务，试验过程中试验平台与发动机匹配性也是很重要的制约因素。本项目基于时间和经费考虑选择室内台架开展试验工作。

室内台架为发动机日常试车常用台架，不存在与发动机匹配性问题。测点参数为保证发动机安全性常用参数，足以监控发动机在吞水过程的工作状况，仅需对台架进行较小的适应性改造，就可满足试验目的，可以极大地减少时间和经济性成本。根据试车台架的特点形成吞水试验整体方案，如图1 所示。

图1 吞水试验原理图

整体思路如下：

（1）在升降平台上安装固定喷水装置，并通过焊接将喷水装置固定在升降平台上。

发动机喷出的水一部分通过引射塔排入大气，一部分水在引射塔回流后通过集水装置回收。

（2）为尽量避免升降平台对气流的影响，试验过程中升降平台需下降；经计算升降平台位于地面与升降平台3 m 高时流线分布情况和进气总压分布情况相近，故将升降平台下降至离地3 m。计算情况如图2 和图3 所示。

图2 升降平台位于地面时情况

图3 升降平台3 m 高时情况

2 吞水装置

根据GJB 241—1987《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》的要求，发动机进行地面吞水试验时，水滴直径不大于2 mm，喷水量分别为占空气总质量流量的2%、3.5%和5%，进水分布要求有50%的水进入1/3 扇形进口面积[8]。

将进水面设计在发动机进气道的进口直径范围内，喷水装置如图4 所示。

图4 喷水装置组成示意图

为满足水滴直径不大于2 mm，本试验选择成品喷嘴，经试验标定测量，当喷水压力为（0.2～0.6）MPa时，粒径均小于2 mm。

由于单个喷嘴的流量调节范围有限，试验水滴流量和分布需要主要通过调整喷嘴数量满足，喷嘴阵列方案见表1。

表1 吞水水量方案

进水分布要求有50%的水进入1/3 扇形进口面积则主要通过喷嘴的截面布局进行保证，即采用1/3 扇形喷嘴与其他部分使用相同数量的喷嘴保证，发动机慢车截面布局如图5、图6、图7 所示。

图5 慢车2%吞水对应喷嘴分布

图6 慢车3.5%吞水对应喷嘴分布

图7 慢车5%吞水对应喷嘴分布

3 试车程序设计

根据国军标要求，需进行慢车和起飞的吞水试验，喷水量分别为占空气总质量流量的2%、3.5%和5%。由于本次试验过程中，喷水装置不能进行连续性的水量调节，仅能通过改变喷嘴数量调节，因此吞水试验程序只能分段开展，具体试验过程如下。

（1）吞水试验录取发动机性能

在安装吞水试验装置前，录取发动机性能参数。安装吞水试验装置后再次录取发动机性能以确定安装喷水装置对发动机性能的影响。

（2）吞水试验程序

起动发动机，慢车状态工作2 min，0.7 额定状态工作2 min，起飞状态工作4 min，在慢车状态工作4 min后停车，录取慢车和起飞状态性能参数。

起动发动机，慢车状态工作2 min，0.7 额定状态工作2 min，推油门到起飞，发动机达到起飞转速后进行吞水试验，工作5 min，在慢车状态工作2 min 后停车。起动发动机，慢车状态工作2 min 后，在慢车状态进行吞水试验，5 min 后停止吞水，并继续在慢车状态工作4 min 后停车。

重复上述起飞和慢车吞水试验各3 次，依次喷水2%、3.5%、5%。

吞水试验试车曲线如图8、图9 所示。

图8 吞水试验起飞试车曲线

图9 吞水试验慢车试车曲线

（3）吞水试验后录取发动机性能

发动机完成吞水试验后，再次录取发动机性能，用以确定吞水对发动机的影响情况。

试验过程中未开展发动机加减速的吞水验证，这主要是由于加减速要求吞水试验设备与发动机加速过程匹配，目前国内针对这一试验过程中主要试验有两种方法。

（1）在发动机加减速过程中，吞水设备以慢车流量稳定供水。

（2）在发动机转速以阶梯形式完成加速过程中，吞水设备以发动机“梯步”过程中进气状态进行吞水试验，实质还是一种稳态供水状态。

综上，国内大量的发动机未开展加减速过程吞水，且由于吞水设备控制系统原因，现有的试验方案也无法模拟国军标规定的加减速吞水过程，因此在试验过程中未开展发动机加减速吞水试验。

4 试验风险控制

（1）发动机吸入大量雨水会引起压气机机匣急剧冷却，有可能使发动机机匣局部受冷收缩，引起机匣和叶片之间的间隙减小，产生摩擦损坏；水会改变发动机工作介质，影响发动机部件之间的工作匹配性，可能降低发动机的不稳定工作裕度并引起发动机喘振失速，甚至是熄火停车。因此制定了发动机试车风险防控措施，加强发动机试车过程中的试车参数监控，喷水装置设置了紧急断水系统，发动机设计了紧急停车程序，以防止意外发生。

（2）由于本次试验为吞咽试验，吞入异物打伤发动机的风险较大，针对该问题，制定了发动机台架和喷水装置等各方面检查措施。

5 吞水试验结果

根据GJB 241—1987《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》的要求，发动机吞水后，发动机保持了足够的间隙，在试验过程中未发生损伤或有害擦伤，性能未恶化，并且没有造成失速、喘振、发动机主燃烧室熄火，燃气流路中的零件也未受到损伤，则认为试验通过[7]。

图10 为某型发动机实施吞水试验时，水进入发动机进气道的截面现场图，由图可见水柱受气流影响，开始收缩，水量分布符合方案设计要求。试验时大气压力（95.9～96.0）kPa，大气温度（23.9～24.0）℃。试验结果见表2。

表2 吞水试验结果

图10 吞水试验入口截面图

试验后对发动机进行了检查，发动机结构无异常损伤。吞水试验完成后，重新对发动机录取性能，发动机检试性能试验前后无衰减。试验结果显示发动机具有良好的吞水能力，能够保证在雨天或穿过高含水量云层的使用安全。同时试验结果也证明了航空发动机台架吞水试验方案的安全性、可靠性及易实施性。

6 结论

（1）本次试验利用已有的室内台架，通过对台架进行试验性改造，避免了新建或改造室外平台，降低了试验的经济成本和时间成本。

（2）本次试验通过在台架上安装喷水装置，以及采用喷水装置与试车程序相匹配的方式进行整体方案设计，极大地降低了台架改装和喷水装置研制的技术难度。

（3）试验结果显示，本试验方案合理可行，能够满足发动机试验验证要求，摸清了某型发动机吞水能力，为发动机后续技术保障提供了理论依据。