摘要：飛機在雨天飛行時，航空發(fā)動機會吞入空氣中的雨水。當航空發(fā)動機吸入大量的雨水時，可能引起機匣與葉片之間摩擦損壞，也可能造成航空發(fā)動機喘振或熄火，嚴重威脅飛機的飛行安全?；诖耍榻B了航空發(fā)動機吸入雨水后對穩(wěn)定性可能造成的影響，航空發(fā)動機吞水試驗對試驗用水、水滴直徑、吞水量、液態(tài)水分布和試車過程的要求以及航空發(fā)動機吞水試驗完成指標。同時，介紹了吞水試驗設備的主要組成，包括噴水設備、液壓站、測控系統(tǒng)以及儲水設備，并介紹了各組成部分的功用。

關鍵詞：吞水試驗；試驗要求；完成指標；設備組成

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

現代軍用飛機一般要求具備全天候環(huán)境的飛行能力，其配備的發(fā)動機應能夠在雨天環(huán)境下工作。當發(fā)動機吸入雨水時，可能引起燃燒室熄火、壓氣機喘振，嚴重影響飛機的飛行安全[1]。

早在1977年，美國佐治亞州一架DC客機由于發(fā)動機吸入大量雨水壓氣機結構受損，飛機在迫降過程中不幸墜毀。2002年，一架加魯達印尼航空公司的波音737客機遭遇了暴雨惡劣天氣，發(fā)動機吸入大量的雨水導致發(fā)動機熄火停車，飛機被迫降落，造成人員傷亡事故[2]。

為此國內外針對航空發(fā)動機吞水試驗開展了大量的研究，我國《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB241A-2010）和《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB242A-2018）已將吞水試驗納入航空發(fā)動機定型考核的必要環(huán)節(jié)。

• 雨水對航空發(fā)動機的影響

1988年，航空宇航工業(yè)協會（AIA）發(fā)起了一項針對由于在惡劣氣候下工作而引起的航空發(fā)動機功率損失和不穩(wěn)定情況的研究。該項研究表明，航空發(fā)動機在高速飛行和低功率狀態(tài)下吸入雨水時，雨水會明顯集中在發(fā)動機中心，大部分雨水會進入航空發(fā)動機的核心機，可能降低壓氣機的穩(wěn)定性、燃燒室的熄火裕度以及燃油控制的中斷裕度。當航空發(fā)動機核心機吸入極限量的雨水時，最終可能導致喘振、功率損失和發(fā)動機熄火等一系列發(fā)動機異常情況。

事實上，不僅在雨天高空飛行中發(fā)動機可能吞入水，進氣道中濕空氣凝結、外場跑道積水均可能造成發(fā)動機吞水如圖1所示。發(fā)動機吞水后，一方面會引起發(fā)動機主要部件的工作特性發(fā)生變化，發(fā)動機機匣發(fā)生熱脹冷縮，機匣與葉片之間的間隙變小，磨損發(fā)動機，甚至發(fā)動機壓氣機喘振、燃燒室熄火；另一方面，發(fā)動機吞水還可能影響發(fā)動機控制系統(tǒng)的正常工作，造成發(fā)動機工作失控，嚴重影響飛機的飛行安全。因此，對于新研制的航空發(fā)動機在狀態(tài)鑒定考核時均要求在吞水環(huán)境下能夠正常工作。

• 航空發(fā)動機吞水試驗要求

航空發(fā)動機吞水試驗是向工作的航空發(fā)動機噴入規(guī)定流量、直徑的液態(tài)水，以評估航空發(fā)動機在雨天環(huán)境下的工作能力。

2.1試驗用水要求

吞水試驗用水為軟化水，除去機械雜質，pH值在6.5～7.5范圍內；總固體含量不大于30mg/L，溶解固體含量不大于25mg/L；電阻率不小于150kΩ.cm。

2.2水滴直徑

吞水試驗要求噴出的液態(tài)水水滴直徑不大于2mm。

2.3吞水量

吞水試驗要求發(fā)動機吞水量分別占發(fā)動機空氣質量流量的2%、3.5%和5%。

根據美軍標MIL-HDBK-310統(tǒng)計，在海平面暴雨的最高紀錄為3.12cm/min，水占空氣質量流量的6.4%，在6005m高空，記錄的最高降雨量為4.3cm/min，水占空氣質量流量的17.2%。然而，美軍標MIL-HDBK-310認為，這種情況只出現在0.5%或1%的極端條件，在通常情況下，水占空氣體積的百分比會明顯下降。實際上，在世界降雨最多的地區(qū)，在降雨最多的月份，在6005m高空，水超過空氣質量流量2.6%的時間僅占總時間的1%。

2.4液態(tài)水分布

吞水試驗要求應50%的液態(tài)水進入1/3的發(fā)動機扇形進口面積。

吞水試驗要求中對液態(tài)水的分布要求是用于模擬由于安裝影響而經常出現的液態(tài)水集中情況。

2.5試車過程

由于吞水試驗吞水量分別占空氣質量流量的2%、3.5%和5%，應分3次完成發(fā)動機的全部吞水試驗。吞水試驗過程一般包括穩(wěn)態(tài)和瞬變過程吞水，具體試驗內容敘述如下。

（1）在發(fā)動機慢車和最大推力（或功率）狀態(tài)進行穩(wěn)態(tài)吞水試驗，每一穩(wěn)態(tài)吞水時間為5min；

（2）發(fā)動機開展起動－慢車過程和慢車－最大推力（或功率）－慢車瞬變過程的吞水試驗。

我國軍用規(guī)范《航空渦輪發(fā)動機吞水試驗要求》（GJB4877-2003）推薦了一種航空發(fā)動機吞水試驗程序如圖2所示。其中，o-a為發(fā)動機在起動到慢車過程中吞水的時間，b-c為發(fā)動機在最大推力（或功率）狀態(tài)吞水的工作時間，d-e為發(fā)動機在慢車狀態(tài)吞水的工作時間，e-f-g為發(fā)動機從慢車－最大推力（或功率）－慢車推力瞬變過程中的吞水試驗。

• 航空發(fā)動機吞水試驗完成指標

吞水試驗用發(fā)動機應在試驗前開展性能錄取。試驗用發(fā)動機應與定型試驗持久試車的發(fā)動機技術狀態(tài)相同，并且試驗用發(fā)動機換算成標準大氣海平面靜止條件下的穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)特性應符合型號規(guī)范規(guī)定。

我國國軍標規(guī)范《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB241A-2010）和《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB242A-2018）中對航空發(fā)動機吞水試驗后的考核完成指標做出了說明。當發(fā)動機以最大推力狀態(tài)工作時，把占空氣總質量流量的2.0%、3.5%和5.0%的水（液態(tài)和氣態(tài)）引進發(fā)動機進口，其中有50%的液態(tài)水進入1/3的進口扇形面積。發(fā)動機在上述每一條件下工作5min后，再在慢車狀態(tài)重復上述程序。在試驗中，注意和記錄吞入水對發(fā)動機性能的影響，試驗結束時將發(fā)動機停車，并冷卻到環(huán)境溫度。然后，再進行試驗后的性能檢查。性能檢驗后，將發(fā)動機完全分解、檢驗。例如：發(fā)動機保持了適當的間隙、在試驗中未發(fā)生損傷或有害擦傷、性能未惡化、燃氣流路中的零件未受到損傷，則認為滿意地完成了驗證。

• 吞水試驗設備

吞水試驗設備用于模擬雨水環(huán)境，向發(fā)動機噴射規(guī)定流量、直徑的液態(tài)水[3～6]，一般由噴水設備、液壓站、測控系統(tǒng)和儲水設備組成如圖3所示。吞水試驗前在儲水設備中存儲足夠量的液態(tài)水，液壓站為液態(tài)水動力源，向噴水設備提供一定壓力、流量的液態(tài)水，噴水設備上安裝噴嘴，噴出符合吞水試驗要求的液態(tài)水，測控系統(tǒng)用于對流量控制液壓站進行控制及數據采集記錄。

噴水設備一般由噴嘴、支撐架、供水管線等組成。噴水設備功用為噴射規(guī)定流量、水滴直徑的液態(tài)水，為發(fā)動機提供液態(tài)水條件。噴嘴為噴水設備的核心部件，可選擇工業(yè)霧化噴嘴，噴出符合試驗要求直徑的液態(tài)水。液壓站一般由水泵、調節(jié)閥門、開關閥門、過濾器、供水管線等組成，通過控制水泵、調節(jié)閥門的參數改變液壓站的供水流量，實現發(fā)動機吞水試驗需求的流量。液壓站一般采用集成化設計，將所有元器件集中安裝在一個平臺上，結構緊湊。測控系統(tǒng)一般由PLC模塊、動力電纜、設備控制柜、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等組成，具備手動/自動控制、邏輯控制等功能，能夠對流量控制液壓站進行數據采集及記錄、狀態(tài)監(jiān)控等。儲水設備用于儲蓄試驗用水，儲水設備儲蓄的總水量應至少滿足一次發(fā)動機開車過程中需求的最少吞水量。

5結語

通過對航空發(fā)動機吞水試驗技術的研究，總結了航空發(fā)動機吞水試驗要求，包括試驗用水要求、水滴直徑要求、吞水量要求、液態(tài)水分布要求和試車程序要求；介紹了航空發(fā)動機吞水試驗完成指標；歸納了吞水試驗設備的組成及功能，包括噴水設備、液壓站、測控系統(tǒng)和儲水設備，由噴水設備噴出符合試驗要求的水滴直徑、流量以及分布的液態(tài)水。本文為開展航空發(fā)動機吞水試驗提供了參考和技術積累，具有重要的指導意義。

參考文獻

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