CN114858472A - 包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置及方法。碳烟颗粒分散液容器、液体雾化器、干燥器、供气机组、粒径筛分仪、可挥发性物质发生器等用于产生包覆碳烟颗粒；供气机组、高空环境舱等用于模拟航空发动机的进气情况以及7km以上高空的环境条件；加热系统、压气机静叶结冰试验箱用于模拟气流在压气机中的升温过程并开展冰晶二次结冰试验；高速相机一、高速相机二分别用于观测包覆碳烟颗粒异质成冰过程和冰晶在压气机静叶的二次结冰过程；排气系统用于将高空环境舱中的气体排出。本发明可以在较低成本下模拟并观测7km以上高空条件下包覆碳烟颗粒异质成冰过程及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程。

Description

包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置 及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机结冰、防冰试验领域，具体涉及一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置及方法。

背景技术

传统上认为，航空发动机结冰是过冷水滴导致的，由于大气中的过冷水滴基本分布在7km以下，因此过冷水滴导致的结冰极少发生在7km以上的高空。然而，当前研究表明：航空发动机在7km以上的高空会发生冰晶导致的压气机静叶结冰，这种结冰方式与传统过冷水滴导致的结冰存在较大差异，严重影响飞行安全。已有研究表明：飞机巡航飞行时排放的尾气中包含可挥发性物质和碳烟颗粒，可挥发性物质可包覆在碳烟颗粒表面形成包覆碳烟颗粒，包覆碳烟颗粒可以作为冰核凝结成冰晶。因此，模拟7km以上高空中包覆碳烟颗粒异质成核冰晶的凝冰过程及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程、探究包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰机理具有重要意义。

自2009年至今，美国国家航空航天局(NASA)与加拿大国家研究委员会(NRC)在冰晶结冰试验研究方面做了大量工作。NASA建立了全尺寸发动机冰晶结冰试验装置(GriffinT A,Dicki D J，Lizanich P J.PSL icing facility upgrade overview(PSL结冰设施升级概述).6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference(第6届AIAA大气和空间环境会议),2014；Struk P M,Tsao J C,Bartkus T P.Plans and preliminaryresults of fundamental studies of ice crystal icing physics in the NASApropulsion systems laboratory(NASA推进系统实验室冰晶结冰物理学基础研究计划和初步结果).8th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference(第8届AIAA大气和空间环境会议),2016)。该装置采用全尺寸涡扇发动机进行试验，成本较高，难以开展大规模、长期试验；同时，该装置只考虑了液滴形成的均质成核冰晶，没有考虑包覆碳烟颗粒异质成核冰晶；此外，该装置并未对液滴的凝冰过程进行观测，难以揭示液滴在高空的凝冰机理。NRC建立了冰晶结冰可视化试验台(Mason J G,Chow P,Dan M F.Understandingice crystal accretion and shedding phenomenon in jet engines using a rig test(通过台架试验了解喷气发动机中的冰晶堆积和脱落现象).Proceedings of ASME TurboExpo 2010:Power for Land,Sea and Air(2010年美国机械工程师协会涡轮博览会：路、海、空动力),2010)。该试验台通过研磨装置产生平均直径为45μm～200μm的冰晶颗粒，但是没有考虑包覆碳烟颗粒异质成核冰晶，也没有模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；此外，该试验台也无法研究高空环境中冰晶的形成机制。

当前，国内关于冰晶在航空发动机压气机静叶二次结冰的试验研究尚处于起步阶段，目前还没有形成系统的试验装置和方法。中国航发商用航空发动机有限责任公司提出了一种结冰风洞冰晶模拟系统(CN202120483842.2)，该系统仅能在风洞内产生冰晶，无法模拟并观测7km以上高空中包覆碳烟颗粒异质成核冰晶的凝冰过程及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程。

综上所述，在现有技术条件的基础上，难以在较低成本下模拟7km以上高空中包覆碳烟颗粒异质成冰过程以及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置及方法，可在较低成本下模拟7km以上高空中包覆碳烟颗粒异质成冰过程及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程。在此基础上，可开展包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在航空发动机压气机静叶二次结冰试验，探究包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰机理。

本发明的技术解决方案是：一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置，包括碳烟颗粒分散液容器、液体雾化器、干燥器、供气机组、粒径筛分仪、混合容器、可挥发性物质发生器、阀门、高空环境舱、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统、压气机静叶结冰试验箱、加热系统、高速相机一、高速相机二、排气系统；其中，所述碳烟颗粒分散液容器用于盛放碳烟颗粒分散液；所述液体雾化器用于产生雾化液滴；所述干燥器用于干燥雾化液滴，形成干燥的碳烟颗粒；所述供气机组为干燥后的碳烟颗粒提供驱动气流，使碳烟颗粒随气流进入所述粒径筛分仪；所述粒径筛分仪对碳烟颗粒进行筛分，选出粒径适合的碳烟颗粒；筛选后的碳烟颗粒随气流进入所述混合容器中；所述可挥发性物质发生器用于产生包覆碳烟颗粒所需的可挥发性物质；所述阀门的开关决定可挥发性物质是否能够进入所述混合容器；碳烟颗粒和可挥发性物质在所述混合容器中充分混合，并产生包覆碳烟颗粒；所述供气机组同时为所述高空环境舱提供所需流量的压缩空气；所述高空环境舱用于再现7km以上高空的环境条件，所述低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统分别为所述高空环境舱模拟7km以上高空的温度、湿度、压强条件；所述压气机静叶结冰试验箱用于固定航空发动机压气机静叶模拟件，所述加热系统用于模拟气流在压气机内的升温过程；所述高速相机一、高速相机二分别用于观测包覆碳烟颗粒异质成冰过程和冰晶在压气机静叶的二次结冰过程；所述排气系统用于将所述高空环境舱中的气体排出。

进一步地，所述粒径筛分仪将空气动力学直径超过1μm的大碳烟颗粒除去，仅使得空气动力学直径小于1μm的碳烟颗粒随气流进入所述混合容器。

进一步地，所述高空环境舱一侧带有玻璃观察窗。

进一步地，所述低温空调系统可使高空环境舱的最低温度达到180K，所述压强调节系统可使所述高空环境舱的最低压强达到200hPa。

进一步地，所述压气机静叶结冰试验箱用于固定航空发动机压气机静叶模拟件，并带有高温玻璃罩。

进一步地，所述加热系统包括控制器和加热板，所述加热板覆盖于所述高温玻璃罩上方，通过逐步加热流过所述压气机静叶结冰试验箱的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程。

进一步地，所述高温玻璃罩侧面为所述高速相机二的观察窗。

本发明还提供一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验方法，包括如下步骤：

1)关闭所述供气机组与干燥器之间的气流通路，打开所述高空环境舱进气口、出气口，启动所述供气机组、排气系统，更新所述高空环境舱内气体；

2)所述供气机组提供的压缩气流稳定后，启动所述低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统，模拟7km以上高空的环境条件；

3)启动所述加热系统，逐步加热流过所述压气机静叶结冰试验箱的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；

4)启动所述液体雾化器，将所述碳烟颗粒分散液容器中的液体雾化，并将形成的雾化液滴排入所述干燥器；

5)打开所述供气机组与干燥器之间的气流通路，启动所述粒径筛分仪，所述干燥器中的碳烟颗粒随气流进入所述粒径筛分仪，所述粒径筛分仪可对碳烟颗粒进行筛分，粒径适合的碳烟颗粒将进一步进入所述混合容器；

6)启动所述可挥发性物质发生器，打开所述可挥发性物质发生器与混合容器之间的阀门，碳烟颗粒和可挥发性物质在所述混合容器中充分混合，产生的包覆碳烟颗粒将随压缩气流进入所述高空环境舱，包覆碳烟颗粒将在压缩气流中完成异质成冰过程并随压缩气流流向所述压气机静叶结冰试验箱；

7)启动所述高速相机一、高速相机二，分别观测包覆碳烟颗粒异质成冰过程和冰晶在压气机静叶的二次结冰过程；

8)试验结束后，依次关闭所述高速相机一、高速相机二、可挥发性物质发生器、可挥发性物质发生器与混合容器之间的阀门、液体雾化器、干燥器、粒径筛分仪、供气机组与干燥器之间的气流通路、加热系统、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统；

9)所述高空环境舱温度恢复到室温后，关闭所述供气机组、排气系统以及高空环境舱的进气口和出气口。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可以在较低成本下模拟并观测7km以上高空条件下包覆碳烟颗粒异质成冰过程及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程，对于探究包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰机理具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置示意图；

图2为本发明中的高空环境舱示意图；

图3为本发明中的压气机静叶结冰试验箱示意图；

图4为本发明中的压气机静叶结冰试验箱及加热系统(包含控制器和加热板)示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置包括碳烟颗粒分散液容器1、液体雾化器2、干燥器3、供气机组4、粒径筛分仪5、混合容器6、可挥发性物质发生器7、阀门8、高空环境舱9、低温空调系统10、湿度调节系统11、压强调节系统12、压气机静叶结冰试验箱13、加热系统14、高速相机一15、高速相机二16、排气系统17。其中，所述碳烟颗粒分散液容器1用于盛放碳烟颗粒分散液；所述液体雾化器2用于产生雾化液滴；所述干燥器3用于干燥雾化液滴，形成干燥碳烟颗粒；所述供气机组4为干燥后的碳烟颗粒提供驱动气流，使碳烟颗粒随气流进入所述粒径筛分仪5；所述粒径筛分仪5可对碳烟颗粒进行筛分，选出粒径适合的碳烟颗粒，所述粒径适合的碳烟颗粒为空气动力学直径小于1μm的碳烟颗粒；筛选后的碳烟颗粒随气流进入所述混合容器6中；所述可挥发性物质发生器7用于产生包覆碳烟颗粒所需的可挥发性物质；所述阀门8的开关决定可挥发性物质是否能够进入所述混合容器6；碳烟颗粒和可挥发性物质在所述混合容器6中充分混合，并产生包覆碳烟颗粒；所述供气机组4同时为所述高空环境舱9提供所需流量的压缩空气，所述高空环境舱9用于再现7km以上高空的环境条件。如图2所示，所述高空环境舱9的一侧带有玻璃观察窗。所述低温空调系统10、湿度调节系统11、压强调节系统12分别为所述高空环境舱9模拟7km以上高空的温度、湿度、压强条件，所述低温空调系统10可使所述高空环境舱9的最低温度达到180K，所述压强调节系统12可使所述高空环境舱9的最低压强达到200hPa；所述压气机静叶结冰试验箱13用于固定航空发动机压气机静叶模拟件18，所述加热系统14用于模拟气流在压气机内的升温过程；所述高速相机一15、高速相机二16分别用于观测包覆碳烟颗粒异质成冰过程和冰晶在压气机静叶的二次结冰过程；所述排气系统17用于将所述高空环境舱9中的气体排出。

如图3所示，所述压气机静叶结冰试验箱13内部具有航空发动机压气机静叶模拟件18和高温玻璃罩19。如图4所示，所述加热系统14包括控制器20和加热板21，所述加热板21覆盖于所述高温玻璃罩19上方，可逐步加热流过所述压气机静叶结冰试验箱13的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程。所述高温玻璃罩19侧面为高速相机二16的观察窗。

本发明的试验方法包括如下步骤：

1)关闭所述供气机组4与干燥器3之间的气流通路，打开所述高空环境舱9进气口、出气口，启动所述供气机组4、排气系统17，更新所述高空环境舱9内气体；

2)所述供气机组4提供的压缩气流稳定后，启动所述低温空调系统10、湿度调节系统11、压强调节系统12，模拟7km以上高空的环境条件；

3)启动所述加热系统14，逐步加热流过所述压气机静叶结冰试验箱13的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；

4)启动所述液体雾化器2，将所述碳烟颗粒分散液容器1中的液体雾化，并将形成的雾化液滴排入所述干燥器3；

5)打开所述供气机组4与干燥器3之间的气流通路，启动所述粒径筛分仪5，所述干燥器3中的碳烟颗粒随气流进入所述粒径筛分仪5，所述粒径筛分仪5可对碳烟颗粒进行筛分，粒径适合的碳烟颗粒将进一步进入所述混合容器6；

6)启动所述可挥发性物质发生器7，打开所述可挥发性物质发生器7与混合容器6之间的所述阀门8，碳烟颗粒和可挥发性物质在所述混合容器6中充分混合，产生的包覆碳烟颗粒将随压缩气流进入所述高空环境舱9，包覆碳烟颗粒将在压缩气流中完成异质成冰过程并随压缩气流流向所述压气机静叶结冰试验箱13；

7)启动所述高速相机一15、高速相机二16，分别观测包覆碳烟颗粒异质成冰过程和冰晶在压气机静叶的二次结冰过程；

8)试验结束后，依次关闭所述高速相机一15、高速相机二16、可挥发性物质发生器7、可挥发性物质发生器7与混合容器6之间的阀门8、液体雾化器2、干燥器3、粒径筛分仪5、供气机组4与干燥器3之间的气流通路、加热系统14、低温空调系统10、湿度调节系统11、压强调节系统12；

9)所述高空环境舱9温度恢复到室温后，关闭所述供气机组4、排气系统17、以及高空环境舱9的进气口和出气口。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置，其特征在于：包括碳烟颗粒分散液容器、液体雾化器、干燥器、供气机组、粒径筛分仪、混合容器、可挥发性物质发生器、阀门、高空环境舱、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统、压气机静叶结冰试验箱、加热系统、高速相机一、高速相机二、排气系统；其中，所述碳烟颗粒分散液容器用于盛放碳烟颗粒分散液；所述液体雾化器用于产生雾化液滴；所述干燥器用于干燥雾化液滴，形成干燥的碳烟颗粒；所述供气机组为干燥后的碳烟颗粒提供驱动气流，使碳烟颗粒随气流进入所述粒径筛分仪；所述粒径筛分仪对碳烟颗粒进行筛分，选出粒径适合的碳烟颗粒；筛选后的碳烟颗粒随气流进入所述混合容器中；所述可挥发性物质发生器用于产生包覆碳烟颗粒所需的可挥发性物质；所述阀门的开关决定可挥发性物质是否能够进入所述混合容器；碳烟颗粒和可挥发性物质在所述混合容器中充分混合，并产生包覆碳烟颗粒；所述供气机组同时为所述高空环境舱提供所需流量的压缩空气；所述高空环境舱用于再现7km以上高空的环境条件，所述低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统分别用于所述高空环境舱内温度、湿度、压强条件的模拟；所述压气机静叶结冰试验箱用于固定航空发动机压气机静叶模拟件，所述加热系统用于模拟气流在压气机内的升温过程；所述高速相机一、高速相机二分别用于观测包覆碳烟颗粒异质成冰过程和冰晶在压气机静叶的二次结冰过程；所述排气系统用于将所述高空环境舱中的气体排出。

2.根据权利要求1所述的一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置，其特征在于：所述粒径筛分仪将空气动力学直径超过1μm的大碳烟颗粒除去，仅使得空气动力学直径小于1μm的碳烟颗粒随气流进入所述混合容器。

3.根据权利要求1所述的一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置，其特征在于：所述高空环境舱一侧带有玻璃观察窗。

4.根据权利要求1所述的一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置，其特征在于：所述低温空调系统可使高空环境舱的最低温度达到180K，所述压强调节系统可使所述高空环境舱的最低压强达到200hPa。

5.根据权利要求1所述的一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置，其特征在于：所述压气机静叶结冰试验箱用于固定航空发动机压气机静叶模拟件，并带有高温玻璃罩，且高温玻璃罩侧面为所述高速相机二的观察窗。

6.根据权利要求1所述的一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置，其特征在于：所述加热系统包括控制器和加热板，所述加热板覆盖于所述高温玻璃罩上方，通过逐步加热流过所述压气机静叶结冰试验箱的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程。

7.根据权利要求1所述的一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置，其特征在于，试验方法包括如下步骤：

1)关闭所述供气机组与干燥器之间的气流通路，打开所述高空环境舱进气口、出气口，启动所述供气机组、排气系统，更新所述高空环境舱内气体；

2)所述供气机组提供的压缩气流稳定后，启动所述低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统，模拟7km以上高空的环境条件；

3)启动所述加热系统，逐步加热流过所述压气机静叶结冰试验箱的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；

4)启动所述液体雾化器，将所述碳烟颗粒分散液容器中的液体雾化，并将形成的雾化液滴排入所述干燥器；

5)打开所述供气机组与干燥器之间的气流通路，启动所述粒径筛分仪，所述干燥器中的碳烟颗粒随气流进入所述粒径筛分仪，所述粒径筛分仪可对碳烟颗粒进行筛分，粒径适合的碳烟颗粒将进一步进入所述混合容器；

6)启动所述可挥发性物质发生器，打开所述可挥发性物质发生器与混合容器之间的阀门，碳烟颗粒和可挥发性物质在所述混合容器中充分混合，产生的包覆碳烟颗粒将随压缩气流进入所述高空环境舱，包覆碳烟颗粒将在压缩气流中完成异质成冰过程并随压缩气流流向所述压气机静叶结冰试验箱；

7)启动所述高速相机一、高速相机二，分别观测包覆碳烟颗粒异质成冰过程和冰晶在压气机静叶的二次结冰过程；

8)试验结束后，依次关闭所述高速相机一、高速相机二、可挥发性物质发生器、可挥发性物质发生器与混合容器之间的阀门、液体雾化器、干燥器、粒径筛分仪、供气机组与干燥器之间的气流通路、加热系统、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统；

9)所述高空环境舱温度恢复到室温后，关闭所述供气机组、排气系统以及高空环境舱的进气口和出气口。

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