CN114955000B - 均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置及方法 - Google Patents

均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置及方法，其中：液体雾化器用于产生均质成核冰晶所需的雾化液滴；供气机组、高空环境舱、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统用于模拟航空发动机的进气情况以及7km以上高空的温度、湿度、压强等环境条件；压气机模拟组件、电驱动系统、加热系统用于模拟真实航空发动机压气机静子、转子的工作状态以及气流在压气机内的升温过程；高速相机一、高速相机二分别用于观测雾化液滴均质成冰过程和冰晶在压气机叶片的二次结冰过程；排气系统用于将高空环境舱中的气体排出。本发明可用于模拟7km以上高空中均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片的二次结冰过程。

Description

均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置及 方法
技术领域
本发明属于航空发动机结冰、防冰试验领域，具体涉及一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片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：在春夏季较强对流天气下，潮湿的空气可上升至对流层顶部，由于上升过程中温度不断降低，潮湿的空气中会形成微小的冰晶，航空发动机在7km以上的高空会发生冰晶导致的压气机叶片结冰，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。因此，模拟7km以上高空中液滴的凝冰过程及冰晶在航空发动机压气机叶片的二次结冰过程、探究冰晶在压气机叶片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；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叶片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以上高空中液滴的成冰过程以及冰晶在航空发动机压气机叶片的二次结冰过程。
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以上高空中液滴的成冰过程及冰晶在航空发动机压气机叶片的二次结冰过程。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置及方法，可在较低成本下模拟7km以上高空中液滴的成冰过程及冰晶在航空发动机压气机叶片的二次结冰过程。在此基础上，可开展均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验，探究均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片的二次结冰机理。
本发明的技术解决方案是：一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置及方法，其特征在于：包括液体雾化器、供气机组、高空环境舱、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统、压气机模拟组件、电驱动系统、加热系统、高速相机一、高速相机二、排气系统，其中：液体雾化器用于产生均质成核冰晶所需的直径在10μm至200μm之间的雾化液滴；供气机组为高空环境舱(一侧带有玻璃观察窗)提供所需流量的压缩空气；高空环境舱用于再现7km以上高空的环境条件，低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统分别为高空环境舱模拟7km以上高空的温度、湿度、压强条件，低温空调系统可使高空环境舱的最低温度达到180K，压强调节系统可使高空环境舱的最低压强达到200hPa；压气机模拟组件用于模拟真实航空发动机压气机静子、转子的工作状态，电驱动系统、加热系统分别用于驱动压气机模拟组件和模拟气流在压气机内的升温过程；高速相机一、高速相机二分别用于观测雾化液滴均质成冰过程和冰晶在压气机叶片的二次结冰过程；排气系统用于将高空环境舱中的气体排出。
压气机模拟组件包括叶片模拟组件和高温玻璃机匣；当电驱动系统关闭时，叶片模拟组件静止，此时可模拟真实航空发动机压气机静子的工作状态；当电驱动系统启动时，电驱动系统控制叶片模拟组件的转速，此时可模拟真实航空发动机压气机转子的工作状态；加热系统包括控制器和管状加热器，管状加热器覆盖于高温玻璃机匣上方，可逐步加热流过压气机模拟组件的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；管状加热器一侧开口，管状加热器覆盖在高温玻璃机匣上之后，可形成观察窗。
本发明的试验步骤如下：
1)打开高空环境舱进气口、出气口，启动供气机组、排气系统，更新高空环境舱内气体；
2)供气机组提供的压缩气流稳定后，启动低温空调系统、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)根据试验需求决定是否启动电驱动系统：当模拟真实航空发动机压气机静子工作状态时，无需启动电驱动系统，当模拟真实航空发动机压气机转子工作状态时，启动电驱动系统，为叶片模拟组件提供一定转速；
4)启动加热系统，逐步加热流过压气机模拟组件的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；
5)启动液体雾化器，将形成的雾化液滴排入高空环境舱，雾化液滴将在压缩气流中完成均质成冰过程并随压缩气流流向压气机模拟组件；
6)启动高速相机一、高速相机二，分别观测雾化液滴均质成冰过程和均质成核冰晶在压气机叶片的二次结冰过程；
7)试验结束后，依次关闭高速相机一、高速相机二、液体雾化器、加热系统、电驱动系统、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统；
8)高空环境舱温度恢复到室温后，关闭供气机组、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：本发明可在较低成本下模拟并观测7km以上高空条件下液滴的均质成冰过程及冰晶在航空发动机压气机叶片的二次结冰过程，对于探究均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片的二次结冰机理具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片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模拟组件(包含叶片模拟组件和高温玻璃机匣)示意图；
图4为本发明中的压气机模拟组件(包含叶片模拟组件和高温玻璃机匣)及加热系统(包含控制器和管状加热器)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，本发明中一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置，包括液体雾化器1、供气机组2、高空环境舱3、低温空调系统4、湿度调节系统5、压强调节系统6、压气机模拟组件7、电驱动系统8、加热系统9、高速相机一10、高速相机二11、排气系统12。其中，所述液体雾化器1用于产生均质成核冰晶所需的直径在10μm至200μm之间的雾化液滴；所述供气机组2为所述高空环境舱3提供所需流量的压缩空气。所述高空环境舱3用于再现7km以上高空的环境条件，其一侧带有玻璃观察窗，如图2所示。所述低温空调系统4、湿度调节系统5、压强调节系统6分别为所述高空环境舱3模拟7km以上高空的温度、湿度、压强条件，所述低温空调系统4可使所述高空环境舱3的最低温度达到180K，所述压强调节系统6可使所述高空环境舱3的最低压强达到200hPa；所述压气机模拟组件7用于模拟真实航空发动机压气机静子、转子的工作状态，所述电驱动系统8、加热系统9分别用于驱动所述压气机模拟组件7和模拟气流在压气机内的升温过程；所述高速相机一10、高速相机二11分别用于观测雾化液滴均质成冰过程和冰晶在压气机叶片的二次结冰过程；所述排气系统12用于将高空环境舱3中的气体排出。
如图3所示，所述压气机模拟组件7包括叶片模拟组件13和高温玻璃机匣14；当电驱动系统8关闭时，叶片模拟组件13静止，此时可模拟真实航空发动机压气机静子的工作状态；当电驱动系统8启动时，电驱动系统8控制叶片模拟组件13的转速，此时可模拟真实航空发动机压气机转子的工作状态。如图4所示，所述加热系统9包括所述控制器15和管状加热器16，所述管状加热器16覆盖于所述高温玻璃机匣14上方，可逐步加热流过所述压气机模拟组件7的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；所述管状加热器16一侧开口，所述管状加热器16覆盖在所述高温玻璃机匣14上之后，可形成观察窗。
本发明的试验方法包括如下步骤：
1)打开所述高空环境舱3进气口、出气口，启动所述供气机组2、排气系统12，更新所述高空环境舱3内气体；
2)所述供气机组2提供的压缩气流稳定后，启动所述低温空调系统4、湿度调节系统5、压强调节系统6，模拟7km以上高空的环境条件；
3)根据试验需求决定是否启动电驱动系统8：当模拟真实航空发动机压气机静子工作状态时，无需启动电驱动系统8，当模拟真实航空发动机压气机转子工作状态时，启动电驱动系统8，为叶片模拟组件13提供一定转速；
4)启动所述加热系统9，逐步加热流过所述压气机模拟组件7的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；
5)启动所述液体雾化器1，将形成的雾化液滴排入所述高空环境舱3，雾化液滴将在压缩气流中完成均质成冰过程并随压缩气流流向所述压气机模拟组件7；
6)启动所述高速相机一10和高速相机二11，分别观测雾化液滴均质成冰过程和均质成核冰晶在压气机叶片的二次结冰过程；
7)试验结束后，依次关闭所述高速相机一10、高速相机二11、液体雾化器1、加热系统9、电驱动系统8、低温空调系统4、湿度调节系统5、压强调节系统6；
8)所述高空环境舱3温度恢复到室温后，关闭所述供气机组2、排气系统12以及高空环境舱3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 (6)

1.一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置，其特征在于：包括液体雾化器、供气机组、高空环境舱、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统、压气机模拟组件、电驱动系统、加热系统、高速相机一、高速相机二、排气系统；其中，所述液体雾化器用于产生均质成核冰晶所需的雾化液滴；所述供气机组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7 km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7 km以上高空的温度、湿度、压强条件；所述压气机模拟组件用于模拟真实航空发动机压气机静子、转子的工作状态，所述电驱动系统、加热系统分别用于驱动所述压气机模拟组件和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雾化液滴均质成冰过程和冰晶在压气机叶片的二次结冰过程；所述排气系统用于将所述高空环境舱中的气体排出；
所述压气机模拟组件包括叶片模拟组件和高温玻璃机匣；当所述电驱动系统关闭时，叶片模拟组件静止，此时可模拟真实航空发动机压气机静子的工作状态；当所述电驱动系统启动时，所述电驱动系统控制叶片模拟组件的转速，此时可模拟真实航空发动机压气机转子的工作状态；
所述加热系统包括控制器和管状加热器，所述管状加热器覆盖于所述高温玻璃机匣上方，逐步加热流过所述压气机模拟组件的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程。
2.根据权利要求1所述的一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置，其特征在于：所述液体雾化器产生的雾化液滴直径在10 μm至200 μm之间。
3.根据权利要求1所述的一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置，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所述的一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置，其特征在于：所述低温空调系统可使所述高空环境舱的最低温度达到180 K，所述压强调节系统可使所述高空环境舱的最低压强达到200 hPa。
5.根据权利要求1所述的一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置，其特征在于：所述管状加热器一侧开口，所述管状加热器覆盖在所述高温玻璃机匣上之后，形成观察窗。
6.根据权利要求1所述的一种均质成核冰晶在航空发动机压气机叶片二次结冰试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）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7 km以上高空的环境条件；
3）根据试验需求决定是否启动所述电驱动系统：当模拟真实航空发动机压气机静子工作状态时，无需启动所述电驱动系统，当模拟真实航空发动机压气机转子工作状态时，启动所述电驱动系统，为叶片模拟组件提供一定转速；
4）启动所述加热系统，逐步加热流过所述压气机模拟组件的气流，模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；
5）启动所述液体雾化器，将形成的雾化液滴排入所述高空环境舱，雾化液滴将在压缩气流中完成均质成冰过程并随压缩气流流向所述压气机模拟组件；
6）启动所述高速相机一、高速相机二，分别观测雾化液滴均质成冰过程和均质成核冰晶在压气机叶片的二次结冰过程；
7）试验结束后，依次关闭所述高速相机一、高速相机二、液体雾化器、加热系统、电驱动系统、低温空调系统、湿度调节系统、压强调节系统；
8）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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