CN115524131B - 一种基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于航空发动机热平衡控制领域，特别涉及一种基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，通过整机防冰系统获取防冰部件在结冰条件下的第一壁温与非结冰条件下的第二壁温；获取所述第一壁温与所述第二壁温之间的修正值；通过非结冰条件下整机防冰系统壁温测试获取防冰部件非结冰条件下的第三壁温，基于所述修正值修正所述第三壁温得到结冰条件下的目标壁温；本申请以非结冰条件的整机防冰系统验证方法代替整机环境结冰试验，以现有的试验测试手段即可获得可信的整机测试数据，进而评估发动机真实工作状态下防冰系统防冰效果。

Description

一种基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法
技术领域
本申请属于航空发动机热平衡控制领域，特别涉及一种基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法。
背景技术
当飞机在结冰包线内飞行时，由于空气中存在过冷水滴，会使发动机进口部件表面结冰。发动机进口部件结冰会改变其气动外形，导致气动性能下降，同时会减小气流的进气面积，积冰脱落还会打伤发动机部件，造成机械损伤，因此需要对发动机进口部件进行防冰保护。目前热气防冰是应用较为成熟的防冰方式，其原理是从高压压气机引来高温高压热空气对发动机进口部件进行加热，而防冰效果验证试验是防冰系统工作效果显著与否的直观表现。
因此发动机防冰系统防冰效果验证试验显得尤为重要。通常，验证防冰系统防冰效果采用整机环境结冰试验，目前国内不具备开展相关试验的能力，仅能够开展用于验证零部件防冰能力的防冰效果试验，该试验仅能够验证在预设的结冰条件和加热条件下防冰部件的防冰能力,不能考核整机条件下防冰系统的表现，此外该试验不能够考虑部件上下游系统及整机振动等相关因素带来的影响，无法对发动机防冰系统进行完全的验证。
目前国内尚无整机环境结冰试验验证能力，与本发明相关的现有技术方案即零部件级的防冰效果验证试验。该手段具有以下缺点：
1.由于零部件试验需要在具备产生过冷液态水能力的冰风洞内开展，而目前国内这样的冰风洞少之又少，同时一些冰风洞无法稳定持续地产生均匀的过冷液态水，这导致防冰效果验证试验结果可能偏离真实情况。
2.只能开展部件级的防冰效果试验，不能全面考虑到防冰供气系统周向的流动和换热特性，通常是选择最严峻的部件边界条件，但是该部件的防冰能力并不能替代整个防冰系统，需要结合仿真分析确认，工作量较大。
3.零部件防冰效果验证试验仅能针对单个部件开展，无法考虑到部件上下游系统以及发动机真正运行条件下各种整机因素(如整机振动)对防冰效果的影响。
4.部件防冰效果试验需要使用专用的诸如冰风洞等试验设备，其使用成本较高，且关键参数水滴直径、液态水含量、雾化场均匀度等实现难度大，需要专用的如激光多普勒仪、液态水含量测试仪等测试设备，使用要求高且设备运行维护十分复杂，在开展防冰效果试验时经常会出现雾化场不均匀、喷嘴结冰堵塞情况，导致试验效率较低，试验成本增高。
上述零部件防冰效果验证试验无法高效直接地获得发动机真实运行条件下防冰系统防冰效果。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，包括：
通过整机防冰系统仿真计算获取防冰部件在结冰条件下的第一壁温与非结冰条件下的第二壁温；
获取所述第一壁温与所述第二壁温之间的修正值；
通过非结冰条件下整机防冰系统壁温测试获取防冰部件非结冰条件下的第三壁温，基于所述修正值修正所述第三壁温得到结冰条件下的目标壁温。
优选的是，所述防冰部件为发动机进口的整流帽罩或/和多个整流支板。
优选的是，通过多个整流支板获取所述修正值的方法包括：
获取整流支板同一工况下前缘驻点处、不同弧长处的多个第一壁温以及多个第二壁温，并计算两者多个温差，形成多个第一温差；
获取整流支板不同工况下同一位置处的多个第一壁温以及多个第二壁温，并计算两者多个温差，形成多个第二温差；
获取多个第一温差的最大值以及多个第二温差的最大值，取两者最大值的最大值形成修正值。
优选的是，将所述修正值放大5％～8％。
优选的是，第三壁温通过布置多个预设整流支板上的多个温度测点测量获得，多个测点的布置方法包括:在每个预设整流支板上分为多个不同径向位置，在每个径向位置的前、中、后三处布置温度测点；
优选的是，第三壁温还包括布置在整流帽罩上的多个温度测点测量的壁温，整流帽罩上的多个温度测点分布方式为：前缘驻点处、帽罩螺塞周向位置处以及帽罩外壁轴向位置处分别布置温度测点。
优选的是，整流帽罩上的多个温度测点呈中心对称分布
本申请的优点包括：
1.以非结冰条件的整机防冰系统验证方法代替整机环境结冰试验，以现有的试验测试手段即可获得可信的整机测试数据，进而评估发动机真实工作状态下防冰系统防冰效果。
2.考虑了防冰系统上下游部件及整机运行过程中各种整机级因素对防冰效果的影响，获得了更贴近于真实工作状态下的防冰系统测试数据，弥补数据的缺失，形成数据库，为后续防冰系统的仿真提供技术支撑。
3.无需专用的结冰条件，减少了相应的结冰雾化设备建设及维护，降低了运行成本；同时由于不考虑液态水，解决了低温环境下液态水结冰堵塞喷嘴的问题，大大提高了试验效率。
附图说明
图1是本申请一优选实施方式整流支板壁温计算结果曲线图；
图2a是本申请一优选实施方式预设整流支板的选择示意图；
图2b是本申请一优选实施方式预设整流支板壁温测点位置示意图；
图3是本申请一优选实施方式整流帽罩壁温测点位置示意图；
图4a是本申请一优选实施方式整流支板非结冰条件下测试壁温分布图；
图4b是本申请一优选实施方式整流帽罩非结冰条件下测试壁温分布图；
图5a是本申请一优选实施方式基于整流支板非结冰条件下测试壁温修正获得的整流支板结冰条件下壁温分布图；
图5b是本申请一优选实施方式基于整流帽罩非结冰条件下测试壁温修正获得的整流帽罩结冰条件下壁温分布图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
一种基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，包括：
通过整机防冰系统仿真计算获取防冰部件在结冰条件下的第一壁温与非结冰条件下的第二壁温；
获取所述第一壁温与所述第二壁温之间的修正值；
通过通过非结冰条件下整机防冰系统壁温测试获取防冰部件非结冰条件下的第三壁温，基于所述修正值修正所述第三壁温得到结冰条件下的目标壁温。
在一些可选实施方式中，所述防冰部件为发动机进口的整流帽罩或/和多个整流支板。
在一些可选实施方式中，通过多个整流支板获取所述修正值的方法包括：
获取整流支板同一工况下前缘驻点处不同弧长处的多个第一壁温以及多个第二壁温，并计算两者多个温差，形成多个第一温差；
获取整流支板不同工况下同一位置处的多个第一壁温以及多个第二壁温，并计算两者多个温差，形成多个第二温差；
获取多个第一温差的最大值以及多个第二温差的最大值，取两者最大值的最大值形成修正值。
在一些可选实施方式中，将所述修正值放大5％～8％。
在一些可选实施方式中，第三壁温通过布置预设整流支板上的多个温度测点测量获得，多个测点的布置方法包括:在每个预设整流支板上分为多个不同径向位置，在每个径向位置的前、中、后三处布置温度测点；
在一些可选实施方式中，第三壁温还包括布置在整流帽罩上的多个温度测点测量的壁温，整流帽罩上的多个温度测点分布方式为：前缘驻点处、帽罩螺塞周向位置处以及帽罩外壁轴向位置处分别布置温度测点。
在一些可选实施方式中，整流帽罩上的多个温度测点呈中心对称分布；
本申请结合附图具体实施方式如下：
1.本申请基于非结冰条件的整机防冰系统判断准则：
热气防冰过程实质上是防冰部件热平衡的过程。
结冰条件下：过冷水撞击到发动机部件表面的传热传质过程是固、液、气的多相变热平衡过程，涉及到的各项热量如计算公式1、2所示。
Qanti＝Qair+Qevap+Qwater-Qice-Qin+Qout-Qdropin (1)
Qanti＝hin(Tin-Tw) (2)
式中，Tw——为防冰部件外表面的壁温，K；
Tin——为防冰热气与内表面换热总温，K；
hin——为防冰热气与内表面换热系数，W/(K*m2)；
Qanti——防冰系统热气供热热流，W/m2；
Qair——外换热热流，W/m2；
Qevap——水蒸发热热流，W/m2；
Qwater——加热撞击水到壁温所需热流，W/m2；
Qice——冻结在微元表面的结冰相变释放的热流，W/m2；
Qin——从上流微元流入的水膜热流，W/m2；
Qdropin——撞击到该微元水滴的动能转化热流，W/m2；
Qout——从该单元流出的水膜热流，W/m2。
非结冰条件下：防冰过程不涉及到液态，只包含固态和气态的热平衡，因此非结冰条件下的热平衡计算式如式3、4所示。
Qanti＝Qair (3)
Qanti＝hin(Tin-Tw) (4)
由上述公式可以看出结冰与非结冰条件下的热平衡计算相差较大，因此想要利用非结冰条件下整机防冰系统防冰效果代替整机环境结冰试验的，需要通过非结冰条件下防冰部件整机壁温计算结果与结冰条件下的结果进行对比，建立非结冰与结冰条件下防冰部件壁温差值判断准则，判断防冰系统的防冰能力能否满足要求。
以结冰条件下，开展防冰部件的温度仿真分析。在同样的换热条件下，不考虑液态过冷水的影响，开展非结冰条件下的温度仿真分析，获得温度对比分析结果。根据结冰条件和非结冰条件下的温度场对比分析结果可以获得非结冰条件下防冰效果的判断准则。
以整流支板为研究对象，对比了典型结冰工况下的结冰和非结冰条件下的温度场计算结果。图1给出了不同状态下支板表面温度分布情况的统计结果，表1给出了前缘驻点处的结冰和非结冰条件下的温差统计。从图和表可以看出，非结冰条件表面温度与同边界结冰条件下的壁温差最大为33K，考虑到计算精度和裕度的问题，可以将非结冰条件与结冰条件下防冰部件壁温差值确定为35K。
表1不同状态支板前缘处温差
根据上述计算分析，确定了非结冰条件下防冰系统整机验证的判断准则，可以作为在不具备整机环境结冰试验能力时，整机防冰系统验证工作开展的依据。
2.基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法及应用
通过上述非结冰条件的整机防冰系统判断准则，确定了非结冰条件下整机防冰系统的判断准则，据此可以开展非结冰条件下整机防冰系统验证。
开展非结冰条件下的整机防冰系统验证试验。通过对发动机主要防冰部件开展表面壁温测试，获得低温条件下防冰部件的表面温度分布，根据确定的防冰系统判断准则，判断结冰条件下防冰系统的防冰能力。
2.1测点布置
针对发动机防冰系统结构特点，提出了防冰部件壁温测试要求。针对发动机进口防冰部件进气机匣进行专用测试改装。由于整机试车对测点的数量具有很大限制，因此每个测点的选择必须具有意义，不能随意选择。
整流支板各典型位置处壁面温度的测点，如图2a和2b所示；整流支板壁温测点的选取原则是：由于集气罩内的防冰气沿流动方向存在周向温降，为了获得防冰情况最严峻的支板壁温，在距离防冰进气口最远的四个支板进行壁温测试，若测试结果表明这几个支板防冰效果满足要求，那么其他支板均能满足防冰需求。为了准确的评估整流支板的防冰能力，在整流支板的径向布置了5处温度测点，每处布置前、中、后三处测点，分别表征支板的前缘、中间、尾缘的温度分布情况，即每个支板布置15个壁温测点。
整流帽罩典型位置处壁面温度的测点，如图3所示。在帽罩防冰需求最强烈的位置即前缘驻点处布置Tm00测点；在帽罩螺塞周向中部周向布置两个壁温测点Tm11与Tm12；在帽罩外壁轴向四个布置布置测点，每个位置轴向布置两个，即共八个测点Tm21、Tm22、Tm31、Tm32、Tm41、Tm42、Tm51、Tm52。如此布置测点即可获得帽罩各位置的壁温，进而评估其防冰效果。
2.2测点引线
按照2.1节测点布置要求布置测点，为了获得准确可信的测试数据，需要在部件表面加工楔形引线槽，布置测试引线，由于装配关系需要在某些测点采用电加工工艺。将测点布置进入楔形凹槽后。为了避免主流与测点换热造成壁温测试值偏离真实状态，选择用导热胶进行固定，保证测点测试值的准确性。
3.整机试验验证
测试改装完成后开展了非结冰条件下地面整机防冰系统测试试验，获得了表面壁温的测试数据,如图4a以及图4b所示，按照判断准则(非结冰条件与结冰条件壁温相差35K)可以获得结冰条件下防冰部件的表面壁温，如图5a以及图5b所示。从图5a以及图5b中可以看出，防冰部件壁温低于0℃，支板前缘的防冰能力不能满足防冰需求，存在结冰条件下积冰的可能。开展了相同条件下零部件级防冰效果验证试验，试验表明该状态下防冰部件存在结冰现象，与测试结果一致，说明本申请提出的基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法可以代替整机环境结冰试验。
本申请第一方面以非结冰条件的整机防冰系统验证方法代替整机环境结冰试验，以现有的试验测试手段即可获得可信的整机测试数据，进而评估发动机真实工作状态下防冰系统防冰效果。第二方面考虑了防冰系统上下游部件及整机运行过程中各种整机级因素对防冰效果的影响，获得了更贴近于真实工作状态下的防冰系统测试数据，弥补数据的缺失，形成数据库，为后续防冰系统的仿真提供技术支撑。第三方面无需专用的结冰条件，减少了相应的结冰雾化设备建设及维护，降低了运行成本；同时由于不考虑液态水，解决了低温环境下液态水结冰堵塞喷嘴的问题，大大提高了试验效率。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，其特征在于，包括：
通过整机防冰系统仿真计算获取防冰部件在结冰条件下的第一壁温与非结冰条件下的第二壁温；
获取所述第一壁温与所述第二壁温之间的修正值；
通过非结冰条件下整机防冰系统壁温测试获取防冰部件非结冰条件下的第三壁温，基于所述修正值修正所述第三壁温得到结冰条件下的目标壁温；
其中，非结冰条件的整机防冰系统判断准则：
热气防冰过程实质上是防冰部件热平衡的过程；
结冰条件下：过冷水撞击到发动机部件表面的传热传质过程是固、液、气的多相变热平衡过程，涉及到的各项热量如计算公式1、公式2所示：
Qanti＝Qair+Qevap+Qwater-Qice-Qin+Qout-Qdropin (1)
Qanti＝hin(Tin-Tw) (2)
式中，Tw——为防冰部件外表面的壁温，K；
Tin——为防冰热气与内表面换热总温，K；
hin——为防冰热气与内表面换热系数，W/(K*m2)；
Qanti——防冰系统热气供热热流，W/m2；
Qair——外换热热流，W/m2；
Qevap——水蒸发热热流，W/m2；
Qwater——加热撞击水到壁温所需热流，W/m2；
Qice——冻结在微元表面的结冰相变释放的热流，W/m2；
Qin——从上流微元流入的水膜热流，W/m2；
Qdropin——撞击到该微元水滴的动能转化热流，W/m2；
Qout——从该微元流出的水膜热流，W/m2；
非结冰条件下：防冰过程不涉及到液态，只包含固态和气态的热平衡，因此非结冰条件下的热平衡计算式如公式3、公式4所示：
Qanti＝Qair(3)
Qanti＝hin(Tin-Tw)(4)
通过非结冰条件下防冰部件整机壁温计算结果与结冰条件下的结果进行对比，建立非结冰与结冰条件下防冰部件壁温差值判断准则，判断防冰系统的防冰能力能否满足要求。
2.如权利要求1所述的基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，其特征在于，所述防冰部件为发动机进口的整流帽罩或/和多个整流支板。
3.如权利要求2所述的基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，其特征在于，通过多个整流支板获取所述修正值的方法包括：
获取整流支板同一工况下前缘驻点处、不同弧长处的多个第一壁温以及多个第二壁温，并计算两者多个温差，形成多个第一温差；
获取整流支板不同工况下同一位置处的多个第一壁温以及多个第二壁温，并计算两者多个温差，形成多个第二温差；
获取多个第一温差的最大值以及多个第二温差的最大值，取两者最大值的最大值形成修正值。
4.如权利要求3所述的基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，其特征在于，将所述修正值放大5％～8％。
5.如权利要求2所述的基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，其特征在于，第三壁温通过布置预设多个整流支板上的多个温度测点测量获得，多个测点的布置方法包括:在每个预设整流支板上分为多个不同径向位置，在每个径向位置的前、中、后三处布置温度测点。
6.如权利要求5所述的基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，其特征在于，第三壁温还包括布置在整流帽罩上的多个温度测点测量的壁温，整流帽罩上的多个温度测点分布方式为：前缘驻点处、帽罩螺塞周向位置处以及帽罩外壁轴向位置处分别布置温度测点。
7.如权利要求6所述的基于非结冰条件的整机防冰系统验证方法，其特征在于，整流帽罩上的多个温度测点呈中心对称分布。
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