CN116465632A - 一种涡轴发动机进气系统结冰试验方法和系统 - Google Patents

一种涡轴发动机进气系统结冰试验方法和系统 Download PDF

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罗宿明
单晓明
张晓爽
华继伟
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Abstract

本发明公开了一种涡轴发动机进气系统结冰试验方法和系统，所述结冰试验方法包括：确定涡轴发动机结冰试验点；对涡轴发动机进行试验前性能校准试验；对涡轴发动机进行结冰试验；对涡轴发动机进行试验后性能校准试验。本发明选取的结冰试验点为涡轴发动机在其工作包线内的典型关键结冰试验点，采用本发明进行结冰试验能够充分验证涡轴发动机在结冰条件下的工作能力；验证方法不仅仅适用于涡轴发动机，具有普适性，涡桨、涡扇、涡喷发动机同样可参考使用。

Description

一种涡轴发动机进气系统结冰试验方法和系统
技术领域
本发明属于航空发动机试验技术领域，特别涉及一种涡轴发动机进气系统结冰试验方法和系统。
背景技术
直升机在飞行过程中，不可避免的会遭遇具有结冰气象条件的云层，发动机进气系统(进气道、进气部件、传感器)可能会出现结冰，进而可能造成发动机流道堵塞、传感器失效、压气机叶片损伤、喘振、功率/推力严重损失、熄火等，因此，中国民用航空规章《航空发动机适航规定》(CCAR-33R2)第33.68条明确规定了航空发动机进气系统结冰的最低安全要求，民用航空发动机在取得型号合格证投入市场使用前，必须表明对进气系统结冰条款的符合性。
目前尚无满足航空发动机适航规章要求的涡轴发动机进气系统结冰试验方法。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种涡轴发动机进气系统结冰试验方法，包括以下步骤：
确定涡轴发动机结冰试验点；
对涡轴发动机进行试验前性能校准试验；
对涡轴发动机进行结冰试验；
对涡轴发动机进行试验后性能校准试验。
更进一步地，所述对涡轴发动机进行试验前性能校准试验的具体步骤如下：
起动涡轴发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
上推发动机分别至70％、80％、90％、95％、100％换算转速，每个换算转速条件下稳定3～5min并记录发动机的进气流量Wa、压比PQ以及排气温度T5；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
发动机停车；
如果在相同进气流量Wa条件下，发动机的压比PQ试验值与压比PQ名义值差异在±5％以内，则校准试验通过。
更进一步地，所述对涡轴发动机进行结冰试验的具体步骤如下：
起动发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
调节车台环境温度、压力高度、飞行速度至目标值；
上推发动机至设定的发动机工作状态，稳定3～5min；
车台冰云发生器开始按照设定的连续最大结冰水含量、间断最大结冰水含量和持续时间进行交替喷水，直至试验件上的结冰稳定后车台停止喷水；
缓慢上调车台环境温度至10～20℃，发动机工作状态保持不变，使试验件上的结冰完全溶化；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
发动机停车；
对压气机叶片进行检查；
重复上述步骤，直至完成设定的所有试验点。
更进一步地，所述车台环境温度的上调速率为+2～+4℃/min。
更进一步地，所述对涡轴发动机进行试验后性能校准试验的具体步骤如下：
起动发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
上推发动机分别至70％、80％、90％、95％、100％换算转速，每个换算转速条件下稳定3～5min并记录发动机的进气流量Wa、压比PQ以及排气温度T5；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
发动机停车；
基于结冰试验前后的校准数据，建立发动机性能模型，将结冰试验前后发动机性能进行比较，如果在相同换算转速下发动机功率下降不超过1.5％且结冰试验后压气机叶片没有损伤或损伤在设定要求内，则发动机进气系统结冰试验通过。
更进一步地，所述结冰试验点的参数包括环境温度、压力高度、飞行速度、连续最大结冰水含量、连续最大结冰持续时间、间断最大结冰水含量、间断最大结冰持续时间、平均水滴直径和发动机工作状态。
更进一步地，所述环境温度包括最低环境温度；
所述最低环境温度取值范围为-20～-40℃。
更进一步地，所述压力高度包括典型巡航高度和最大飞行高度；
所述典型巡航高度取值范围为1000～2000m；
所述最大飞行高度取值范围为5000～6700m；
所述飞行速度包括典型巡航速度和最大飞行速度；
所述典型巡航速度取值范围为100～150km/h；
所述最大飞行速度取值范围为250～300km/h。
更进一步地，所述连续最大结冰水含量包括第一连续最大结冰水含量、第二连续最大结冰水含量和第四连续最大结冰水含量；
所述第一连续最大结冰水含量的取值范围为0.6～0.8g/m3；
所述第二连续最大结冰水含量的取值范围为0.4～0.6g/m3；
所述第四连续最大结冰水含量的取值范围为0.3～0.8g/m3；
所述间断最大结冰水含量包括第一间断最大结冰水含量、第二间断最大结冰水含量和第三间断最大结冰水含量；
所述第一间断最大结冰水含量的取值范围为2.3～3.0g/m3；
所述第二间断最大结冰水含量的取值范围为1.5～2.3g/m3；
所述第三间断最大结冰水含量的取值范围为0.5～1.5g/m3。
本发明还公开了一种涡轴发动机进气系统结冰试验系统，包括：
确定单元，用于确定涡轴发动机结冰试验点；
试验前校准单元，用于对涡轴发动机进行试验前性能校准试验；
试验单元，用于对涡轴发动机进行结冰试验；
试验后校准单元，用于对涡轴发动机进行试验后性能校准试验。
与现有技术相比，本发明的实施例至少具有以下优点：
1)选取的结冰试验点为涡轴发动机在其工作包线内的典型关键结冰试验点，采用本发明进行结冰试验能够充分验证涡轴发动机在结冰条件下的工作能力；
2)验证方法不仅仅适用于涡轴发动机，具有普适性，涡桨、涡扇、涡喷发动机同样可参考使用；
3)首次提出满足航空发动机适航规章要求的涡轴发动机进气系统结冰试验方法。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的核心机构型结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的典型直升机进气道构型示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
鉴于现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种满足航空发动机适航规章要求的涡轴发动机进气系统结冰试验方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
(1)试验前准备
1)试验发动机构型
图1示出了根据本发明实施例的核心机构型结构示意图。如图1所示，试验发动机采用核心机构型，即不带动力涡轮及排气框架。
2)典型直升机进气道
图2示出了根据本发明实施例的典型直升机进气道构型示意图。如图2所示，本结冰试验需要带典型直升机进气道一起试验，以模拟发动机装机后真实的结冰条件。
3)确定涡轴发动机结冰试验点
结冰试验前需要通过结冰关键点分析确定结冰试验点，结冰试验点包括试验点1、试验点2、试验点3、试验点4、试验点5和试验点6，典型结冰试验点见表1。
在一些实施例中，结冰试验点的参数包括环境温度、压力高度、飞行速度、连续最大结冰水含量、连续最大结冰持续时间、间断最大结冰水含量、间断最大结冰持续时间、平均水滴直径和发动机工作状态。
在一些实施例中，环境温度包括最低环境温度；
所述最低环境温度Tmin取值范围为-20～-40℃。
在一些实施例中，压力高度包括典型巡航高度和最大飞行高度；
所述典型巡航高度Hc取值范围为1000～2000m；
所述最大飞行高度Hmax取值范围为5000～6700m；
所述飞行速度包括典型巡航速度和最大飞行速度；
所述典型巡航速度Vc取值范围为100～150km/h；
所述最大飞行速度Vmax取值范围为250～300km/h。
在一些实施例中，连续最大结冰水含量包括第一连续最大结冰水含量、第二连续最大结冰水含量、第三连续最大结冰水含量和第四连续最大结冰水含量；
所述第一连续最大结冰水含量A1的取值范围为0.6～0.8g/m3；
所述第二连续最大结冰水含量A2的取值范围为0.4～0.6g/m3；
第三连续最大结冰水含量A3的取值范围为0.2～0.4g/m3；
所述第四连续最大结冰水含量A4的取值范围为0.3～0.8g/m3。
在一些实施例中，间断最大结冰水含量包括第一间断最大结冰水含量、第二间断最大结冰水含量和第三间断最大结冰水含量；
所述第一间断最大结冰水含量B1的取值范围为2.3～3.0g/m3；
所述第二间断最大结冰水含量B2的取值范围为1.5～2.3g/m3；
所述第三间断最大结冰水含量B3的取值范围为0.5～1.5g/m3。
在一些实施例中，平均水滴直径D取值范围为15～30μm。
表1典型结冰试验点
(2)对涡轴发动机进行试验前性能校准试验
起动涡轴发动机至地面慢车状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)；上推发动机分别至70％、80％、90％、95％、100％换算转速，每个换算转速条件下稳定3～5min(优选的，稳定5min)并记录发动机工作参数(如进气流量Wa、压比PQ以及排气温度T5等)；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)；
发动机停车；
检查核心机进气流量Wa和压比PQ的关系，如果在相同进气流量Wa条件下，发动机的压比PQ试验值与压比PQ名义值差异在±5％以内，则校准试验通过。
通过上述试验前性能校准试验可以用来检查试验发动机是否满足性能指标要求，如果不满足，则不能用于试验。
(3)对涡轴发动机进行结冰试验
起动发动机至地面慢车状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)；
调节车台环境条件(环境温度、压力高度、飞行速度)至表1中规定的目标值；
上推发动机至表1中规定的发动机工作状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)(试验点5和试验点6则无需此步骤)；
车台冰云发生器开始按照表1中规定的连续最大结冰水含量、间断最大结冰水含量和持续时间进行交替喷水(试验点5和试验点6则只需按照连续最大结冰水含量喷水，无需交替喷水)，直至试验件上的结冰稳定后车台停止喷水；
缓慢上调车台环境温度至10～20℃(优选的，上调至15℃)，发动机工作状态保持不变，使试验件上的结冰完全溶化；其中，车台环境温度的上调速率为+2～+4℃/min(优选的，上调速率为+3℃/min)。模拟真实条件下飞机下降高度所导致的环境温度升高速率。
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)；
发动机停车；
对压气机叶片进行检查；
重复上述步骤，直至完成表1中规定的所有试验点。
表1中结冰试验点为发动机在其工作包线内的典型关键结冰试验点，此结冰试验能够充分验证发动机在结冰条件下的工作能力。
(4)对涡轴发动机进行试验后性能校准试验
起动发动机至地面慢车状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)；
上推发动机分别至70％、80％、90％、95％、100％换算转速，每个换算转速条件下稳定3～5min(优选的，稳定5min)并记录发动机参数(如进气流量Wa、压比PQ以及排气温度T5等)；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)；
发动机停车；
基于结冰试验前后的校准数据，建立发动机性能模型(建立发动机性能模型的方法在本领域是公知，不再详细说明)，将结冰试验前后发动机性能进行比较，如果在相同换算转速下发动机功率下降不超过1.5％且结冰试验后压气机叶片无不可接受的损伤(即叶片上无工程可见裂纹，示例性的，裂纹长度不大于0.75mm)，则发动机进气系统结冰试验通过。
虽然上文以70％、80％、90％、95％、100％换算转速为例进行了示例性说明，然而本发明并不限于此，其能够采用多种不同组合的换算转速，比如75％、86％、92％、96％、100％或者70％、75％、85％、95％、100％等。本领域技术人员可以根据本发明的校验原理以及实际应用情况综合考量，只要能实现本发明的原理即可。
在一些实施例中，试验时发动机控制器设置为开环控制模式，以便控制核心机在不同的转速下工作。
在一些实施例中，试验时发动机无需进行持续的机械功率提取。可以让发动机进气机匣表面温度更低，对结冰的融化效果更小，试验条件更加苛刻。
基于上述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，本实施例提出一种涡轴发动机进气系统结冰试验系统，包括：
确定单元，用于确定涡轴发动机结冰试验点；
试验前校准单元，用于对涡轴发动机进行试验前性能校准试验；
试验单元，用于对涡轴发动机进行结冰试验；
试验后校准单元，用于对涡轴发动机进行试验后性能校准试验。
试验前校准单元，还用于：
起动涡轴发动机至地面慢车状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)；
上推发动机分别至70％、80％、90％、95％、100％换算转速，每个换算转速条件下稳定3～5min(优选的，稳定5min)并记录发动机的进气流量Wa、压比PQ以及排气温度T5；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min(优选的，稳定3min)；
发动机停车；
如果在相同进气流量Wa条件下，发动机的压比PQ试验值与压比PQ名义值差异在±5％以内，则校准试验通过。
本发明中提出的一种涡轴发动机进气系统结冰试验方法和系统，首次提出满足航空发动机适航规章要求的涡轴发动机进气系统结冰试验方法。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定涡轴发动机结冰试验点；
对涡轴发动机进行试验前性能校准试验；
对涡轴发动机进行结冰试验；
对涡轴发动机进行试验后性能校准试验。
2.根据权利要求1所述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，所述对涡轴发动机进行试验前性能校准试验的具体步骤如下：
起动涡轴发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
上推发动机分别至70％、80％、90％、95％、100％换算转速，每个换算转速条件下稳定3～5min并记录发动机的进气流量Wa、压比PQ以及排气温度T5；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
发动机停车；
如果在相同进气流量Wa条件下，发动机的压比PQ试验值与压比PQ名义值差异在±5％以内，则校准试验通过。
3.根据权利要求1所述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，所述对涡轴发动机进行结冰试验的具体步骤如下：
起动发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
调节车台环境温度、压力高度、飞行速度至目标值；
上推发动机至设定的发动机工作状态，稳定3～5min；
车台冰云发生器开始按照设定的连续最大结冰水含量、间断最大结冰水含量和持续时间进行交替喷水，直至试验件上的结冰稳定后车台停止喷水；
缓慢上调车台环境温度至10～20℃，发动机工作状态保持不变，使试验件上的结冰完全溶化；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
发动机停车；
对压气机叶片进行检查；
重复上述步骤，直至完成设定的所有试验点。
4.根据权利要求3所述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，所述车台环境温度的上调速率为+2～+4℃/min。
5.根据权利要求1所述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，所述对涡轴发动机进行试验后性能校准试验的具体步骤如下：
起动发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
上推发动机分别至70％、80％、90％、95％、100％换算转速，每个换算转速条件下稳定3～5min并记录发动机的进气流量Wa、压比PQ以及排气温度T5；
下拉发动机至地面慢车状态，稳定3～5min；
发动机停车；
基于结冰试验前后的校准数据，建立发动机性能模型，将结冰试验前后发动机性能进行比较，如果在相同换算转速下发动机功率下降不超过1.5％且结冰试验后压气机叶片没有损伤或损伤在设定要求内，则发动机进气系统结冰试验通过。
6.根据权利要求1所述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，所述结冰试验点的参数包括环境温度、压力高度、飞行速度、连续最大结冰水含量、连续最大结冰持续时间、间断最大结冰水含量、间断最大结冰持续时间、平均水滴直径和发动机工作状态。
7.根据权利要求6所述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，所述环境温度包括最低环境温度；
所述最低环境温度取值范围为-20～-40℃。
8.根据权利要求6所述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，
所述压力高度包括典型巡航高度和最大飞行高度；
所述典型巡航高度取值范围为1000～2000m；
所述最大飞行高度取值范围为5000～6700m；
所述飞行速度包括典型巡航速度和最大飞行速度；
所述典型巡航速度取值范围为100～150km/h；
所述最大飞行速度取值范围为250～300km/h。
9.根据权利要求6所述的涡轴发动机进气系统结冰试验方法，其特征在于，
所述连续最大结冰水含量包括第一连续最大结冰水含量、第二连续最大结冰水含量和第四连续最大结冰水含量；
所述第一连续最大结冰水含量的取值范围为0.6～0.8g/m3；
所述第二连续最大结冰水含量的取值范围为0.4～0.6g/m3；
所述第四连续最大结冰水含量的取值范围为0.3～0.8g/m3；
所述间断最大结冰水含量包括第一间断最大结冰水含量、第二间断最大结冰水含量和第三间断最大结冰水含量；
所述第一间断最大结冰水含量的取值范围为2.3～3.0g/m3；
所述第二间断最大结冰水含量的取值范围为1.5～2.3g/m3；
所述第三间断最大结冰水含量的取值范围为0.5～1.5g/m3。
10.一种涡轴发动机进气系统结冰试验系统，其特征在于，包括：
确定单元，用于确定涡轴发动机结冰试验点；
试验前校准单元，用于对涡轴发动机进行试验前性能校准试验；
试验单元，用于对涡轴发动机进行结冰试验；
试验后校准单元，用于对涡轴发动机进行试验后性能校准试验。
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