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摘要：飛機在降雨天氣條件下飛行時或穿過高含水量的云層過程中，不可避免地存在吞入液態水。因此必須保證航空發動機吞入液態水仍能安全工作。民用和軍用航空發動機均會開展吞水試驗，但對于其具體實施方案的研究較少。文章根據某型航空發動機研制情況，提出一種經濟性、可靠性較高試驗方案，并順利完成吞水試驗，對于后續該類試驗開展具有一定的借鑒意義。
關鍵詞：航空發動機；吞水試驗；方案設計
航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，為飛行器提供所需動力。為保證航空發動機的可靠性，其在投入使用前均需要進行大量的試驗研究。發動機吸入大量雨水會引起壓氣機機匣急劇冷卻，有可能使發動機機匣局部受冷收縮，引起機匣和葉片之間的間隙減小，產生摩擦損壞可能降低發動機的不穩定工作裕度并引起發動機喘振失速，甚至是熄火停車。為保證發動機使用安全性，航空發動機吞水試驗在民用和軍用發動機均會開展[1-3]。航空發動機吞水試驗是測試發動機吞咽能力的重要試驗，主要是衡量發動機在淋雨條件下正常工作的能力，能較好地反映發動機的環境適應性。根據以往的發動機吞水試驗開展情況來看，吞水試驗的吞水量取發動機空氣流量的2%~5%，水滴直徑不大于2mm；為防止發動機熱部件積垢，試驗用水主要為軟化水和蒸餾水；試驗場地則一般在露天試驗臺或機場停機坪上開展[4-7]。本文根據航空發動機研制情況，提出某型航空發動機臺架吞水試驗方案，并對發動機試車臺架進行適應性改造，確保了航空發動機吞水試驗的順利實施。
1吞水試驗臺架總體布局方案
發動機吞水試驗一般在露天試驗臺或機場停機坪上開展，這種試驗方式對試驗平臺的特殊需求耗費大量的協調成本影響試驗任務，試驗過程中試驗平臺與發動機匹配性也是很重要的制約因素。本項目基于時間和經費考慮選擇室內臺架開展試驗工作。室內臺架為發動機日常試車常用臺架，不存在與發動機匹配性問題。測點參數為保證發動機安全性常用參數，足以監控發動機在吞水過程的工作狀況，僅需對臺架進行較小的適應性改造，就可滿足試驗目的，可以極大地減少時間和經濟性成本。根據試車臺架的特點形成吞水試驗整體方案，如圖1所示。整體思路如下：（1）在升降平臺上安裝固定噴水裝置，并通過焊接將噴水裝置固定在升降平臺上。發動機噴出的水一部分通過引射塔排入大氣，一部分水在引射塔回流后通過集水裝置回收。（2）為盡量避免升降平臺對氣流的影響，試驗過程中升降平臺需下降；經計算升降平臺位于地面與升降平臺3m高時流線分布情況和進氣總壓分布情況相近，故將升降平臺下降至離地3m。計算情況如圖2和圖3所示。
2吞水裝置
根據GJB241—1987《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》的要求，發動機進行地面吞水試驗時，水滴直徑不大于2mm，噴水量分別為占空氣總質量流量的2%、3.5%和5%，進水分布要求有50%的水進入1/3扇形進口面積[8]。將進水面設計在發動機進氣道的進口直徑范圍內，噴水裝置如圖4所示。為滿足水滴直徑不大于2mm，本試驗選擇成品噴嘴，經試驗標定測量，當噴水壓力為（0.2~0.6）MPa時，粒徑均小于2mm。由于單個噴嘴的流量調節范圍有限，試驗水滴流量和分布需要主要通過調整噴嘴數量滿足，噴嘴陣列方案見表1。進水分布要求有50%的水進入1/3扇形進口面積則主要通過噴嘴的截面布局進行保證，即采用1/3扇形噴嘴與其他部分使用相同數量的噴嘴保證，發動機慢車截面布局如圖5、圖6、圖7所示。
3試車程序設計
根據國軍標要求，需進行慢車和起飛的吞水試驗，噴水量分別為占空氣總質量流量的2%、3.5%和5%。由于本次試驗過程中，噴水裝置不能進行連續性的水量調節，僅能通過改變噴嘴數量調節，因此吞水試驗程序只能分段開展，具體試驗過程如下。（1）吞水試驗錄取發動機性能在安裝吞水試驗裝置前，錄取發動機性能參數。安裝吞水試驗裝置后再次錄取發動機性能以確定安裝噴水裝置對發動機性能的影響。（2）吞水試驗程序起動發動機，慢車狀態工作2min，0.7額定狀態工作2min，起飛狀態工作4min，在慢車狀態工作4min后停車，錄取慢車和起飛狀態性能參數。起動發動機，慢車狀態工作2min，0.7額定狀態工作2min，推油門到起飛，發動機達到起飛轉速后進行吞水試驗，工作5min，在慢車狀態工作2min后停車。起動發動機，慢車狀態工作2min后，在慢車狀態進行吞水試驗，5min后停止吞水，并繼續在慢車狀態工作4min后停車。重復上述起飛和慢車吞水試驗各3次，依次噴水2%、3.5%、5%。吞水試驗試車曲線如圖8、圖9所示。（3）吞水試驗后錄取發動機性能發動機完成吞水試驗后，再次錄取發動機性能，用以確定吞水對發動機的影響情況。試驗過程中未開展發動機加減速的吞水驗證，這主要是由于加減速要求吞水試驗設備與發動機加速過程匹配，目前國內針對這一試驗過程中主要試驗有兩種方法。（1）在發動機加減速過程中，吞水設備以慢車流量穩定供水。（2）在發動機轉速以階梯形式完成加速過程中，吞水設備以發動機“梯步”過程中進氣狀態進行吞水試驗，實質還是一種穩態供水狀態。綜上，國內大量的發動機未開展加減速過程吞水，且由于吞水設備控制系統原因，現有的試驗方案也無法模擬國軍標規定的加減速吞水過程，因此在試驗過程中未開展發動機加減速吞水試驗。
4試驗風險控制
（1）發動機吸入大量雨水會引起壓氣機機匣急劇冷卻，有可能使發動機機匣局部受冷收縮，引起機匣和葉片之間的間隙減小，產生摩擦損壞；水會改變發動機工作介質，影響發動機部件之間的工作匹配性，可能降低發動機的不穩定工作裕度并引起發動機喘振失速，甚至是熄火停車。因此制定了發動機試車風險防控措施，加強發動機試車過程中的試車參數監控，噴水裝置設置了緊急斷水系統，發動機設計了緊急停車程序，以防止意外發生。（2）由于本次試驗為吞咽試驗，吞入異物打傷發動機的風險較大，針對該問題，制定了發動機臺架和噴水裝置等各方面檢查措施。
5吞水試驗結果
根據GJB241—1987《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》的要求，發動機吞水后，發動機保持了足夠的間隙，在試驗過程中未發生損傷或有害擦傷，性能未惡化，并且沒有造成失速、喘振、發動機主燃燒室熄火，燃氣流路中的零件也未受到損傷，則認為試驗通過[7]。圖10為某型發動機實施吞水試驗時，水進入發動機進氣道的截面現場圖，由圖可見水柱受氣流影響，開始收縮，水量分布符合方案設計要求。試驗時大氣壓力（95.9～96.0）kPa，大氣溫度（23.9～24.0）℃。試驗結果見表2。試驗后對發動機進行了檢查，發動機結構無異常損傷。吞水試驗完成后，重新對發動機錄取性能，發動機檢試性能試驗前后無衰減。試驗結果顯示發動機具有良好的吞水能力，能夠保證在雨天或穿過高含水量云層的使用安全。同時試驗結果也證明了航空發動機臺架吞水試驗方案的安全性、可靠性及易實施性。
6結論
（1）本次試驗利用已有的室內臺架，通過對臺架進行試驗性改造，避免了新建或改造室外平臺，降低了試驗的經濟成本和時間成本。（2）本次試驗通過在臺架上安裝噴水裝置，以及采用噴水裝置與試車程序相匹配的方式進行整體方案設計，極大地降低了臺架改裝和噴水裝置研制的技術難度。（3）試驗結果顯示，本試驗方案合理可行，能夠滿足發動機試驗驗證要求，摸清了某型發動機吞水能力為發動機后續技術保障提供了理論依據。
作者：唐通 孔雅嬋 蔣全維 衛仁杰 楊懷孝 單位：中國航發成都發動機有限公司
