新研民用涡轴发动机结冰适航试验

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31388

流体力学与飞行力学

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新研民用涡轴发动机结冰适航试验

李概奇¹, 田骏丹¹, 吴晶峰², 赵尊盛¹(), 杨洋¹, 刘梦妮¹

^1.中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002
^2.中国民用航空适航审定中心，北京 100102

收稿日期:2024-10-12 修回日期:2024-10-31 接受日期:2024-12-09 出版日期:2024-12-24 发布日期:2024-12-23
通讯作者: 赵尊盛 E-mail:360653943@qq.com
基金资助:
民用涡轴发动机型号研制项目

Icing airworthiness test on a newly developed civil turbo-shaft engine

Gaiqi LI¹, Jundan TIAN¹, Jingfeng WU², Zunsheng ZHAO¹(), Yang YANG¹, Mengni LIU¹

^1.AECC Hunan Aviation Power-plant Research Institute，Zhuzhou 412002，China
^2.Civil Aviation Airworthiness Certification Center of China，Beijing 100102，China

Received:2024-10-12 Revised:2024-10-31 Accepted:2024-12-09 Online:2024-12-24 Published:2024-12-23
Contact: Zunsheng ZHAO E-mail:360653943@qq.com
Supported by:
Civil Turbo-shaft Engine Development Project

摘要/Abstract

摘要：

以中国新研民用涡轴发动机为验证平台，自主开展了结冰适航试验研究。攻克了结冰喷雾系统研制、云雾场模拟等技术难题，利用新建的结冰试车台，完成了结冰包线工况点的结冰试验，揭示了进气系统结冰形成机理，获得了发动机进气系统结冰形貌，分析了飞行环境条件对结冰形貌的影响，总结了进气系统总压损失、压气机效率、燃气涡轮出口温度等参数变化的规律。试验结果表明：发动机结冰主要出现在进气网罩，结冰类型主要表现为明冰和霜冰；结冰形貌多样，霜冰覆盖范围较大，最大结冰厚度可达260 mm，出现在温度-10 ℃、高度1.2 km、风速280 km/h结冰工况点。进气系统结冰对发动机性能有较大影响，在温度-30 ℃、高度6 km、风速280 km/h结冰条件下，发动机结冰造成的进气总压损失系数高达13.3%，压气机效率值下降10.4%，燃气涡轮出口的燃气温度升高41 ℃，功率损失达15.8%。结冰试验全过程中发动机未出现喘振、熄火等异常现象，充分验证了该发动机在恶劣结冰气象条件下稳定可靠的工作能力。

关键词: 涡轴发动机, 结冰关键点, 云雾参数, 适航试验, 发动机性能

Abstract:

In this paper， the icing airworthiness test is conducted independently. A newly developed civil turbo-shaft engine is taken as the verification platform. The technical problems such as development of icing spray system and simulation of cloud spray flowfield are solved. Icing tests in icing envelope conditions are completed by using the newly constructed icing test bench. The ice formation mechanism of the intake system is revealed. The ice morphology of the engine intake system is obtained， and the impact of the flight environment on ice morphology is analyzed. The changing rules of total pressure loss， compressor efficiency， gas turbine outlet temperature and other parameters are summarized. The test results show that icing mainly occurs in the intake mesh cover of the engine， and the icing type is mainly manifested as glaze ice and rime ice. There are various forms of ice morphology， and the rime ice covers a large area， with the maximum icing thickness up to 260 mm appearing at temperature -10 ℃， altitude 1.2 km， and velocity 280 km/h. Icing has a significant impact on engine performance. Due to icing， the total intake pressure loss coefficient of the engine reaches up to 13.3％， the compressor efficiency value decreases by up to 10.4%， the gas temperature at gas turbine outlet increases by 41 ℃ and the engine power decreases by 15.8％ at temperature -30 ℃， altitude 6 km， and velocity 280 km/h. During the icing test， the engine does not show any abnormal phenomena such as stalling or flame-out， which fully verifies the stability and reliability of the engine under adverse icing conditions.

Key words: turbo-shaft engine, ice critical point, cloud spray parameter, airworthiness test, engine performance

中图分类号:

V231.3

李概奇, 田骏丹, 吴晶峰, 赵尊盛, 杨洋, 刘梦妮. 新研民用涡轴发动机结冰适航试验[J]. 航空学报, 2025, 46(12): 131388.

Gaiqi LI, Jundan TIAN, Jingfeng WU, Zunsheng ZHAO, Yang YANG, Mengni LIU. Icing airworthiness test on a newly developed civil turbo-shaft engine[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(12): 131388.

图/表 38

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测试参数	控制精度	设备测量精度
MVD	>30 µm时不超过±10%； <30 µm时不超过±2 µm	±1 μm
LWC	>1.0 g/m³时不超过±20% <1.0 g/m³时不超过±0.25 g/m³	±10%
云雾均匀性	≤±20%	±0.01 mm（栅格结冰厚度）
气流速度/ （m·s^-1）	2	±0.1
温度T/℃	±1	±0.1

工况点	T/℃	高度/km	速度/（km·h^-1）	MVD/μm	LWC/（g·m^-3）	喷雾时间/min	发动机功率状态	相对换算转速
1	-1	0	40	20	0.6	30	地面慢车	0.772
2	-4	0	40	20	0.6	30	地面慢车	0.776
3	-9	0	40	20	0.6	30	地面慢车	0.783
4	-20	0	40	20	0.3	30	地面慢车	0.800
5	-30	0	40	20	0.2	30	地面慢车	0.816
6	-5	0	40	30	0.6	30，结冰稳定	起飞	1.004
7	-5	1.2	280	30	0.6/2.4	30，结冰稳定	最大连续	0.977
8	-5	1.2	150	31	0.6/2.4	30，结冰稳定	50%连续	0.908
9	-5	1.2	150	31	0.6/2.4	30，结冰稳定	最大连续	0.984
10	-5	1.2	150	31	0.6/2.4	30，结冰稳定	起飞	1.011
11	-10	1.2	280	30	0.5/2.2	30，结冰稳定	最大连续	0.978
12	-20	2.7	280	23	0.3/1.7	30，结冰稳定	最大连续	0.992
13	-30	4.2	280	29	0.2/1.0	30，结冰稳定	最大连续	1.007
14	-5	4.0	280	29	0.6/2.4	30，结冰稳定后升温融冰	最大连续	0.993
15	-20	6.0	280	23	0.3/1.7	30，结冰稳定	最大连续	1.013
16	-30	6.0	280	29	0.2/1.0	30，结冰稳定后升温融冰	最大连续	1.017
17	-5	0	280	30	2.0	10，结冰稳定	最大连续	0.969
18	-20	0	280	20	1.0	10，结冰稳定	最大连续	0.972

工况点	T/℃	速度/ （km·h^-1）	高度/ km	冰型特征	结冰厚度/mm
6	-5	40	0	明冰，均匀覆盖	~10
10	-5	150	1.2	明冰，多层环状	~160
7	-5	280	1.2	明冰，厚环状，下部完全脱落	~200
11	-10	280	1.2	混合冰，厚环状，下部局部脱落	~260

工况点	T/℃	LWC/ （g·m^-3）	速度/ （km·h^-1）	结冰特征	结冰厚度/mm
1	-1	0.6	40	薄明冰，全覆盖	~8
3	-9	0.6	40	混合冰，全覆盖	~60
4	-20	0.3	40	厚霜冰，全覆盖	~120
5	-30	0.2	40	疏松霜冰，全覆盖	~155

工况点	T/℃	速度/（km·h^-1）	高度/km	发动机功率状态	结冰特征	结冰厚度/mm
8	-5	150	1.2	50%连续	环状明冰	~120
10	-5	150	1.2	起飞	环状明冰	~160

新研民用涡轴发动机结冰适航试验

Icing airworthiness test on a newly developed civil turbo-shaft engine

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工况点	喷雾时刻	总压损失系数/%	压气机效率值下降/%	燃气温度上升/℃	功率损失/kW	耗油率增加/%
7（典型明冰）	1 min	2.0	1.9	1.2	30（3.5%）	2.3
	开防冰时	3.3	2.1	9	43（5.0%）	4.0
	10 min	5.5	4.8	18	66（7.7%）	4.8
16（典型霜冰）	1 min	0.2	1.3	2	7（1.3%）	0.2
	开防冰时	2.8	1.6	27	21（3.9%）	2.4
	10 min	13.3	10.4	41	85（15.8%）	10.5

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