新研民用涡轴发动机结冰适航试验

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31388

Abstract

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

CLC Number:

V231.3

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Figures/Tables 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

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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