航空发动机吞水试验方法研究

李长晖

摘要：飞机在飞行中由于气象条件的变化，导致发动机进口可能吸入大量的雨水，这将会改变发动机的工作状态，可能造成发动机熄火、喘振、机械损坏，甚至严重的推力损失。为了模拟吞水对发动机性能和稳定性的影响，开展航空发动机吞水试验技术研究，本文梳理了航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范、航空发动机适航标准的相关要求，分析了不同类型飞机的使用条件，明确了不同用途的发动机吞水试验依据标准和方法。

关键词：航空发动机;吞水;试验方法

前言

空中13km以下大气环境条件下，存在着体积不同、含水量不等的各种云层，当飞机穿越云层或在云层中做较长时间飞行时，发动机会吸入含有液态水的空气。如果遇到的是正在下雨的云层，則不但吸入的液态水量大，且液态水会呈不均匀分布地进入发动机。暴雨天时，飞机起飞、着陆通过跑道上的积水以及飞机头部轮子溅起的水，都可能被吸入发动机。过量液态水的吞入，会对发动机工作特性产生影响。如果液态水量较大，会使燃油气化困难，燃油气化物不易点燃，严重时有可能使燃烧室熄火。此外，不均匀地吸入液态水又会引起机匣的变化，进而导致叶片间隙发生变化，可能会使部件效率下降发动机性能水平降低，或由于间隙过小导致叶尖磨损，将对发动机工作可靠性产生不良影响。因此，有必要在飞行前，对发动机吞水能力进行充分的考核验证，保证发动机使用安全。

本文对国外成熟发动机的吞水试验方法进行了研究，梳理了目前国内常用的吞水试验相关考核试验标准，针对不同用途的飞机发动机，分析了相关的试验方法，为后续航空发动机吞水试验提供支撑和借鉴。

1.国外发动机吞水试验介绍

1.1 PW4000发动机

PW公司研发的PW4000发动机吞水试验，是在地面试验台上采用两个独立控制的喷水系统，其中一个系统安装在靠发动机中心线位置（见图1）向内涵喷水。该系统共有两个喷嘴，一个喷嘴用于慢车状态状态下喷水，另一个喷嘴在起飞状态下喷水;第二个系统沿风扇外涵风扇前方布置，共8个喷嘴，其中4个在慢车状态时喷水，在起飞状态时8个喷嘴同时喷水。试验时在慢车和起飞状态各运行了3min，供水设备比较简单，可用水箱储水，也可用泵连续供水，供水系统包括阀门、过滤器和流量计等，使用软化水或蒸馏水以避免发动机热部件积垢[1]。

1.2 BR710发动机

根据适航要求，BR710发动机吞水试验必须在最大起飞推力和进场慢车状态下进行。该试验在地面试验台上进行，通过1个装在发动机前面的多喷嘴喷射栅格向发动机喷射适当形式和数量的水来实现。

在进行最大起飞推力吞水试验期间，发动机加速到最大状态，稳定2min，接着吞水3min，然后再减速到低速慢车。在试验中，发动机吞水量为7297g/h（27619L/h），大约占发动机空气流量的4.5%;发动机推力损失为530lb（3.8%），监视器检查和常规检查都没有发现问题。油样分析表明：含水量与试验前采样相比有轻微变化;最大起飞推力在吞水试验前和试验后没有明显恶化。

在进场慢车状态吞水试验期间，发动机工作在慢车推力状态，模拟吞水3min，然后加速到部分推力（5%以上的放气阀关闭），在230.17lb/in2压力下，吞水量保持在20039g/h（75848L/h）;当监测到1个稳定的N2信号时，从部分推力减速到慢车，随后停止喷水，监视器检查没有发现问题。油样分析表明：含水量同试验前的相比偏高，但仍在可接受的限制值内;发动机性能在吞水试验前和试验后没有明显恶化。目视和光学检查仪检查发现，少量和大量吞水试验都没有发现发动机有任何的损坏和腐蚀。

1.3 CFM56发动机

CFM56发动机吞水试验是按适航的要求进行的，满意的指标为：在慢车、起飞运转，增加和减少水量至少4%发动机空气流量;试验后无持续的推力损失，并且发动机不需要停车。试验首先在发动机试验前校准喷水器;同时进行取证及工程试验;慢车试验包括最小慢车及空中慢车;经常按手册起动至慢车;录取试验前的发动机性能作为基本性能。

试验设备要求均匀、宽范围水量喷水器10至400 gpm以上;蒸馏水可控制水滴大小的内部混合雾化喷嘴。

稳态：正常起动及暖机;发动机加速到试验点，稳定3min后读取数据;启动喷水装置-所有喷水枪覆盖进气道时进行;系统稳定运转3min后读取数据;在达到规定的时间后，关闭喷水装置，稳定后读取数据。

瞬态：正常起动及暖机;发动机加速到起飞点，稳定3min后读取数据;启动喷水装置（4% T.O.）-使系统稳定;1min内减速到进场慢车，稳定运转3min后读取数据;1min内加速到起飞点，稳定运转5min后读取数据;关闭喷水装置。

需要注意的是，CFM56发动机虽然满足了适航的要求，通过FAA的审定，但是装机后出现多起吞入雨水造成发动机空中停车丧失推力的故障，CFM公司针对此种情况仍然对发动机进行了改进，提高核心机的排水能力，改进后的发动机装在飞行台上又进行了喷水试验。改进措施还被用于GE90和V2500发动机上。

2.目前我国吞水试验相关标准

2.1 航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范

试验发动机按GJB 4877-2003规定进行吞入大气中液态水试验。当发动机以最大推力状态工作时，把占总空气总质量流量2.0 %、3.5 %和5.0 %的水（液态和气态）引进发动机进口，其中有50 %的液态水进入1/3的进口扇形面积。发动机在上述每一条件下工作5 min后，再在慢车状态重复上述程序。在试验中，注意和记录吞入水对发动机性能的影响，试验结束时将发动机停车，并冷却到环境温度，然后再进行试验后的性能检查。性能检验后，将发动机完全分解、检验。如发动机保持了适当的间隙、在试验中未发生损伤或有害擦伤、性能未恶化、燃气流路中的零件未受到损伤，则认为满意地完成了验证3.8.6.5的要求。

2.2 航空发动机适航标准

每型发动机必须证明当其突然遭遇浓度达到规定的审查标准的雨和冰雹时，在其整个规定的工作包线范围内仍有可接受的工作能力。发动机可接受的工作能力是指在任何连续3分钟的降雨周期内，和任何连续30秒的降冰雹周期内，发动机不熄火、不降转、不发生持续或不可恢复的喘振或失速、或不失去加速和减速的能力。还必须证明吸入之后没有不可接受的机械损坏，不可接受的推力损失或其他不利的发动机异常情况。

3.吞水试验方法

不同类型的航空发动机吞水试验考核方面有较大的区别，主要与飞机的用途有关。

3.1 军机发动机

军机包含了歼击机、轰炸机、歼击轰炸机、强击机反潜巡逻机等多种机型，多数机型均具有速度快、机动性好的特点，与民机相比，军机常采用大攻角飞行，变换各种飞行姿态，进气条件不稳定。

在吞入雨水时，由于进气条件不稳定，同时进气道较长，雨水可能会在进气道下部聚集，因此在考核时，尽可能模拟出真实的使用环境，通常采用国军标规定的考核方法，在发动机进口下部的扇形区域加严雨水吸入量的考核。

3.2 民机发动机

民用飞机首要满足安全性的使用需求，机动性一般，飞行过程中无大攻角飞行。目前国际上的民机发动机多为大涵道比发动机，与军机发动机相比，大涵道比发动机进气道相对较短，进气条件相对稳定，雨水不会在进气道下部聚集，因此在考核时，通常采用适航标准规定的考核方法，按照均匀进水的方法进行考核。

结束语

航空发动机配装飞机在使用过程中可能吸入大量的雨水，对发动机的正常使用和飞行安全带来一定的影响。在发动机研制期间，应根据飞机不同的用途，依据相应的标准，对发动机进行相应的吞水考核，保证飞行安全。

参考文献

[1] 马庆祥.航空发动机地面模拟吞水试验[J].燃气涡轮试验与研究，2002.15（4）：43-44.