防砂装置结冰特性的实验研究

刘冬冬，李星萍，胡路平，王辉

（中国航空工业直升机设计研究所，天津 300000）

1 前言

直升机作为可垂直起降的空中平台，具有受地形限制较弱、飞行较灵活的特点。但在近地面起飞及着陆时，将不可避免地扬起大量砂尘，这些异物若被吸入发动机，将有可能对发动机的安全运行造成极大威胁，严重时甚至导致发动机停车，直接影响直升机飞行安全。因此，防砂装置就成了直升机飞行时需要考虑的安全措施之一。

防砂装置作为发动机进气道前端的防护设备，必须具有高分离效率及低压损的特点，同时，还要符合适航规章中在最大连续和间断结冰环境中安全飞行的能力。目前关于直升机防冰的研究主要集中于直升机进气道及旋翼的结冰研究。2017年，汪涛等人提出了一种基于冰雾喷洒塔的进气道防冰试验方法，并对其进行了验证，表明了该方法的有效性。何洁等人通过仿真及试验的方法对某型直升机发动机进气道进行了热气防冰的研究，表明可通过控制热气温度与流量实现防冰需求。2019年，林森什等人结合适航规章和国内外的进气道结冰试验，设计了一种考察进气道结冰对发动机性能影响的试验，探索了结冰参数对发动机性能影响的规律。

关于防砂装置结冰特性及规律的研究现在还较少，为研究防砂装置结冰对发动机进气及直升机飞行的影响，首先，需要了解防砂装置的防冰特性，本文采用冰风洞实验，对风速、温度及液态水含量进行了研究，详细考察了三种因素对防砂面板表面积冰的冰形及内部压力变化的影响，对防砂装置的防冰设计及分析提供了指导依据。

2 实验系统

本文的实验系统主要由防砂装置面板及相应的支撑结构组成，防砂面板如图1所示，考虑到涡旋管与来流方向呈90°时，面板的迎风面不可避免的会造成一定绕流，为了减小绕流对防砂面板结冰的影响，在面板迎风面设置导流罩使绕流大部分流向面板两侧。面板背面圆孔连接抽气管道用以模拟发动机进气，在面板内壁设有测压孔以连接测压管道。

图1 防砂装置面板结构示意图

航空工业气动院提供了实验段为0.6m×0.6m×2.7m的风洞进行实验，该风洞通过控制、调节压缩机转速实现控制及调节目标马赫数，可实现的马赫数范围为0.15～1.6。风洞通过制冷系统可以实现低温环境，满足结冰实验需求，目前可实现的总温范围为233K～333K。同时，风洞喷雾系统能够产生满足FAR25部附录C规定的水滴直径和液态水含量的云雾条件。目前校测可实现的水滴直径范围为17～35μm，液态水含量的范围为0.42～3g/m3。

3 结果和讨论

本文通过冰风洞实验探究了风速、温度及液态水含量对结冰的影响。实验发现，在不同的工况下，防砂面板表面结冰的增长具有一定的规律性，虽然受风速、温度及液态水含量的影响使得结冰厚度及冰型大小不一，但结冰位置及结冰过程大致相同，均是先从面板后部的涡旋管周围开始结冰，且只沿涡旋管外围斜向上生长，随着时间变化积冰逐渐向前蔓延，在到一定厚度后保持稳定，最终在表面形成后半部分结冰较厚、前半部分结冰较薄的锥形的冰层。

3.1 风速对结冰的影响

为考查风速对面板表面结冰的影响，选择风洞风速为80m/s，68m/s和40m/s进行对比。此时，液态水含量均为1 g/m3，水滴有效直径为20μm，温度为-5℃。

图2 和图3分别示出了三种风速下防砂面板表面的结冰情况和内部的压力变化。从实验结果来看，风速越低结冰越严重，在风速为40m/s时，面板表面的积冰最多，结冰最严重，同时该风速下面板内部压力先升高后降低，最终基本稳定在与未发生结冰时持平的状态。速度升高时，面板表面积冰减少，同时面板内部的压力有少量增高现象，说明低风速时对防砂面板进气更为有利。

图2 风速分别为80m/s、68m/s、40m/s下的冰形

图3 风速分别为80m/s、68m/s、40m/s时内部压力变化情况

3.2 温度对结冰的影响

为考查温度对防砂面板表面结冰的影响，选择温度分别为-5℃，-9℃，-20℃，-30℃进行对比。此时，液态水含量均为1g/m3，水滴有效直径为20µm，风速为40m/s。

图4 和图5分别示出了不同温度下防砂面板的结冰情况和内部的压力变化。从图中可以看出，随温度降低，面板的结冰速度和结冰厚度都有所增加。面板内部的压力在温度为-5℃时内部压力先增加后降低，最终基本恢复至结冰前的状态并保持稳定。在温度为-9℃、-20℃和-30℃时，压力也有一个初步上升过程，之后持续下降，但下降幅度不大，即使在-20℃工况下持续结冰120min的情况下，压力下降也不大于3KPa。观察冰形发现，结冰先从涡旋管后缘开始，冰形基本呈蜂窝或松塔状，有很多空隙，这为面板进气构建了独特的“输气通道”，因此，压力呈现先升高后降低的趋势。

图4 温度分别为-5℃、-9℃、-20℃、-30℃下的冰形

图5 温度分别为-5℃、-9℃、-20℃、-30℃时内部压力变化情况

3.3 液态水含量对结冰的影响

为考查液态水含量对防砂面板表面结冰的影响，对比1g/m3，选择液态水含量为0.7g/m3进行实验，此时，水滴有效直径为20µm，温度为-5℃。

图6和图7分别示出了液态水含量为0.7g/m3下面板的结冰情况和面板内部的压力变化。对比图2和图3中液态水含量为1g/m3时的冰形及压力变化，可以看出，面板所结冰的大小和厚度均与液态水含量大小呈正相关，即随液态水含量增大，结冰越严重。不同的液态水含量对内部的压力变化趋势影响不大，压力变化主要受温度和速度的影响，因此，在80m/s时，两种液态水含量工况下压力均增大，在40m/s时，两种液态水含量工况下压力均先升高后降低。同时，液态水含量较大时，水滴在涡旋管后缘积聚更快，因此，液态水含量更高的工况下压力增加值越大。LWC=1.0g/m3时，不同风速下压力增加约1500Pa和150Pa；LWC=0.7g/m3时，同速度下压力增加约1200Pa和50Pa。

图6 液态水含量为0.7g/m3，风速分别为80m/s和40m/s下的冰形

图7 液态水含量为0.7g/m3，风速分别为80m/s和40m/s时内部压力变化情况

4 结语

本文通过冰风洞实验对防砂面板的结冰特性进行了考察，探究了风速、温度及液态水含量对结冰的影响。实验发现，在不同的工况下，防砂面板表面结冰的增长具有一定的规律性，最终在表面形成类似锥形的冰层。在风速越低时结冰越严重，但内部分压力变化表明，低风速对进气更为有利。而随温度降低，面板的结冰速度和结冰厚度都有所增加，但总体而言，对进气的影响不大。随液态水含量的增加，水滴在涡旋管后缘积聚的更快，结冰也越严重，不同风速下防砂面板内压力增加值也越大。