涡扇发动机吞雹试验方案设计

Design of hailstone ingestion test scheme of turbofan engine

摘要

为了使国内涡扇发动机满足吞雹试验验证需求，得到有效的吞雹能力验证，根据GJB241A-2010、CCAR-33R2标准中吞雹试验的相关要求，开展了涡扇发动机吞雹试验方案设计方法研究，总结了方案设计过程的经验。通过吞雹试验相关标准的内涵解析和实际应用场景分析，研究了冰雹数量、冰雹速度、发动机工作状态、撞击位置等试验参数的具体设计方法。通过研究国外相关试验中冰雹投射情况，确定了冰雹投射方案的设计和评估方法，明确了针对投射方案的仿真分析方法。以上试验方案设计方法在某发动机上得到验证，能够为涡扇发动机吞雹试验方案设计提供参考和指导。

关键词

涡扇发动机 / 吞雹试验 / 试验方案设计 / 试验参数设计 / 投射方案

Key words

turbofan engine / hailstone ingestion test / design of test scheme / design of the test parameters / projection scheme

飞机在飞行过程中可能遭遇冰雹等极端天气，冰雹进入发动机后，将高速冲击进口风扇叶片，可能造成叶片损伤进而导致风扇不平衡量增大或推力损失，严重时会导致叶片飞失，引发严重后果。航空发动机的军用标准和民用适航规定中均规定了吞雹试验项目，目的是模拟飞机在飞行中遭遇冰雹状况下发动机的使用性能和抗击打能力，验证发动机在工作中遭遇冰雹后的稳定工作能力^［1-3］。

欧美等国家已经掌握了吞雹试验方法并落实到产品研发中^［4-5］。国内对吞雹试验方法的研究仍处于起步阶段，但用户对发动机在复杂环境和边界条件中具备吞雹能力的需求不断提高。为满足用户需求，亟需开展相关研究指导发动机高效地完成验证。国内已开展的吞雹试验方法研究包括：贺伟^［6］开展了吞雹试验设备原理的研究，对投射冰雹的方式进行阐述；韩飞听等^［7］开展了冰雹撞击试验技术研究，为制作冰雹、设计试验系统提供了参考；邹宝军等^［8-9］对试验方法进行了研究，为整机试验提供了研究基础；曾海军^［10］、张清等^［11］对适航符合性验证的具体方法进行了研究，为整机试验提供了具体指导。目前尚无针对吞雹试验方法的研究。国军标GJB241A-2010^［12］和适航规章CCAR-33R2^［13］等标准中均给出了概括性的通用要求，但没有给出试验方案设计方法的指导。

本文根据GJB 241A-2010、CCAR-33R2标准中的相关要求，结合国外民用涡扇发动机试验情况，设计了吞雹试验方案，总结了试验方案设计过程的经验，填补了国内相关研究的空白。

1 试验参数设计

1.1 冰雹数量分析

吞雹试验使用的冰雹有直径为50 mm和25 mm两种尺寸，数量是依据发动机进口面积的大小计算得到的。按照美国适航条款AC33-1B^［14］中的解释，进口面积是指进口的喉部面积（投影面积），图1为进口面积的示意图。其中，D_s 为进气道唇口前端的尖点直径，D_t 为发动机进气道的喉部面积（投影面积），D_e 为风扇进口的直径。计算冰雹数量时，应以D_t 进行计算。

考虑进气畸变影响，部分飞机进气道轴线与发动机轴线存在一定的夹角，如图2所示。为模拟真实飞行条件，计算冰雹数量时，应采用发动机轴线方向（图2中A向）的投影面积。

在冰雹数量计算方法上，国军标和适航规章CCAR-33R2存在差别，此处不再列举标准原文。本文以目前国内最新版的GJB241A-2010和适航CCAR-33R2进行计算。标准对不同进口面积的发动机进行了分类讨论，以S表示进口面积，具体的冰雹数量计算如表1所示。

图3给出了GJB241A-2010和CCAR-33R2中冰雹数量计算结果的曲线。由图3可知，在进口面积达到足够大时，适航条款要求下的冰雹数量更多，对发动机的要求更为苛刻。

1.2 冰雹速度和发动机工作状态

GJB241A-2010和CCAR-33R2均提出了试验条件的概述要求，依此进行实际使用场景的分析。冰雹速度为飞机与冰雹之间的相对速度。可以将空气中的冰雹看作静止，因此试验中冰雹的速度就是飞机的飞行速度。同时，进口风扇转子叶片与冰雹撞击后产生损伤的大小不单纯随速度、转速的升高而增大，而是由叶片与冰雹之间的相对速度（速度三角形）决定的，需结合撞击位置进行仿真分析计算得到，叶片与冰雹之间的速度三角形如图4所示。

GJB241A-2010中对冰雹速度和发动机工作状态的描述共包括起飞、巡航、降落3个阶段。在实际验证中，可以根据配装飞机的使用要求确定具体的参数，通过仿真分析计算出3种条件下损伤最重、最为苛刻的条件进行验证。

CCAR-33R2中对冰雹速度和发动机工作状态的描述为起飞后的爬升阶段，并明确了试验条件为4 500 m高度下的典型飞行条件，工作状态为最大连续状态，冰雹速度为最大真实空速。与GJB241A-2010一样，具体的试验工作状态和冰雹速度均是根据配装飞机的使用要求及仿真分析结果确定的。例如，依据适航规定完成验证的CFM56-7B发动机的试验工作状态为最大连续状态，冰雹速度为518 km/h，该速度对应其配装的波音737飞机满载时在4 500 m的典型飞行速度。

CCAR-33R2的附件中给出了标准大气降雨和冰雹的浓度分布，如图5所示。从冰雹的浓度分布曲线可以看出，在4 500 m高度下，大气中冰雹的水浓度达到最高值10 g/m³。因此CCAR-33R2规定，4 500 m高度下的试验条件是考虑该高度下遭遇的冰雹最多或概率最高。

1.3 撞击位置

GJB241A-2010和CCAR-33R2中对冰雹撞击位置的要求进行了简单的描述。GJB241A-2010的要求是在发动机进口随机分布；CCAR-33R2的要求是一半数量的冰雹应随机投向整个进气道正前方的区域，而另一半则应投向进气道正前方的关键区域。因此，在设计撞击位置时，应考虑随机性和关键区域。

标准中没有关于关键区域的明确解释，分析的关键区域包括：

（1）风扇转子叶片的薄弱位置。叶片的薄弱位置在冰雹的高速撞击下易产生损伤，导致不平衡量增大或推力损失。一般情况下，冰雹撞击叶尖位置损伤最大。对于带凸肩结构的风扇转子叶片（例如CFM56-3、CFM56-5发动机），凸肩位置损伤或错位，也可导致低压转子振动增大。

（2）风扇叶片和叶根。叶根是叶片强度较高的位置，一般情况下对其撞击不会产生损伤，但如果出现损伤，可能会导致叶片整体飞出。

（3）核心机主流道。冰雹进入核心机会影响燃烧室的燃烧，减少涡轮做功；另外吸入核心机的冰雹会导致发动机熄火，不再产生推力^［15］。

为实现随机性，进口处冰雹均匀分布，将直径50 mm和直径25 mm的冰雹相邻且等间距排列，如图6所示，间距的大小根据冰雹总数量和进口面积确定。

2 投射方案

2.1 雹炮类型

采用空气炮进行冰雹发射^［16］，冰雹在气体冲击下获得速度，由炮筒将冰雹引导至发动机进口撞击目标。冰雹速度的大小由气动压力的大小决定，即 V_{\mathrm{雹}} = f ( P_{\mathrm{炮}} )。通过研究国外相关试验资料，确定雹炮有两种类型。

（1）单雹炮管设计多个炮管，每个炮管中填装一个冰雹。每个炮管独立瞄准进口处的一个位置，若干个炮筒为一组同时发射，具体组数可根据冰雹总数量制定。发射效果如图7所示。

（2）多雹炮管设计少量炮管，每个炮管内填装多个冰雹。每个炮管瞄准进口处的一个径向位置，各炮筒按照顺序依次投射冰雹。发射效果如图8所示。

多雹炮管需考虑每个炮管中冰雹数量的分配，结合图6给出的随机性分布结果，将同一径向高度的冰雹纳入到同一炮筒中，如图9所示，同一圆圈上的冰雹纳入同一炮筒中。因各炮筒的冰雹数量不同，需根据每个炮筒中冰雹的质量，调整不同炮管的空气压力，使各炮管发射出的冰雹速度一致。

单雹炮管的发射方式是早期吞雹试验方法。多雹炮管设备口径较大，可以容纳鸟体等其他吞咽物，可以与吞鸟试验共用，在设备建设上可以节约成本。表2给出了国外民用涡扇发动机吞雹试验采用的雹炮类型和取证时间，由表2可知国外先进的吞雹试验均采用多雹炮管。

2.2 雹炮距离

雹炮位于发动机进口位置，在设计雹炮距离时主要考虑以下3点：

（1）保证投射精度。为达到该目的，雹炮不能距离发动机进口太远。通过计算飞行中重力的影响，可以初步分析距离对弹道的影响。例如炮口至风扇叶片的距离为5 m，在冰雹速度为150 m/s的情况下，重力造成的弹道下沉约为5 mm，通过调高炮口高度对重力造成的下沉进行补偿。

（2）消除雹炮设备喷射出的高压空气对发动机的影响。为达到该目的，雹炮不能距离发动机进口太近。该影响可通过空炮试验进行验证，在不发射冰雹的情况下，向发动机进口喷射高压空气，观测发动机各项参数是否稳定。一般情况下，炮口与发动机的距离为3～5 m。

（3）消除雹炮设备自身体积对发动机进气的影响。为达到该目的，雹炮不能距离发动机进口太近。通过仿真分析，可以评估雹炮对发动机进气流场的影响。以某雹炮设备为例，采用ANSYS CFX软件计算雹炮距离发动机进口4 m时，发射的气流是否影响发动机进气流场，计算模型如图10所示。

计算包括3种条件：无设备、雹炮出口距离发动机进口1 m、雹炮出口距离发动机进口4 m。图11为发动机风扇进口总压分布云图，由图11可知，无设备和雹炮出口距离发动机进口4 m时发动机风扇进口总压分布基本一致，雹炮出口距离发动机进口1 m时进口总压略有增大。

图12为发动机进口流线图。由图12可知，无设备和雹炮出口距离发动机进口4 m时发动机进口流线均匀，雹炮出口距离发动机进口1 m时发动机进口正前方流线会减少，大部分气流从设备外侧流入发动机。

综合以上分析可知，雹炮距离发动机进口4 m时，对发动机进口流场影响较小，而距离为1 m时，对进口流场影响较大。

3 仿真分析

仿真分析是确定撞击关键区域和预估发动机是否具备完成吞雹试验能力的有效手段。张海洋等^［17］研究了基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真精度。直径为50 mm冰雹的质量是直径为25 mm冰雹的8倍，其撞击能量远大于直径为25 mm的冰雹。因此，仿真时应重点分析直径为50 mm冰雹的撞击结果。

对于多雹炮管，其仿真分析应考虑多个冰雹的撞击叠加效果，相比单个冰雹撞击，叶片的损伤模式类似，但损伤程度会增加。多个冰雹撞击可归纳为两种情况：

（1）多个冰雹同时撞击叶片。为了模拟这种情况，在一个大冰雹的上、下、左、右、后5个方位额外设置一个冰雹，6个冰雹按照相同速度撞击叶片，如图13所示。

（2）多个冰雹撞击叶片同一个部位。为了模拟这种情况，计算出风扇旋转一圈需要的时间及该时间内冰雹飞行的距离。在一个大冰雹后方再放置一个大冰雹，仿真分析中两个冰雹会撞击到叶片同一个部位，如图14所示。

4 试验验证

通过以上设计方法，完成某涡扇发动机吞雹试验方案设计，并开展了整机吞雹试验。试验采用了多雹炮的方式完成，发动机按照规定的转速快速连续地吞入了规定数量的冰雹，冰雹撞击位置符合试验方案要求，吞雹后发动机推力损失满足标准要求。发动机吞雹后5片风扇叶片的叶尖处出现塑性变形，与仿真分析结果一致，如图15所示。试验结果证明本文提出的设计方法有效。

5 结论

本文提出了涡扇发动机吞雹试验方案设计方法，重点研究了试验参数设计、投射方案、仿真分析，明确给出了以上内容的确定方法。依据该方法设计的试验方案通过了有效的试验验证，设计方法能够为涡扇发动机吞雹试验方案设计提供参考和指导。

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基金资助

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2103026)