一种航空发动机吞砂试验方法

飞机尤其是直升机,在多沙尘区域下起飞、着陆和飞行中,动力装置往往会吸入空气中的砂粒或灰尘,影响发动机系统、部件,导致发动机推力/功率下降,燃油消耗率增加。国内外航空系统均制定规范,要求新型发动机设计定型必须进行吞砂试验。介绍了一种吞砂试验方法,阐述吞砂设备,试验用砂配比、试车程序等内容,并依据试验结果对试验方法进行评价。

航空发动机吞砂试验标准砂与典型沙粒形貌对比分析

航空发动机工作时吸入沙粒会对发动机造成伤害。针对军标中未规定吞砂试验用砂粒的形貌特征问题,提出砂粒形貌特征的统计表述方法——数字图像获取、砂粒圆度(砂粒图片实际面积与其外接圆面积之比)分析、标尺对比与观察统计、振动转换与跟踪、统计指标比较,选取中国南海(海南)、东海(厦门)、腾格里沙漠和塔克拉玛干沙漠等典型地区的沙粒与美国标准砂的形貌特征进行了对比分析。试验表明:利用标准砂进行航空发动机吞砂试验时发动机的损伤最严重,即按照军标要求采用标准砂进行吞砂试验能够保证发动机具有足够的安全裕度。

某型航空涡轴发动机吞砂试验研究

砂尘环境是航空发动机事故中常见且重要的诱发环境,因此,吞砂试验是新型发动机摸底和定型的重要试验项目。根据GJB 242-1987相关要求,通过设计投砂装置模拟真实砂尘环境,对某型航空涡轴发动机进行地面吞砂试验。试验结果表明:随着吞砂时间的增加,发动机功率衰减,耗油率增加,燃气涡轮出口总温有所提高;发动机性能在吞砂前2 h变化速率较快,随吞砂时间增加变化速率放缓。

大功率涡桨发动机整机吞砂试验装置设计与研究

吞砂试验作为新型发动机设计定型必须考核项目之一,其主要考核涡桨发动机在吞咽砂尘后工作能力。但目前尚无针对大功率涡桨发动机吞砂试验需求的吞砂设备。针对此情况,设计了新型吞砂试验装置,重点研究了砂桶、进给运动机构、刮砂机构的设计方法,分析了混合器和分配器中砂尘的运动轨迹,对滚珠丝杆驱动能力和安装支架结构强度进行了校核,并且在涡桨发动机轴功率试车台完成了整机吞砂试验。试验结果表明:随着吞砂时间的增加,发动机功率衰减,耗油率增加,证明设计的吞砂试验装置满足发动机试验要求。可见该套吞砂试验装置结构设计合理,技术指标和结构强度满足要求,为航空发动机整机吞砂试验设备研制提供了设计参考。

航空发动机吞砂试验技术浅析

军用飞机在沙漠地区和浓烟浓雾地区执行任务时,航空发动机往往会吸入大量的砂粒和灰尘。这些砂粒和灰尘会磨蚀航空发动机压气机叶片,以及堵塞涡轮叶片冷却通道,使航空发动机的性能降低、维修成本增加。通过对航空发动机吞砂试验的技术研究,了解国内外航空系统对吞砂试验的工作要求、试验方法,以及试验介质等方面的相关规定,为后期开展的航空发动机吞砂试验提供技术支持。

基于航空发动机吞砂能力提升的中介机匣优化设计与研究

航空发动机吞砂试验过程中,砂粒进入核心机会对压气机和涡轮部件造成损伤,影响发动机性能和可靠性。减少砂粒进入核心机是提高涡扇发动机吞砂能力的有效手段。以涡扇发动机风扇及其中介机匣为研究对象,采用CFX软件开展了风扇和中介机匣吞砂仿真分析,并对分流环进行了优化设计。仿真结果表明,优化方案在满足涵道比和总压恢复系数等气动性能不降低的基础上,可提升分离砂粒的能力,减少进入发动机内涵的砂粒量,进而提升发动机的吞砂能力。

涡轴发动机整机吞砂试验及性能退化评估

为系统掌握砂尘侵蚀对涡轴发动机整机和零部件的影响,分析了国内外整机吞砂试验条款的差异及适用性,开展了某涡轴发动机整机吞砂试验研究。依据气动热力过程约束方程和发动机整机匹配约束条件,建立了涡轴发动机试验数据快速评估模型,完成了整机及各部件性能退化评估,并利用公开文献数据进行了对比分析。结果表明:功率和耗油率随吞砂时间呈二次函数规律退化,吞砂10 h功率损失10.2%,耗油率升高3.2%;吞砂造成压气机一级叶片弦长变短0.7%~3.4%、厚度减薄1.0%~3.0%,压气机流量下降4.1%、效率下降3.1%、增压比下降4.5%;燃气涡轮冷却气膜孔存在轻微堵塞和表面烧蚀,冷气量减少1.5%,效率下降0.5%;而动力涡轮效率因叶片表面光洁度提高有小幅提升。

砂尘对压气机叶片的侵蚀及性能影响

为了应对飞机在起飞和降落的过程中会面临多砂环境,尘土、砂粒等异物颗粒会随空气被吸入航空发动机内的情况,明确压气机部件的磨损和砂粒的吸入对压气机特性产生的影响,以航空发动机吞砂作为研究背景,以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用两相流动数值模拟的方法对砂粒的运行轨迹、侵蚀分布和特性变化开展仿真研究。获得了不同的吞砂条件和转速工况对颗粒运动轨迹、侵蚀分布和侵蚀量的影响,并分析了砂粒在不同吞砂条件和不同转速下引起的压气机性能和内部流场分布的变化规律。结果表明:大部分颗粒进入压气机后,随气流进入叶栅通道,在叶栅通道内与叶片压力面发生碰撞;吞砂导致压气机的增压能力减弱,对于直径为20、150、300μm的吞砂工况,其增压范围分别缩小了3.83%、2.13%和1.01%。

航空发动机进气及叶栅通道内砂粒动力学特性分析

为提高发动机的吞砂、防砂能力,需要了解砂粒在发动机中运动规律及对发动机性能的影响。采用欧拉-拉格朗日法对E3发动机整流罩、风扇和增压级进行了砂粒与气流的耦合作用分析计算,加入颗粒碰撞模型和侵蚀模型。仿真分析结果表明:砂粒运动轨迹和侵蚀区域符合发动机使用规律。砂粒进入发动机与风扇叶片压力面发生碰撞,砂粒发生碰撞后大部分进入了外涵流道。砂粒碰撞位置主要集中在风扇叶片压力面处,风扇对颗粒运动轨迹的影响最显著,碰撞后的颗粒有明显的径向运动趋势,叶顶区域的颗粒富集程度较高。整流罩、风扇叶片压力面及外机匣壁面都发生较为严重的砂粒侵蚀现象,而增压级叶片砂粒侵蚀现象不明显。