[发明专利]包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置及方法

说明书

本发明涉及一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置及方法。碳烟颗粒分散液容器、液体雾化器、干燥器、供气机组、粒径筛分仪、可挥发性物质发生器等用于产生包覆碳烟颗粒；供气机组、高空环境舱等用于模拟航空发动机的进气情况以及7km以上高空的环境条件；加热系统、压气机静叶结冰试验箱用于模拟气流在压气机中的升温过程并开展冰晶二次结冰试验；高速相机一、高速相机二分别用于观测包覆碳烟颗粒异质成冰过程和冰晶在压气机静叶的二次结冰过程；排气系统用于将高空环境舱中的气体排出。本发明可以在较低成本下模拟并观测7km以上高空条件下包覆碳烟颗粒异质成冰过程及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程。

技术领域

本发明涉及航空发动机结冰、防冰试验领域，具体涉及一种包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在压气机静叶二次结冰试验装置及方法。

背景技术

传统上认为，航空发动机结冰是过冷水滴导致的，由于大气中的过冷水滴基本分布在7km以下，因此过冷水滴导致的结冰极少发生在7km以上的高空。然而，当前研究表明：航空发动机在7km以上的高空会发生冰晶导致的压气机静叶结冰，这种结冰方式与传统过冷水滴导致的结冰存在较大差异，严重影响飞行安全。已有研究表明：飞机巡航飞行时排放的尾气中包含可挥发性物质和碳烟颗粒，可挥发性物质可包覆在碳烟颗粒表面形成包覆碳烟颗粒，包覆碳烟颗粒可以作为冰核凝结成冰晶。因此，模拟7km以上高空中包覆碳烟颗粒异质成核冰晶的凝冰过程及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程、探究包覆碳烟颗粒异质成核冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰机理具有重要意义。

自2009年至今，美国国家航空航天局(NASA)与加拿大国家研究委员会(NRC)在冰晶结冰试验研究方面做了大量工作。NASA建立了全尺寸发动机冰晶结冰试验装置(GriffinT A,Dicki D J，Lizanich P J.PSL icing facility upgrade overview(PSL结冰设施升级概述).6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference(第6届AIAA大气和空间环境会议),2014；Struk P M,Tsao J C,Bartkus T P.Plans and preliminaryresults of fundamental studies of ice crystal icing physics in the NASApropulsion systems laboratory(NASA推进系统实验室冰晶结冰物理学基础研究计划和初步结果).8th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference(第8届AIAA大气和空间环境会议),2016)。该装置采用全尺寸涡扇发动机进行试验，成本较高，难以开展大规模、长期试验；同时，该装置只考虑了液滴形成的均质成核冰晶，没有考虑包覆碳烟颗粒异质成核冰晶；此外，该装置并未对液滴的凝冰过程进行观测，难以揭示液滴在高空的凝冰机理。NRC建立了冰晶结冰可视化试验台(Mason J G,Chow P,Dan M F.Understandingice crystal accretion and shedding phenomenon in jet engines using a rig test(通过台架试验了解喷气发动机中的冰晶堆积和脱落现象).Proceedings of ASME TurboExpo 2010:Power for Land,Sea and Air(2010年美国机械工程师协会涡轮博览会：路、海、空动力),2010)。该试验台通过研磨装置产生平均直径为45μm～200μm的冰晶颗粒，但是没有考虑包覆碳烟颗粒异质成核冰晶，也没有模拟气流在真实航空发动机压气机内的升温过程；此外，该试验台也无法研究高空环境中冰晶的形成机制。

当前，国内关于冰晶在航空发动机压气机静叶二次结冰的试验研究尚处于起步阶段，目前还没有形成系统的试验装置和方法。中国航发商用航空发动机有限责任公司提出了一种结冰风洞冰晶模拟系统(CN202120483842.2)，该系统仅能在风洞内产生冰晶，无法模拟并观测7km以上高空中包覆碳烟颗粒异质成核冰晶的凝冰过程及冰晶在航空发动机压气机静叶的二次结冰过程。