0 引言部分
飞机在空中飞行时，发动机可能遭遇云层或暴雨天气，发动机会吸入含有大量液态水的空气。作战飞机起飞、着陆和作战过程中，在雨天条件下，甲板或跑道上的水可能会被吸入发动机内部。发动机吞水后，会对发动机的性能、结构等产生危害，发动机在偏离工作点的条件下工作，燃烧室吞入过量水可能造成的熄火，都可能危及飞行安全。因此，对发动机进行吞水试验考核，验证发动机吞水能力，获取发动机性能参数变化[1]，对发动机研制具有重大意义。
目前国内外学者对于航空发动机吞水试验技术有较多研究，主要集中在吞水设备的研制、吞水试验研究、发动机吞水性能变化等方面。张宏伟[2]搭建了轴流压气机雨雾环境的模拟实验台，研究了压气机在雨雾环境的特性变化。米晓童[3]对航空发动机吞水试验台喷雾系统进行数值模拟，发现发动机运行状态、喷嘴和喷水量都会对水的雾化有影响。汪京[4]采用欧拉-拉格朗日粒子追踪法，研究了工艺进气道环形喷雾三维流场结构和流动特性，通过改变气流速度获得不同雾化角的喷雾特性。田小江[5]对小型航空涡喷发动机吞水试验装置进行了研制，获取了不同吹风流量和喷水流量条件下的喷雾特性以及不同喷水流量条件下的水雾分布特性。
本文对航空发动机吞水试验进行了研究，主要从试验标准解读和试验点的选取、试验对象的介绍、试车台介绍、试验设备和用水需求方面阐述了吞水试验要求，并进行了试验设计，介绍了数据分析方法和评定准则，整体阐明了吞水试验试验方法和注意事项，为吞水试验提供技术支持，建立了吞水试验规范。
1 试验要求
1.1 标准解读与试验点选取
飞机在起降以及特殊条件下吞水，可能导致发动机熄火等问题，严重影响飞机安全。GJB241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》规定，发动机在高度为13km以下的整个工作包线内，应在如下条件正常工作：从慢车到最大推力状态，空气中含水（液态水和水蒸气）的质量达总气流量的5％，并且有50％液态水通过进气道1/3扇形面积进入发动机进气道。发动机以最大推力工作时,把占空气总质量流量的2％、3.5％和5％的水(液态和气态)引入发动机进口，以上应有50％的液态水进入1/3的进口面积，发动机在上述每一条件下工作5min。发动机在慢车状态，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，GJB4877-2003《航空涡轮发动机吞水试验要求》对发动机吞水也提出了类似要求，同时该军标提出了高空台试验一般进行13km以下，最高进气温度条件下，喷水量3.5%的吞水试验，以及13km以下，发动机稳定工作裕度最小的试验状态，进行喷水量5%的吞水试验的试验要求。
CCAR-33R2《航空发动机适航规定》每型发动机必须证明其当突然遭遇浓度达到审定标准的雨和冰雹时，在其整个规定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3min的降雨周期内，和任何连续30s的降冰雹周期内发动机不熄火、不将转、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，不可接受的功率或推力损失或其他不利的发动机异常情况。
针对大涵道比发动机，发动机分别在地面慢车、空中慢车及地面最大起飞状态进行吞水试验，并且在地面慢车到起飞状态进行瞬态试验。针对小涵道比发动机应在慢车、节流、中间及最大状态稳态试验点进行吞水试验。小涵道比发动机，慢车、最大连续、中间和最大状态是典型的工作状态，因此开展以上试验点的试验是十分必要的。在慢车进行吞水量为0%、2%、3.5%和5%试验，慢车状态发动机转速、供油量等较低，在慢车完成国军标规定的所有最大状态吞水试验点，保证发动机在低状态不熄火、喘振等，验证发动机的抗水能力，为后续各台阶试验做准备。在完成慢车的全部试验点后，证明了发动机在低状态下不会发生熄火和喘振等恶劣情况，在后续最大连续、中间和全加力状态也进行吞水量为0%、2%、3.5%和5%的试验，以考核发动机在各个状态的吞水能力。大涵道比发动机一般进行地面慢车4.2%、空中慢车4%和最大起飞4%的吞水试验。以上所有试验点的吞水量，均应按照响应状态的空气流量的百分比计算。
1.2 试验对象
发动机吞水试验是评定发动机在恶劣工况工作稳定性的重要评价项目，是发动机定型过程中的评定试验。主要验证在规定的发动机工作状态，吞入特定的水量条件下发动机的工作稳定性。
国军标要求试验用发动机应符合以下要求：
a) 试验发动机应与定性试验持久试车的发动机技术状态相同；
b) 试验发动机换算成标准大气海平面静止条件下的稳态性能与瞬态性能应符合型号规定；
1.3 试车台
通常吞水试验可在室内台、露天台和高空台进行，不同试车台解决不同试车需求。小涵道比发动机通常在室内试车台进行试验，试验前对台架进行改造，在进气道前安装喷水设备。室内试车台分为两类一类是卧式台架、一类是吊式台架，目前国内外应用较多的是吊式台架。喷水装置在重心标高较高的位置进行喷水工作，具有一定施工难度。室内试车台一般具有燃油供应系统、燃油加载系统、液压加载系统、油封系统、空气起动系统等。室内试车台工作优点是发动机调整容易，供水管路等均已布置在台架中，试验过程可直接从台架引水，缺点是室内台设计之初未考虑吞水试验，无排水口。
1.4 试验设备及试验用水
喷水设备是吞水试验的重要设备，喷水设备正确、稳定的形成要求的水流分布、水流量、水滴直径等是十分关键的。同时喷水设备应具备兼顾小涵道比发动机和大涵道比发动机吞水能力，试验设备应满足各型号发动机的使用需求，因此试验设备的流量控制范围应该是较大的。试车台喷水设备应设置在发动机进口截面前，通常喷水设备主要由供水循环系统、喷水系统和电控系统等部分组成。
喷水试验前应进行喷水设备的调试，确认各调节阀、电磁阀控制正常，各流量计、压力表指示正常，最后进行喷水装置试水。
2 试验实施及评定准则
2.1 试验程序设计
由于吞水试验步骤复杂、难度高，是国军标要求的考核项目，因此对试验方案的设计提出较高要求。以小涵道比发动机为例，整个试验包括性能录取试车，吞水试验，吞水试验后的性能录取。性能录取试车首先对发动机进行充分暖机，最高至最大状态，暖机后进行各台阶性能录取，包括节流状态、中间状态和加力状态的性能。在录取性能后进行吞水试验，通常先进行设备调试，调试完成后进行低状态、小水量的吞水试验，在通过初步吞水试验后，进行高状态、大水量吞水试验，试车程序如图 1、图 2。在完成吞水试验后，再次执行性能录取试车，获取发动机吞水后性能。试验前先根据性能调试的结果，分别计算出慢车、最大连续、中间和全加力所需要的水量，每一状态水量按空气流量的2%，3.5%和5%计算。吞水过程原则是程序以安全优先，先进行低状态吞水，再进行高状态吞水，先进行小水量吞水，再进行大水量吞水。
图 1. 小涵道比涡扇发动机低状态吞水程序
图 2. 小涵道比涡扇发动机高状态吞水程序
每个吞水试验点试验时，由于供水设备存在滞差，试验时先将发动机推至相应稳定状态，再开启吞水设备。供水设备存在滞差是设备特性，由起动供水管路填充存在一定时间导致，因此试车中喷水水量应以稳定后水量为准。试验过程中关注发动机关键参数，振动参数、脉动参数、滑油系统、温度压力参数、性能参数等，都是重点关注对象。吞水试验中如发生剧烈参数波动，可能表征发动机工作裕度不足、结构损伤等情况出现，此时应从保障安全的角度出发，拉停发动机。
2.2 评定准则
国军标GJB241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》和GJB4877-2003《航空涡轮发动机吞水试验要求》规定，试验结束后，将发动机完全分解后进行检查，如果发动机保持了足够的间隙，在试验中未发生损伤或有害擦伤，吞水试验后发动机性能未见恶化，并且没有造成失速、喘振、发动机主燃烧室熄火，燃气流路中的零件未受损伤，则认为试验通过。
一般来说试验过程中，发动机应保持稳定工作，试车后性能分析时，推力损失符合型号需求，发动机分解检查后，所有部件无明显损伤，即可判定试验通过。
3 结束语
对航空发动机吞水试验进行了研究，解读了相关试验标准、规范，对小涵道比和大涵道比发动机的试验点进行了选取，介绍了试验对象、试车台、试验设备和用水，设计了试验方案和试车程序，对数据分析方法进行了介绍，阐述了试验评定准则，建立了吞水试验方法，为同类吞水试验提供借鉴。在吞水试验后，建立航空发动机吞水试验规范。
参考文献
[1] 廉莜纯，吴虎.航空发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2005，1-26.
[2] 张宏伟，刘乐，李继超等.轴流压气机雨雾环境模拟试验台搭建及试验研究[J].工程热物理学报，2012,33（8）；1305-1308
[3] 米晓童，邢玉明.航空发动机吞水试验台喷雾系统数值模拟[J].燃气涡轮试验与研究，2016,29（3）；49-54
[4] 汪京，张鹏，李玉杰等.航空发动机吞水试验环形喷雾特性分析[C].2019年（第四届）中国航空科学技术大会论文集，2016,29（3）；49-54
[5] 田小江，张灵，夏全忠等.小型航空涡喷发动机吞水试验装置研制[J].燃气涡轮试验与研究，2015,28（2）；49-52