结冰风洞设备技术浅析

徐峰，王宇辰

摘要：本文主要论述了发动机进气部件结冰风洞中喷雾系统和动力系统的设备方案，针对喷雾系统的控制难点提出了解决方案，并对比分析了串联和对旋轴流风机及其驱动电机内置和外置的优缺点，为结冰风洞关键设备选型提供了参考。

关键词：结冰风洞；喷雾；轴流风机

引言

结冰风洞作为开展发动机进气部件结冰及其防除冰试验研究的最基本手段，与其他试验方法（如结冰飞行试验、计算模拟）相比，具有经济、实用、先行、安全的突出优点。但因其特殊性，国外结冰风洞知名机构在风洞建设之初均对结冰设备开展了大量的技术研究。本文针对结冰风洞中喷雾系统和动力系统两大关键设备展开论述，为国内结冰风洞关键设备的选型提供参考。

1结冰风洞简介

常规结冰风洞为闭口、高亚声速、回流式风洞（如图1所示），包括洞体、驻室、试验段、制冷、喷雾、驱动系统、高度模拟等众多配套子系统。

与常规低速风洞相比，结冰风洞在总体设计上有以下几个特点：

a)结冰风洞是一种能够模拟低温环境的特种风洞，需设置大型制冷装置，以确保试验段静温达到所需设定温度；

b)试验段要求形成均匀云雾区，在稳定段内设置有喷雾系统，对过冷云雾的准确模拟是结冰风洞的重点和难点；

c)风洞运行时，洞内裸露在流场中的结构部件和传感器均可能结冰。为了避免其对流场品质和风洞运行效率的影响，这些部件上需进行防冰、除冰处理；

d)最新欧美适航条款新增过冷大液滴和冰晶结冰适航要求，结冰风洞未来还需扩展并具备这两类气象条件的模拟能力。

2喷雾系统

2.1系统组成

喷雾系统主要用于产生云雾水滴，满足试验段进口平均云雾粒子直径、液态水含量、雾化均匀区的要求。该系统由喷雾架、供水和供气系统及其配套控制系统组成。其中喷雾架由多排竖直安装的喷雾耙组成（如图2所示）。每个喷雾耙内置一条供水管路和一条供气管路，洞体外供水管路进出口均安装1台电动调压阀，分别起节流和精确调压作用，保证了同一喷雾耙上喷嘴出口参数的一致性。喷雾耙上每个喷嘴对应单独的供水、供气管路，并由电磁阀控制水路的开闭，水气在空气雾化喷嘴内混合后喷出。喷雾系统通过合理控制电磁阀开启数量、喷嘴布局以及喷嘴入口的水压、水温、气压和气温获得满足试验要求的云雾环境。

2.2控制难点和解决方案

2.2.1供水系统压力控制

相比供水温度来讲，精确控制各喷嘴入口压力更为困难。由于云雾液态水含量范围较大，对应喷嘴入口压力调节范围一般为0.01～1.5MPa，超过了单个调节阀的可调范围，因此需通过调节供水系统水泵流量、进出口调节阀开度来实现喷嘴入口压力的大范围调节。但若上述三个参数同时调节，存在严重的互扰问题。另外支路入口阀调节时也会影响主路压力，进而影响其他支路压力，也造成其他支路入口阀的被动调节。由于喷雾架上并联支路较多，且具有高度差，存在非常严重的耦合问题，这将很难实现各支路压力的精确控制。可采用如下措施：供水系统主路的流量和压力可分别通过调节变频给水泵的转速和泵出口回水调压阀来实现。喷雾耙对应的多个并联供水支路中，进出口调阀均预置固定开度。喷雾试验时，耙内喷嘴电磁阀打开瞬间，支路进口调阀开度不变。出口调阀在喷雾瞬间粗调到大开度，然后通过闭环控制小范围调节出口调阀，完成喷雾试验时供水压力的快速精确控制。经验证，上述采用入口调阀预置和出口调阀先快速预置后闭环调节的策略解决了多个并联支路压力耦合问题，系统在10s之内即可稳定。水泵转速、调节阀开度等参数的预置是实现供水压力精确控制的关键，这些均需在现场调试过程中摸索确定。

2.2.2供气系统参数控制

同样，喷嘴的运行包线也使其供气压力调节范围较宽，对此可采用2个并联的调节阀可实现压力精确调节，其中主路大调阀用于大流量下的快速开度预置和压力粗调，旁路小调节阀用于压力精确控制。对于供气温度的调节，可使用较为成熟的电加热器和功率分组控制方案实现。由于气压受温度影响大，当空气被电加热升温后压力会随之变化，供气温度和压力之间也存在着耦合关系。考虑到气压调节快，温度调节慢的特性。在温度调节同时，快速进行压力跟随控制，减小压力温度的相互影响。实践证明，当供气系统采用模糊自适应PID调温、变比例系数快速PID调压的控制策略时可解决气体温度大滞后及温度压力耦合的问题，实现供气温度压力的精确控制。

3动力系统

3.1系统组成

动力系统作为结冰风洞的心脏，依靠其旋转风扇，产生试验所需的气流。系统由轴流风机、驱动电机及其电气控制系统组成，该系统结构复杂，调试难度大。

3.2轴流风机

3.2.1串联轴流风机

大型风洞中常见轴流风机类型主要有串联轴流式和对旋轴流式。前者主要由壳体、整流罩、转子系统、电机、支撑等组成。为了克服风压不足问题，常采用两台或多台风机串联运行的方式。因气流需要前后多次通过动叶，使单一轴向流变成旋转流，又通过反扭导流片再恢复成单一轴向流，故此风机存在流动损失大、效率低以及结构复杂、尺寸大等缺点。

3.2.2对旋轴流式风机

对旋轴流风机是由容量和功率相同的两个电机驱动，风机叶轮旋转方向相反，转速可不同。工作时第一级叶轮产生的旋转气流恰好被第二级反转而消除，直接产生符合出口要求的单一轴向流，如此无需设置导流叶片，结构变得简单而紧凑，大大缩短轴向尺寸，同时减小损失，完全避免了导流片上的气流分离，提高了效率并降低了噪声，具有高风压、高效率以及良好的反风性能等特点。

对旋轴流风机在风洞中的应用可追溯到上世纪30年代，法国ONERA的大型风洞应用两台55000马力的水轮机作为动力进行了风洞试验，得到了转速在100～240rpm的风机综合特性曲线。但由于长期以来国内对旋轴流风机特有的“动-动”叶栅级间耦合、干涉问题研究深度不足，国内厂家生产的对旋风机流量、压力都偏低，噪声普遍较高且可靠性不高，经常出现电机烧毁，停风事故时有发生。

3.3驱动电机

对风洞而言，轴流风机的驱动电机有两种放置方式，一种是内置于洞内整流罩，另一种是置于洞体外。前者具有结构紧凑、传动链简洁、轴系刚度大、机械传动效率高、机械传动噪声低等优点。但由于电机位于整流罩内，整流罩支承必须承受风扇对风洞外壳体产生的扭矩和推力以及电机重力，而不仅仅是推力。同时为了考虑电机维护便捷性和冷却通道而使得风机壳体结构相对复杂。

当驱动电机外置时，电机通过长轴与洞内风扇转子相连，具有电机维护方便，壳体结构相对简洁的优点。但是因中间长轴长径比均较大，为典型的柔性轴，旋转共振问题在转速范围内几乎无法避免，技术风险较高。长轴穿过风洞洞体与风机整流罩壳体与转子主轴相连，不仅存在动密封问题，还不可避免影响了风机入口的气流流场品质，进而影响风机性能。此外，长轴的支承轴承与风扇旋转中心的同轴度调整比较困难，同时这样的长轴在制造上也存在一定的技术风险且制造成本较高。

4结束语

本文重点介绍了结冰风洞喷雾和动力两大关键系统的设备技术，并对于喷雾系统控制难点给出了解决方案。总结如下：

（1）喷雾系统的设计和控制系统对云雾参数的实现起决定作用。采用供水支路入口阀预置开度和出口阀先快速预置后闭环调节的策略可解决并联支路存在的压力耦合问题。水泵转速、调节阀开度等参数的预置是实现供水压力精确控制的关键。

（2）喷雾系统中供气系统采用模糊自适应调温、变比例系数调压的控制策略可解决气体温度大滞后及温度压力耦合的问题，快速实现供气温度压力的精确控制。

（3）相比对旋轴流风机，传统两级串联轴流风机虽然传动效率较低，气流噪声大，但因其技术成熟和可靠，建议优先选用。同时配合电机内置方案可有效解决动力系统进气不均匀和长轴挠性不足的问题。

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