楊艷美 賀劍 宛何 何可

摘 ? 要：本文介紹了某型渦軸發(fā)動機排氣冒煙試驗的排煙測量方法、測量系統(tǒng)、取樣時長、試驗方法等。參考GJB 242-87的規(guī)定，分別采用主燃油和含體積為17%芳烴的燃油對發(fā)動機進行了排氣冒煙試驗，驗證了該型發(fā)動機冒煙數(shù)SN（Smoke Number）的符合性，并通過分析掌握了發(fā)動機功率狀態(tài)和芳香烴含量對排煙數(shù)的影響。本文的研究結(jié)論可為軍民用渦軸、渦槳等中小型航空發(fā)動機的排煙測量和相關標準的制定提供參考。

關鍵詞：整機試驗 ?渦軸發(fā)動機 ?排氣冒煙

中圖分類號：V235.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0024-02

國際上對航空發(fā)動機的排放污染制定了嚴格標準，如國際民航組織（ICAO，International Civil Aviation Organization）1981年頒布的民用航空燃氣輪機污染排放標準（CAEP1），規(guī)定了亞聲速和超聲速渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機燃燒污染排放水平[1]，中國民用航空規(guī)章CCAR-34測試大綱和芝加哥公約附件16第二卷中均對民用發(fā)動機煙霧排放制定了限額標準[2-5]，但未對渦軸、渦槳等中小型航空發(fā)動機的排煙問題做出具體規(guī)定。

由于直升機主要在3000m以下低空飛行，使用場所與起降場地比大型飛機場更接近市區(qū)，其污染排放對生活環(huán)境所造成的影響可能比大型飛機更直接。國家軍用標準GJB 242-87中要求對渦軸發(fā)動機進行排氣污染試驗[6]，其中就包括排氣冒煙試驗。本文參照242的要求開展排氣冒煙試驗研究，掌握了該型渦軸發(fā)動機SN的大小及影響因素，為該型發(fā)動機的研制奠定了堅實的基礎，同時可為軍/民用渦軸、渦槳等中小型航空發(fā)動機的排煙測量和相關標準的制定提供參考。

1 ?排煙測量方法

目前，排氣冒煙測量有三種基本方法：光度吸收法[8]、過濾法和目測比較法。試驗根據(jù)我國航空部制定的HB 6116-87《航空燃氣渦輪發(fā)動機排氣冒煙測量規(guī)范》[7]的要求，采用過濾法進行排氣冒煙的測量，其試驗原理是讓一定質(zhì)量流量的尾氣樣本通過濾紙，通過反射率計測量濾紙絕對反射率的減少量而間接得到煙霧的濃度。根據(jù)標準取樣量下樣氣經(jīng)過濾紙后的煙痕情況確定冒煙數(shù)SN。

2 ?排煙測量系統(tǒng)

根據(jù)HB 6116-87的要求設計了排氣冒煙測量系，系統(tǒng)示意圖見圖1。

（1）采用一個浮子流量計對取樣流量進行測量，取樣感頭為3支，均勻布置在發(fā)動機噴管出口面上，每支包含5個取樣點，按等面積分布于取樣平面，為提高取樣精度，在發(fā)動機狀態(tài)允許的情況下，取樣平面盡可能靠近發(fā)動機噴管出口面。每支取樣感頭取得的5點樣氣經(jīng)混合匯至一點，再經(jīng)三通結(jié)構的管路將三支取樣感頭共計15點的樣氣混合至一條管路。

（2）系統(tǒng)配置4個閥門，閥門A為快速動作的三通閥，有“關閉”、“取樣”、“旁路”三個位置，閥門B和C為調(diào)節(jié)閥，用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量，閥門D為截止閥，用來切斷通往過濾紙夾頭的流路;在濾紙夾頭后面放置無油真空泵（無潤滑油，避免污染樣氣），以防流量不足。

（3）過濾紙采用國際通用的whatman 4號濾紙，靈敏度較高，反射率測量儀指示儀表精度優(yōu)于1.5%。

（4）樣氣通過過濾器時會在過濾紙上沉積，從而獲得帶煙痕的過濾紙樣品，由過濾紙樣品的絕對反射率的減少量得到冒煙數(shù)后結(jié)合實時的樣本流量、溫度、壓力和質(zhì)量，進行數(shù)據(jù)處理后得到最終的。

（5）為提高測試精度，減少水蒸氣的影響，從感頭出口到過濾紙夾頭進口之間的取樣管路應盡可能短（不超過25m），采用自動控溫保溫裝置（取樣管路溫度保持在在80±10℃）。

（6）采用精密壓力表來測量管路中的樣氣壓力;溫度變送器來測量管路中的樣氣溫度;浮子流量計來測量管路中的樣氣流量;反射率測定儀來測量濾紙的反射率。

3 ?試驗方法

參照GJB242-87規(guī)定分別對發(fā)動機進行主油路RP-3燃油供油排氣冒煙試驗和含體積為17.0%芳烴的RP-3燃油供油排氣冒煙試驗。其中，主油路所供燃油芳烴含量為14.6%，而17.0%芳烴含量的燃油是通過向燃油中添加甲苯來達到規(guī)定的芳烴含量的，試驗設計了兩套獨立的燃油供應系統(tǒng)。

3.1 試驗程序

參照HB HB6116-87的試驗程序，取樣前對系統(tǒng)進行了泄漏檢查和清潔檢查。發(fā)動機分別在地慢、75%最大連續(xù)、最大連續(xù)和中間狀態(tài)各停留10min，待發(fā)動機狀態(tài)穩(wěn)定后進行排氣冒煙采集操作，每個狀態(tài)連續(xù)采樣三次。在試驗過程中密切關注發(fā)動機工作情況及尾噴管排氣情況并記錄，如有異常立即停車。

3.2 排氣冒煙采集程序

將濾紙剪成合適的大小和形狀，當發(fā)動機試驗狀態(tài)穩(wěn)定后在每次測量前，用已預熱好的反射率測量儀測量其反射率，記為Rw，安裝濾紙到濾紙夾頭上，打開主路閥門和真空泵，用浮子流量計監(jiān)測樣氣流量，保證測試管路中的樣氣流量為14±0.5L/min，同時測量并記錄管路中的樣氣壓力和樣氣溫度，計算出的取樣量時間進行取樣，然后關閉主路閥門和真空泵，取出夾頭處的濾紙，檢查濾紙上是否有水，如果有則需要清理夾頭處的積水，如果沒有則用放射率測量儀測量濾紙迎著氣流面的反射率，記為Rs，利用冒煙數(shù)計算公式計算出冒煙數(shù)。完成測試后，關閉進樣閥，重新?lián)Q上一張干凈濾紙，進行下一次測試。

4 ?試驗結(jié)果及分析

發(fā)動機按要求完成了排氣冒煙試驗，功率狀態(tài)和芳香烴含量對排煙數(shù)的影響分析見圖2和圖3。

試驗及分析結(jié)果表明：

（1）隨著發(fā)動機功率的不斷提升，冒煙數(shù)逐漸增加;同功率狀態(tài)下，芳烴含量越高，冒煙數(shù)越大。

（2）當發(fā)動機采用主燃油供油進行試驗時（芳烴含量14.6%），僅在中間狀態(tài)觀察到排氣冒煙現(xiàn)象。

（3）當發(fā)動機采用含芳烴17.0%的燃油供油進行試驗時，在最大連續(xù)和中間狀態(tài)兩個狀態(tài)下觀察到排氣冒煙現(xiàn)象。

（4）在排除取樣時間的影響后，冒煙數(shù)隨芳香烴含量增加而線性增加。

5 ?結(jié)語

（1）國內(nèi)首次開展了某型渦軸發(fā)動機的排煙測量試驗，排煙測量系統(tǒng)滿足HB6116-1987要求，測量結(jié)果符合型號規(guī)范的要求（用至少含體積17%的芳香族的3號噴氣燃料（GB6537）級燃油和用HB6116方法測量的SN≤45），同時滿足CCAR-34煙霧排放標準的要求（SN≤50）。

（2）試驗表明，發(fā)動機功率狀態(tài)越高，濾紙反射率越低，冒煙數(shù)越大。

（3）提升燃油中的芳烴含量會增大排氣中的冒煙數(shù)SN，在排除取樣時間的影響后，冒煙數(shù)隨芳香烴含量增加而線性增加。

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