某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒煙試驗(yàn)研究

楊艷美 賀劍 宛何 何可

摘 ? 要：本文介紹了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒煙試驗(yàn)的排煙測(cè)量方法、測(cè)量系統(tǒng)、取樣時(shí)長(zhǎng)、試驗(yàn)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了排氣冒煙試驗(yàn)，驗(yàn)證了該型發(fā)動(dòng)機(jī)冒煙數(shù)SN（Smoke Number）的符合性，并通過(guò)分析掌握了發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)和芳香烴含量對(duì)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(dòng)機(jī)的排煙測(cè)量和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

關(guān)鍵詞：整機(jī)試驗(yàn) ?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī) ?排氣冒煙

中圖分類號(hào)：V235.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（b）-0024-02

國(guó)際上對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染制定了嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際民航組織（ICAO，International Civil Aviation Organization）1981年頒布的民用航空燃?xì)廨啓C(jī)污染排放標(biāo)準(zhǔn)（CAEP1），規(guī)定了亞聲速和超聲速渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒污染排放水平[1]，中國(guó)民用航空規(guī)章CCAR-34測(cè)試大綱和芝加哥公約附件16第二卷中均對(duì)民用發(fā)動(dòng)機(jī)煙霧排放制定了限額標(biāo)準(zhǔn)[2-5]，但未對(duì)渦軸、渦槳等中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙問(wèn)題做出具體規(guī)定。

由于直升機(jī)主要在3000m以下低空飛行，使用場(chǎng)所與起降場(chǎng)地比大型飛機(jī)場(chǎng)更接近市區(qū)，其污染排放對(duì)生活環(huán)境所造成的影響可能比大型飛機(jī)更直接。國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 242-87中要求對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行排氣污染試驗(yàn)[6]，其中就包括排氣冒煙試驗(yàn)。本文參照242的要求開(kāi)展排氣冒煙試驗(yàn)研究，掌握了該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)SN的大小及影響因素，為該型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)可為軍/民用渦軸、渦槳等中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙測(cè)量和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

1 ?排煙測(cè)量方法

目前，排氣冒煙測(cè)量有三種基本方法：光度吸收法[8]、過(guò)濾法和目測(cè)比較法。試驗(yàn)根據(jù)我國(guó)航空部制定的HB 6116-87《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒煙測(cè)量規(guī)范》[7]的要求，采用過(guò)濾法進(jìn)行排氣冒煙的測(cè)量，其試驗(yàn)原理是讓一定質(zhì)量流量的尾氣樣本通過(guò)濾紙，通過(guò)反射率計(jì)測(cè)量濾紙絕對(duì)反射率的減少量而間接得到煙霧的濃度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取樣量下樣氣經(jīng)過(guò)濾紙后的煙痕情況確定冒煙數(shù)SN。

2 ?排煙測(cè)量系統(tǒng)

根據(jù)HB 6116-87的要求設(shè)計(jì)了排氣冒煙測(cè)量系，系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

（1）采用一個(gè)浮子流量計(jì)對(duì)取樣流量進(jìn)行測(cè)量，取樣感頭為3支，均勻布置在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口面上，每支包含5個(gè)取樣點(diǎn)，按等面積分布于取樣平面，為提高取樣精度，在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)允許的情況下，取樣平面盡可能靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口面。每支取樣感頭取得的5點(diǎn)樣氣經(jīng)混合匯至一點(diǎn)，再經(jīng)三通結(jié)構(gòu)的管路將三支取樣感頭共計(jì)15點(diǎn)的樣氣混合至一條管路。

（2）系統(tǒng)配置4個(gè)閥門，閥門A為快速動(dòng)作的三通閥，有“關(guān)閉”、“取樣”、“旁路”三個(gè)位置，閥門B和C為調(diào)節(jié)閥，用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量，閥門D為截止閥，用來(lái)切斷通往過(guò)濾紙夾頭的流路;在濾紙夾頭后面放置無(wú)油真空泵（無(wú)潤(rùn)滑油，避免污染樣氣），以防流量不足。

（3）過(guò)濾紙采用國(guó)際通用的whatman 4號(hào)濾紙，靈敏度較高，反射率測(cè)量?jī)x指示儀表精度優(yōu)于1.5%。

（4）樣氣通過(guò)過(guò)濾器時(shí)會(huì)在過(guò)濾紙上沉積，從而獲得帶煙痕的過(guò)濾紙樣品，由過(guò)濾紙樣品的絕對(duì)反射率的減少量得到冒煙數(shù)后結(jié)合實(shí)時(shí)的樣本流量、溫度、壓力和質(zhì)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到最終的。

（5）為提高測(cè)試精度，減少水蒸氣的影響，從感頭出口到過(guò)濾紙夾頭進(jìn)口之間的取樣管路應(yīng)盡可能短（不超過(guò)25m），采用自動(dòng)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(lái)測(cè)量管路中的樣氣壓力;溫度變送器來(lái)測(cè)量管路中的樣氣溫度;浮子流量計(jì)來(lái)測(cè)量管路中的樣氣流量;反射率測(cè)定儀來(lái)測(cè)量濾紙的反射率。

3 ?試驗(yàn)方法

參照GJB242-87規(guī)定分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行主油路RP-3燃油供油排氣冒煙試驗(yàn)和含體積為17.0%芳烴的RP-3燃油供油排氣冒煙試驗(yàn)。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(guò)向燃油中添加甲苯來(lái)達(dá)到規(guī)定的芳烴含量的，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩套獨(dú)立的燃油供應(yīng)系統(tǒng)。

3.1 試驗(yàn)程序

參照HB HB6116-87的試驗(yàn)程序，取樣前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了泄漏檢查和清潔檢查。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定后進(jìn)行排氣冒煙采集操作，每個(gè)狀態(tài)連續(xù)采樣三次。在試驗(yàn)過(guò)程中密切關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定后在每次測(cè)量前，用已預(yù)熱好的反射率測(cè)量?jī)x測(cè)量其反射率，記為Rw，安裝濾紙到濾紙夾頭上，打開(kāi)主路閥門和真空泵，用浮子流量計(jì)監(jiān)測(cè)樣氣流量，保證測(cè)試管路中的樣氣流量為14±0.5L/min，同時(shí)測(cè)量并記錄管路中的樣氣壓力和樣氣溫度，計(jì)算出的取樣量時(shí)間進(jìn)行取樣，然后關(guān)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(méi)有則用放射率測(cè)量?jī)x測(cè)量濾紙迎著氣流面的反射率，記為Rs，利用冒煙數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出冒煙數(shù)。完成測(cè)試后，關(guān)閉進(jìn)樣閥，重新?lián)Q上一張干凈濾紙，進(jìn)行下一次測(cè)試。

4 ?試驗(yàn)結(jié)果及分析

發(fā)動(dòng)機(jī)按要求完成了排氣冒煙試驗(yàn)，功率狀態(tài)和芳香烴含量對(duì)排煙數(shù)的影響分析見(jiàn)圖2和圖3。

試驗(yàn)及分析結(jié)果表明：

（1）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用主燃油供油進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)（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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用含芳烴17.0%的燃油供油進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在最大連續(xù)和中間狀態(tài)兩個(gè)狀態(tài)下觀察到排氣冒煙現(xiàn)象。

（4）在排除取樣時(shí)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(yǔ)

（1）國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙測(cè)量試驗(yàn)，排煙測(cè)量系統(tǒng)滿足HB6116-1987要求，測(cè)量結(jié)果符合型號(hào)規(guī)范的要求（用至少含體積17%的芳香族的3號(hào)噴氣燃料（GB6537）級(jí)燃油和用HB6116方法測(cè)量的SN≤45），同時(shí)滿足CCAR-34煙霧排放標(biāo)準(zhǔn)的要求（SN≤50）。

（2）試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)增大排氣中的冒煙數(shù)SN，在排除取樣時(shí)間的影響后，冒煙數(shù)隨芳香烴含量增加而線性增加。

參考文獻(xiàn)

[1] International Civil Aviation Organization. Aircraft engine emission[S].Montreal： International Civil Aviation Organization，1981.

[2] 謝福，閆國(guó)華.航空發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放適航審定計(jì)算方法研究[J].裝備制造技術(shù)，2011（10）.

[3] 曹惠玲，馬永鋒.航空發(fā)動(dòng)機(jī)煙霧排放的符合性驗(yàn)證方法研究[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（5）：5-7，11.

[4] 郭艷龍，張寶誠(chéng)，喬娟.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室排氣污染物數(shù)值模擬[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2008（12）.

[5] 中國(guó)民用航空局.中國(guó)民用航空規(guī)章第34部[S]，2002.

[6] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 242-87航空渦輪螺漿和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范[S].北京：航空工業(yè)出版社，2008.

[7] 中華人民共和國(guó)航空工業(yè)部. 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒煙測(cè)量規(guī)范[Z]. HB-6116-87.

[8] 任廣旭，王琦.實(shí)驗(yàn)室條件下航空發(fā)動(dòng)機(jī)冒煙問(wèn)題研究[J].工程與試驗(yàn)，2009，49（2）：30-33.

[9] 劉高恩，王華芳，呂品，等.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物的測(cè)量[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2003，18（3）：348-352.

[10]劉靜，肇俊武.國(guó)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低污染燃燒室的發(fā)展[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（8）.

[11]李志軍，饒里，黃葉舟，等.車用汽油機(jī)排氣污染控制技術(shù)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2001，30（2）：24-26.

[12]王華芳，劉高恩，林宇震.高壓燃燒室的冒煙測(cè)量[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2001，14（3）：34-37.

[13]許全宏，林宇震，劉高恩，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫升燃燒室貧油熄火及冒煙性能研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2005，20（4）：636-640.

[14]江立軍，嚴(yán)明超.渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)低污染燃燒技術(shù)研究進(jìn)展[J].國(guó)際航空，2016（5）.