航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃油牌號(hào)批準(zhǔn)的適航符合性驗(yàn)證思路

摘要：航空燃油的特性會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和安全，對(duì)燃油的審查和批準(zhǔn)是發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定的重要方面。目前，國內(nèi)對(duì)于燃油牌號(hào)的適航審定沒有相應(yīng)的指導(dǎo)文件。本文通過對(duì)適航規(guī)章33.7（c）（2）條款的實(shí)質(zhì)要求進(jìn)行梳理，總結(jié)燃油牌號(hào)適航審定的符合性驗(yàn)證思路，形成燃油批準(zhǔn)的一般流程，并針對(duì)不同燃油牌號(hào)的使用情況給出相應(yīng)的符合性驗(yàn)證思路。

關(guān)鍵詞：渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油牌號(hào)；批準(zhǔn)；適航符合性

Keywords：aero-turbine engine；fuel brand；approval；airworthiness compliance

0 引言

隨著我國民航行業(yè)發(fā)展，航空燃料的需求量越來越大，已占航空公司運(yùn)營成本的40%，是航空器運(yùn)行的血液[1]。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行來說，燃油通過低壓泵和高壓泵加壓后過濾，通過燃油噴嘴進(jìn)入燃燒室點(diǎn)燃，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供高溫燃?xì)猓苿?dòng)渦輪做功產(chǎn)生推力，并用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的液壓作動(dòng)機(jī)構(gòu)，如可調(diào)靜子導(dǎo)葉（VSV）、可調(diào)放氣活門（VBV）等，可見燃油起著至關(guān)重要的作用，不可或缺。目前，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的燃油主要是航空煤油或含合成烴的航空煤油，航空煤油的特性包括燃油組成、燃燒性、揮發(fā)性、流動(dòng)性、安定性和潤(rùn)滑性等，與發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性息息相關(guān)。

燃油牌號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的影響是發(fā)動(dòng)機(jī)審查的重要方面。按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定（CCAR 33部）[2]的要求，申請(qǐng)人需要表明燃油牌號(hào)的符合性。對(duì)于燃油牌號(hào)的符合性驗(yàn)證工作，美國聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布了指導(dǎo)文件AC 20-24D[3]，給出了表明燃油牌號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)兼容性所需滿足的CCAR 33部條款以及額外要求，但對(duì)于多種燃油牌號(hào)批準(zhǔn)時(shí)的符合性并沒有提及。國內(nèi)局方也沒有發(fā)布任何相關(guān)的指導(dǎo)文件。另外，國內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商正處于起步階段，對(duì)各種燃油牌號(hào)（及其添加劑）與發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性的驗(yàn)證缺乏經(jīng)驗(yàn)，尚未形成系統(tǒng)的、規(guī)范的適航驗(yàn)證及管控流程。

上述幾方面造成燃油牌號(hào)的符合性工作以及局方的審定工作面臨很大的挑戰(zhàn)。本文通過對(duì)適航規(guī)章的實(shí)質(zhì)要求進(jìn)行梳理，針對(duì)每一條實(shí)質(zhì)要求提出建議的符合性方法，形成表明航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃油牌號(hào)批準(zhǔn)的一般流程，并根據(jù)燃油牌號(hào)的不同使用情況給出相應(yīng)的符合性方法。

1 條款要求及符合性方法

CCAR 33部航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定中對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油牌號(hào)的最直接要求是“33.7 發(fā)動(dòng)機(jī)額定值和使用限制”，具體為“（c）對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，額定值和使用限制的確定與下列因素有關(guān)：

（2）燃油牌號(hào)或規(guī)格” 。

1.1 實(shí)質(zhì)要求

上述條款的實(shí)質(zhì)要求是需要申請(qǐng)人表明聲明的燃油牌號(hào)與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的一致性以及聲明的燃油牌號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)的兼容性。

1.2 符合性方法

1）燃油牌號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)的一致性

通過開展實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，對(duì)燃油進(jìn)行理化特性分析，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的特性檢測(cè)方法對(duì)燃油特性進(jìn)行檢測(cè)，表明其特性值滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。例如，對(duì)于3號(hào)航煤，需要按照GB6537-2018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。如果向燃油中增加添加劑，還需表明燃油與添加劑之間的兼容性。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可以由申請(qǐng)人自行開展，也可以由燃油供應(yīng)商或第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，并給出燃油牌號(hào)的鑒定結(jié)果。

值得注意的是，對(duì)應(yīng)的燃油標(biāo)準(zhǔn)必須是最新版的燃油標(biāo)準(zhǔn)。

2）燃油與發(fā)動(dòng)機(jī)的兼容性

申請(qǐng)人在表明燃油與發(fā)動(dòng)機(jī)的兼容性時(shí)需要考慮以下五方面的要求。

a. 表明在聲明的燃油溫度和壓力限制下發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作

開展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證在聲明的燃油最低和最高溫度限制下以及在最低和最高壓力限制下發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作，并將經(jīng)驗(yàn)證的燃油最低和最高溫度限制以及最低和最高壓力限制寫入型號(hào)合格證數(shù)據(jù)單中。申請(qǐng)人可以結(jié)合CCAR 33.87持久試驗(yàn)驗(yàn)證燃油在最高溫度限制以及最低和最高壓力限制下發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，結(jié)合CCAR 33.89工作試驗(yàn)中的低溫起動(dòng)，驗(yàn)證燃油在最低溫度限制下發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作。

b. 表明燃油與發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)和液壓作動(dòng)系統(tǒng)（如適用）材料之間的相容性

開展系統(tǒng)和部件試驗(yàn)結(jié)合相容性試驗(yàn)，驗(yàn)證燃油系統(tǒng)和液壓作動(dòng)系統(tǒng)（如適用）中的金屬部件和非金屬部件（橡膠部件以及密封件等）與燃油之間的相容性。系統(tǒng)和部件試驗(yàn)可以參考DO-160規(guī)定的各個(gè)環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)流程和試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。相容性試驗(yàn)可以參考ASTM D4054標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)流程和試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

c. 表明發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)燃油特性不會(huì)造成不安全狀態(tài)

開展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在使用相關(guān)燃油下的耐久性。可以結(jié)合CCAR 33.85校準(zhǔn)試驗(yàn)和CCAR 33.87持久試驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行下的燃油特性不會(huì)對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)速、壓力、溫度和高度工作范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性產(chǎn)生影響，不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不安全的狀態(tài)。結(jié)合CCAR 33.90 初始維修檢查的TBO（大修間隔時(shí)間）試驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)翻修間隔期內(nèi)燃油特性不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不安全的狀態(tài)。

d. 表明燃油的燃燒特性不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件冷卻造成影響

發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部熱端部件的冷卻、對(duì)滑油的冷卻以及對(duì)外部附件的冷卻。燃油的燃燒特性會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部熱端部件的冷卻效果有影響，因此申請(qǐng)人需要考慮燃油的燃燒特性對(duì)熱端部件冷卻的影響。開展整機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在使用計(jì)劃批準(zhǔn)的燃油下內(nèi)部熱端部件的溫度在允許的溫度范圍之內(nèi)。可以結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)持久試驗(yàn)和超溫試驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在極限溫度下熱端部件的技術(shù)狀態(tài)良好、可繼續(xù)運(yùn)行，以表明在選用的燃油牌號(hào)下發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻的合理性。

e. 表明發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)和液壓作動(dòng)系統(tǒng)（如適用）在飛行包線內(nèi)正常工作

開展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證燃油系統(tǒng)和液壓作動(dòng)系統(tǒng)（如適用）在飛行包線內(nèi)能正常工作。需要考慮包線內(nèi)高度、馬赫數(shù)以及環(huán)境溫度對(duì)燃油系統(tǒng)及液壓作動(dòng)系統(tǒng)的影響，選擇合適的包線內(nèi)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，并考慮發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和加減速運(yùn)行等工況。可結(jié)合CCAR 33.89工作試驗(yàn)，驗(yàn)證包線內(nèi)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下燃油系統(tǒng)和液壓作動(dòng)系統(tǒng)（如適用）都能正常工作。

綜上所述，申請(qǐng)人在表明CCAR 33.7（c）（2）的符合性時(shí)，需要開展實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、系統(tǒng)和部件試驗(yàn)、相容性試驗(yàn)以及校準(zhǔn)試驗(yàn)、持久試驗(yàn)、超溫試驗(yàn)、工作試驗(yàn)（包括低溫起動(dòng)）、TBO試驗(yàn)等整機(jī)試驗(yàn)。燃油牌號(hào)批準(zhǔn)的一般符合性流程如圖1所示。

2 不同燃油牌號(hào)的符合性方法

一般用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃油為航空煤油（3號(hào)燃油、Jet A1、JP4等）或含合成烴的航空煤油（FT-SPK、HEFA-SPK等）。申請(qǐng)人在發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)合格取證時(shí)，可以選擇批準(zhǔn)上述的燃油牌號(hào)或者其他的燃油牌號(hào)，也可以選擇批準(zhǔn)一種燃油牌號(hào)或者多種燃油牌號(hào)。

2.1 新的燃油牌號(hào)

新的燃油牌號(hào)指沒有在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上使用過的燃油，或曾經(jīng)使用過但對(duì)應(yīng)的燃油特性發(fā)生重大變化的燃油。對(duì)于這類新的燃油牌號(hào)（無論是航空煤油還是含合成烴的航空煤油），申請(qǐng)人必須按照?qǐng)D1所示的一般符合性流程開展相應(yīng)的符合性驗(yàn)證工作。除此之外，還需要開展以下相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)需要評(píng)估燃油碳?xì)浠衔锏幕瘜W(xué)組成，以及痕量物質(zhì)的含量，至少包括銅、鋅、鐵、釩、鈣、鋰、鉛、磷、鈉、錳、鎂、鉀、鎳等。

2）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)評(píng)估燃油的性能特性，包括自燃點(diǎn)、沸點(diǎn)、熱穩(wěn)定性破點(diǎn)、蒸氣壓-溫度的關(guān)系、黏度-溫度的關(guān)系、比熱容-溫度的關(guān)系、密度-溫度的關(guān)系、表面張力-溫度的關(guān)系、體積彈性模量-溫度的關(guān)系、導(dǎo)熱率-溫度的關(guān)系、水溶性-溫度的關(guān)系、介電常數(shù)-密度的關(guān)系、電導(dǎo)率-抗靜電劑含量的關(guān)系等。

3）需要通過合適的試驗(yàn)表明新的燃油牌號(hào)與其他計(jì)劃批準(zhǔn)的燃油牌號(hào)之間的兼容性（如適用）。

4）需要通過合適的試驗(yàn)評(píng)估燃油的使用特性，包括對(duì)黏土過濾的影響，毒性，儲(chǔ)存穩(wěn)定性（驗(yàn)證時(shí)考慮潛在的膠質(zhì)形成、水反應(yīng)和微生物污染等情況），自燃溫度以及熱表面引燃溫度。

2.2 歷史使用過的燃油牌號(hào)

歷史使用過的燃油牌號(hào)指已在國內(nèi)外航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上使用過的燃油，包括航空煤油和含合成烴的航空煤油。針對(duì)這類燃油牌號(hào)，申請(qǐng)人在表明符合性時(shí)應(yīng)根據(jù)計(jì)劃批準(zhǔn)的燃油數(shù)量和燃油的種類采取合適的符合性驗(yàn)證思路。

1）單一牌號(hào)批準(zhǔn)的符合性驗(yàn)證思路

如果申請(qǐng)人在型號(hào)取證過程中，只計(jì)劃選擇批準(zhǔn)一種燃油牌號(hào)，則需要按照?qǐng)D1 所示的一般符合性流程表明其符合性。

2）多牌號(hào)批準(zhǔn)的符合性驗(yàn)證思路

申請(qǐng)人如果選擇多燃油牌號(hào)批準(zhǔn)，一般不會(huì)針對(duì)每一種燃油進(jìn)行所有的符合性驗(yàn)證試驗(yàn)，可以選擇以下三種可接受的方式表明符合性。

第一種方式，申請(qǐng)人選擇其中的一種歷史使用過的燃油，按照?qǐng)D1所示的一般符合性流程開展所有的符合性工作，其他歷史使用過的燃油牌號(hào)與試驗(yàn)驗(yàn)證過的燃油牌號(hào)進(jìn)行特性對(duì)比，對(duì)于不能包含的特性差異需要通過分析或試驗(yàn)進(jìn)行符合性說明。

第二種方式，申請(qǐng)人選擇兩種或多種歷史燃油牌號(hào)進(jìn)行符合性驗(yàn)證工作，但必須保證所選燃油牌號(hào)進(jìn)行的系統(tǒng)和部件試驗(yàn)、浸潤(rùn)試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)的集合滿足圖1所示的符合性流程中的全部工作，并且進(jìn)行試驗(yàn)的燃油必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以表明符合對(duì)應(yīng)的燃油標(biāo)準(zhǔn)。之后其他燃油牌號(hào)與試驗(yàn)驗(yàn)證過的燃油進(jìn)行特性對(duì)比。對(duì)于不能包含的特性差異需要通過分析或試驗(yàn)進(jìn)行符合性說明。

第三種方式，申請(qǐng)人如果計(jì)劃批準(zhǔn)新的燃油牌號(hào)，則其他的歷史使用過的燃油牌號(hào)都可以與新的燃油牌號(hào)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于不能包含的特性差異需要通過分析或試驗(yàn)進(jìn)行符合性說明。

需要注意的是，航空煤油和含合成烴的航空煤油之間不能直接進(jìn)行對(duì)比。另外，考慮到含合成烴的航空煤油其制作和合成的方式都不相同，因此不同的合成烴的航空煤油之間也不能直接進(jìn)行對(duì)比。

3 結(jié)論

本文從CCAR 33.7（c）（2）條款出發(fā)，梳理?xiàng)l款的實(shí)質(zhì)要求，提出滿足條款要求的符合性方法及一般流程。針對(duì)燃油牌號(hào)的不同使用情況，對(duì)新的燃油牌號(hào)和國內(nèi)外已經(jīng)使用過的歷史燃油牌號(hào)兩種情況分別給出相應(yīng)的符合性驗(yàn)證思路。通過本文的研究，為國內(nèi)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定過程中批準(zhǔn)適用的燃油牌號(hào)提供了明確的指導(dǎo)，填補(bǔ)了國內(nèi)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定指導(dǎo)文件的空白。

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作者簡(jiǎn)介

車巍巍，工程師，主要從事系統(tǒng)審定工作。