渦軸發動機冒煙測量試驗研究

宛何 廖姍 張立輝 趙建煒

摘 要：依據《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》（GJB 242—87）和《航空燃氣渦輪發動機排氣冒煙測量規范》（HB 6116—87）以及某型渦軸發動機的試驗技術要求，對其進行排氣冒煙試驗研究。依據規范，采用符合要求的某渦軸發動機排氣冒煙測量系統，并對冒煙數測量機理、取樣時長、排氣冒煙測量系統的工作過程、采集程序及試驗結果進行了說明和分析。分別在使用規定的主燃油時和使用體積含量17%芳香烴的燃油時進行發動機排氣冒煙試驗，試驗結果表明，某渦軸發動機排氣冒煙數優于設計指標，該試驗為降低渦軸發動機煙霧排放提供了有益的經驗。

關鍵詞：渦軸發動機;航空煤油;芳香烴;冒煙測量;試驗研究

中圖分類號：V216.5+7? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0062-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.017

0? ? 引言

國際上對化石燃料的燃燒產物引起的污染問題已經達成了共識，其主要來源之一是車用內燃機，已經提出了很多有效降低車用內燃機有害排放物的技術措施[1];而隨著航空產業的發展，航空發動機所造成的排氣污染也變得日益嚴重。我國參照美國聯邦航空規章FAR 34部和國際民航公約附件16第Ⅱ卷制定了《渦輪發動機飛機燃油排泄和排氣排出物規定》（CCAR-34）[2]，但其未對渦軸發動機排放標準進行規定。隨著低空空域的逐漸開放，渦軸發動機的使用數量將不斷增加，其煙霧排放的影響將不斷擴大，可以預見，煙霧排放水平將成為制約渦軸發動機技術發展的重要因素之一。

國家軍用標準《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》（GJB 242—87）要求對渦軸發動機進行排氣污染試驗[3]，分為兩類：排氣冒煙試驗、排出不可見污染物試驗。冒煙現象是源于懸浮于發動機排氣中的微小固體顆粒群，它們主要是燃油燃燒時生成的以碳為主體的黑色煙粒，這些固體顆粒可以減少光的透射，引起可見煙的問題。發動機冒煙嚴重除了會引起環境惡化外，還會使飛機隱蔽性受到極大的威脅[4]，同時發動機冒煙性能也是反映發動機內部燃燒情況的一個必要條件[5-6]。本文對某渦軸發動機進行了排氣冒煙試驗研究，分別按照GJB 242—87中對排氣冒煙試驗的要求進行試驗：即在使用規定的主燃油時，發動機在整個環境條件和工作包線內的任一功率下，不排出可見煙;在使用體積含量17%芳香烴的燃油時，發動機最大冒煙數SN（Smoke Number）滿足設計指標。

1? ? 冒煙數測量機理

冒煙的數據測量有兩種基本方法：光度吸收法[4]和過濾法。

光度吸收法利用的是一個設計簡單的基于光度吸收元件的儀表。煙氣樣品流經一個30 cm長的吸收元件，其一端有一光源，另一端有一光電管。煙濃度的變化使光電管接收的光線強度有相應變化。采用交流放大器和整流器的組合件來把光電管的電流放大，并把直流信號供給到輸出表。這種儀表沒有采用比較元件，并且光線未經平行校正，靈敏度在很大程度上取決于元件吸收壁的反射率，測試精度較低。

過濾法是通過過濾器濾紙絕對反射率的減少量而間接得到煙霧的濃度。通過調節閥保證每平方米過濾煙痕面積上流過標準取樣量的采集樣氣，達到計算的取樣時間后，用放射率測量儀測量濾紙迎著氣流面的反射率。濾紙煙痕越深，過濾紙的絕對反射率越低，表示排氣中冒煙數越大。我國航空部制定的《航空燃氣渦輪發動機排氣冒煙測量規范》（HB 6116—87）中確定采用過濾法進行冒煙數的測量。因此，本研究采用過濾法進行冒煙測量分析。根據標準取樣量下樣氣經過濾紙后的煙痕情況確定冒煙數，其值在0～100，25以下無可見冒煙，數值越大表明冒煙情況越嚴重，冒煙數SN的計算公式如式（1）所示，文獻[7]中對于排氣冒煙數的測量有詳細介紹。

SN=100×1-? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Rs表示煙痕過濾紙的絕對反射率;Rw表示清潔過濾紙的絕對反射率。

2? ? 取樣時長及排氣冒煙測量系統

HB 6116—87中規定標準取樣量為每平方米過濾煙痕面積上濾過16.2 kg的樣氣，根據本次試驗采用的過濾紙夾頭實際過濾紙面積7.07 cm2確定，當樣氣通過過濾紙質量為11.453 g時，滿足取樣量的標準，根據理想氣體狀態方程得到式（2），用來計算取樣量達到要求時所需時間：

t=? ? （2）

式中：t為取樣量達到標準的時間（s）;P為取樣管路中的樣氣壓力（kPa）;T為取樣管路中的樣氣溫度（℃）;L為取樣流量（L/min）;1.225 g/L為海平面空氣密度。

圖1是根據HB 6116—87設計的排氣冒煙測量系統示意圖。取樣器周向分布三支，每支包含5個取樣點，按等面積分布。每支取樣器取得的5點樣氣經混合匯至一點，再經三通結構的管路將三支取樣器共計15點的樣氣混合至一條管路。電伴熱管長度大約10 m，試驗期間保持取樣管路溫度在（80±10）℃。過濾紙采用國際通用的whatman 4號濾紙，夾頭采用耐溫耐腐蝕材料制成，能夠牢固地夾緊濾紙，并滿足整個系統對泄漏的要求。由于試驗中發動機尾噴口處的壓力為常壓，為保證通過濾紙的樣氣流量達到航標中（14±0.5）L/min的要求，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。在抽氣泵后、濾紙夾頭前設置旁路，方便取樣過程中的切換。采用精密壓力表來測量管路中的樣氣壓力，采用溫度變送器來測量管路中的樣氣溫度，采用浮子流量計來測量管路中的樣氣流量，采用反射率測定儀來測量濾紙的反射率。各測量儀器型號及精度如表1所示。

3? ? 試驗方案

試驗對象為某型渦軸發動機，由粒子分離器、組合壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪、動力渦輪及附件傳動機匣組件等組成。排氣冒煙試驗在標準的整機試驗臺上進行。根據GJB 242—87規定分別對某渦軸發動機進行主油路燃油供油排氣冒煙試驗和含體積含量17.0%芳香烴的燃油供油排氣冒煙試驗。GJB 242—87規定芳香烴含量的本質是建立一個相同的基準，以便對不同的發動機進行煙霧排放水平的評估。本研究采用的主油路所供燃油芳香烴含量為14.6%，而17.0%芳香烴含量的燃油是通過向燃油中添加甲苯來達到規定的芳香烴含量，試驗設計了兩套獨立的燃油供應系統。

3.1? ? 試驗程序

為研究不同功率狀態下的發動機煙霧排放水平，根據《中國民用航空規章》第34部CCAR-34中規定的確定排氣冒煙試驗程序如圖2所示，分別在地慢、75%最大連續、最大連續和中間狀態各停留10 min，待發動機狀態穩定后按第3.2節的排氣冒煙采集程序進行排氣冒煙采集操作，每個狀態采樣三次。在試驗過程中關注發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，當發動機試驗狀態穩定后，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。關閉旁路閥門，安裝濾紙到濾紙夾頭上，打開主路閥門和真空泵，用浮子流量計監測樣氣流量，保證測試管路中的樣氣流量為（14±0.5）L/min，同時測量并記錄管路中的樣氣壓力和樣氣溫度，利用公式（2）計算出達到規定的取樣量所需的時間，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。利用公式（1）計算出冒煙數。完成測試后，關閉進樣閥，重新換上一張干凈濾紙，進行下一次測試。

4? ? 試驗結果及分析

試驗得到發動機排氣冒煙的測量結果，如表2所示。

試驗結果分析表明：

（1）隨著發動機功率的不斷提升，冒煙數逐漸增加，中間狀態下的冒煙數最大;

（2）當發動機采用主燃油供油時（芳香烴含量14.6%），僅在中間狀態觀察到排氣冒煙現象，最大冒煙數平均值為31.0;

（3）當發動機采用含芳香烴17.0%的燃油供油時，在最大連續和中間狀態兩個狀態下觀察到排氣冒煙現象，最大冒煙數平均值為33.8;

（4）提升燃油中的芳香烴含量會增大排氣冒煙數SN，最大冒煙數提升幅度為8.2%。

5? ? 結語

本文對某渦軸發動機進行了排氣冒煙試驗研究，研究表明，燃油中芳香烴含量對渦軸發動機煙霧排放的水平有重要影響，渦軸發動機煙霧排放水平的評定需要確定統一的芳香烴含量作為基準;為減小渦軸發動機的煙霧排放水平，可以使用芳香烴體積分數小的燃料。

[參考文獻]

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

[2] 渦輪發動機飛機燃油排泄和排氣排出物規定：CCAR-34[S].

[3] 航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范：GJB 242—87[S].

[4] 任廣旭，王琦.實驗室條件下航空發動機冒煙問題研究[J].工程與試驗，2009，49（2）：30-33.

[5] 王華芳，劉高恩，林宇震.高壓燃燒室的冒煙測量[J].燃氣渦輪試驗與研究，2001，14（3）：34-37.

[6] 許全宏，林宇震，劉高恩，等.航空發動機高溫升燃燒室貧油熄火及冒煙性能研究[J].航空動力學報，2005，20（4）：636-640.

[7] 劉高恩，王華芳，呂品，等.飛機發動機排氣污染物的測量[J].航空動力學報，2003，18（3）：348-352.

收稿日期：2022-03-30

作者簡介：宛何（1989—），男，安徽蕪湖人，工程師，從事整機試驗研究工作。