微型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動特性研究

萬照云

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

微型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動特性研究

萬照云

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

為研究微小型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動的特性，以某微型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)為原型，通過數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的方法，研究了其風(fēng)車起動過程的各種特性。通過試驗研究了丙烷氣點(diǎn)火時間和丙烷氣壓對微型渦噴發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速以及燃燒室溫度的影響規(guī)律，以在最短時間內(nèi)使得微型渦噴發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和燃燒室溫度滿足可供油燃燒的條件，并確定所需要的丙烷氣最小氣量。結(jié)果表明：在本試驗條件下發(fā)動機(jī)從起動到慢車狀態(tài)過程中，以先快后慢的供油規(guī)律起動加速時間最短約為82 s；發(fā)動機(jī)從慢車到80%全轉(zhuǎn)速狀態(tài)過程中，實現(xiàn)相對最短加速時間的供油規(guī)律可分為2段，前段供油斜率較大為0.79，后段供油斜率較小為0.14。對其它結(jié)構(gòu)形式和起動過程類似的微小型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)有一定借鑒作用。

微型發(fā)動機(jī)；風(fēng)車起動；低速特性；點(diǎn)火特性；航空發(fā)動機(jī)

0 引言

微型渦輪發(fā)動機(jī)（Micro Turbine Engine，MTE）具有質(zhì)量輕、功率大、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，可作為微小型導(dǎo)彈、無人機(jī)、單兵飛行器等空中武器平臺的推進(jìn)動力裝置，國內(nèi)外對MTE進(jìn)行了廣泛研究[1-5]。針對該類飛行器通常采用空中投放或助推器發(fā)射的特點(diǎn)，MTE的起動過程通常采用空中起動方式，因此，研究MTE的空中起動過程對于MTE的工程實用化有著重要意義。

微型渦輪發(fā)動機(jī)起動過程相對于大中型渦輪發(fā)動機(jī)存在著明顯不同，尤其是風(fēng)車起動過程有較大差異。常規(guī)大中型渦輪發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動僅應(yīng)用于空中熄火后的再起動過程，而其正常起動過程采用起動機(jī)輔助起動方式；微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)由于其所需起動功率較小，可采用風(fēng)車起動方式進(jìn)行正常起動。國內(nèi)外對于發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動過程有著廣泛研究[6-8]，研究方法主要分為特性計算[9-13]和風(fēng)洞試驗[14]。其中特性計算方法多由于其計算精度有限、算法復(fù)雜，難以推廣應(yīng)用于微小型渦輪發(fā)動機(jī)；而試驗研究方法可以獲得準(zhǔn)確且與實際工作相符的發(fā)動機(jī)特性[15-17]。

本文主要通過地面試車和3維流場仿真的方法對MTE-A型微型發(fā)動機(jī)風(fēng)車、低轉(zhuǎn)速、丙烷點(diǎn)火、供油點(diǎn)火等特性進(jìn)行研究，并順利完成發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動整機(jī)試驗，為研究微型渦輪發(fā)動機(jī)的風(fēng)車起動過程奠定了基礎(chǔ)。

1 微型發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動試驗臺

發(fā)動機(jī)的風(fēng)車狀態(tài)是指在一定的飛行速度下，發(fā)動機(jī)獲得一定風(fēng)車轉(zhuǎn)速的狀態(tài)。本文只模擬地面常溫條件，對不同來流速度下的微型發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動過程進(jìn)行試驗研究。

試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由流量管、發(fā)動機(jī)、真空泵、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。在試驗過程中，通過真空泵抽氣提供氣源，而通過調(diào)節(jié)閥門和通氣旁路，可形成不同的發(fā)動機(jī)背壓，從而模擬發(fā)動機(jī)不同的來流條件，實現(xiàn)不同的風(fēng)車狀態(tài)。

圖1 模擬風(fēng)車起動試驗裝置

在試驗中，對發(fā)動機(jī)各截面參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和采集，以獲取發(fā)動機(jī)在不同狀態(tài)下的起動特性。其中對發(fā)動機(jī)前方未擾動截面（0-0）的靜壓進(jìn)行測量；對壓氣機(jī)出口截面（2-2）、擴(kuò)壓器出口截面（3-3）和渦輪出口截面（5-5）的總壓進(jìn)行測量；對擴(kuò)壓器出口截面（3-3）、燃燒室出口截面（4-4）、渦輪出口截面（5-5）、噴管出口截面（9-9）和后方未擾動截面（11-11）的總溫進(jìn)行測量。

2 供油點(diǎn)火起動特性

2.1 微型渦噴發(fā)動機(jī)丙烷點(diǎn)火特性

針對4個風(fēng)車轉(zhuǎn)速，即4種不同來流速度條件進(jìn)行丙烷點(diǎn)火試驗。對于同1種來流條件，均針對8種丙烷氣量進(jìn)行丙烷點(diǎn)火試驗研究，不同丙烷氣量通過調(diào)節(jié)供氣壓力獲得。丙烷供氣壓力與丙烷流量的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 丙烷氣瓶壓力與對應(yīng)的丙烷流量

試驗結(jié)果表明，在某一來流速度條件下，丙烷濃度過小或過大均會導(dǎo)致無法可靠點(diǎn)火；隨著來流速度的增大，能夠可靠點(diǎn)火的丙烷濃度范圍變窄；當(dāng)流速增大到某一值時，丙烷無法成功點(diǎn)火。通過對4種來流條件下丙烷點(diǎn)火特性試驗結(jié)果的統(tǒng)計，獲得了風(fēng)車條件下丙烷能夠可靠點(diǎn)火的包線，如圖2所示。從圖中可見，對于MTE-A微型發(fā)動機(jī)，在風(fēng)車條件下，能夠可靠進(jìn)行丙烷點(diǎn)火的來流速度范圍為5～10.33 m/s，丙烷濃度范圍為0.5%～1.34%。只有當(dāng)來流速度和丙烷濃度值位于丙烷可靠點(diǎn)火包線內(nèi)，發(fā)動機(jī)才能可靠地進(jìn)行丙烷點(diǎn)火。

圖2 風(fēng)車條件下丙烷可靠點(diǎn)火包線

圖2同時表明，隨著來流速度增大，能夠可靠丙烷點(diǎn)火需要的最小丙烷濃度會先增大后減小。這是因為隨著來流速度的增大，氣流在燃燒室的駐留時間減少，因而要求燃燒室中具有更高的丙烷濃度才能可靠點(diǎn)火，所以最小丙烷濃度會增大，同時點(diǎn)火越來越困難，可靠點(diǎn)火范圍變窄；但隨著來流速度進(jìn)一步增大，發(fā)動機(jī)流量會急劇增加，其流量增大的速度遠(yuǎn)大過了丙烷可靠點(diǎn)火所需丙烷流量，因而丙烷點(diǎn)火需要的最小丙烷濃度又會減小。

2.2 微型渦輪發(fā)動機(jī)供油點(diǎn)火特性

當(dāng)微型渦輪發(fā)動機(jī)丙烷點(diǎn)火成功并將燃燒室加熱到一定的預(yù)熱溫度，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高、空氣流量進(jìn)一步增大后，發(fā)動機(jī)可進(jìn)行供油點(diǎn)火。供油點(diǎn)火起動過程是發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動過程的關(guān)鍵，供油起動過程的影響因素是研究供油點(diǎn)火起動過程的關(guān)鍵。

影響供油點(diǎn)火起動過程的關(guān)鍵因素有燃燒室入流速度、燃燒室油氣比、燃燒室入流總溫總壓等。燃燒室入流速度主要由發(fā)動機(jī)幾何結(jié)構(gòu)和風(fēng)車來流條件決定，對于特定的微型渦輪發(fā)動機(jī)，當(dāng)來流總溫和總壓一定時，其燃燒室入流速度與來流速度一一對應(yīng)。供油點(diǎn)火階段燃燒室油氣比為供入燃燒室燃油量和流經(jīng)燃燒室空氣量的比值，由于發(fā)動機(jī)空氣流量主要由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速決定，因而發(fā)動機(jī)供油點(diǎn)火受到初始供油量和點(diǎn)火轉(zhuǎn)速的影響。在來流總溫總壓一定的情況下，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速也決定了流入燃燒室的總溫和總壓。故發(fā)動機(jī)供油點(diǎn)火起動過程受到來流條件、初始供油量、點(diǎn)火轉(zhuǎn)速的影響。

微型渦輪發(fā)動機(jī)的起動方式與常規(guī)發(fā)動機(jī)起動過程有所不同，即在供油點(diǎn)火起動之前，發(fā)動機(jī)需要先進(jìn)行丙烷點(diǎn)火起動，預(yù)熱燃燒室，將燃油蒸發(fā)霧化，當(dāng)燃燒室預(yù)熱到一定溫度、發(fā)動機(jī)空氣流量達(dá)到一定水平時，燃?xì)鈺诒槿紵幕鹧鎱^(qū)直接燃燒，從而實現(xiàn)供油點(diǎn)火起動，無需再使用點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火。當(dāng)燃燒室預(yù)熱溫度過低，燃油無法完全蒸發(fā)霧化時，發(fā)動機(jī)無法順利點(diǎn)火，故微型渦輪發(fā)動機(jī)供油點(diǎn)火起動過程還受到丙烷點(diǎn)火起動后燃燒室預(yù)熱效果的影響。為了研究來流條件和初始供油量對發(fā)動機(jī)供油點(diǎn)火的影響，在4種不同的來流條件下，每種來流條件下給定9種不同的供氣和供油量，分別進(jìn)行供油點(diǎn)火試驗，對試驗中各工況下的丙烷供氣量、供油量，各氣動截面的溫度壓力數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對點(diǎn)火成功性進(jìn)行記錄。試驗條件參數(shù)見表2。

試驗結(jié)果表明，對于某一來流速度條件，燃燒室油氣比過小或過大均會導(dǎo)致無法可靠點(diǎn)火；隨著來流速度的增大，能夠可靠點(diǎn)火的油氣比范圍變窄；當(dāng)流速增大到某一值時，燃油無法成功點(diǎn)火。通過對4種來流條件下供油點(diǎn)火特性試驗結(jié)果的統(tǒng)計，獲得了微型渦輪發(fā)動機(jī)在風(fēng)車條件下燃油能夠可靠點(diǎn)火的包線，如圖3所示。從圖中可見，對于MTE-A微型發(fā)動機(jī)，在風(fēng)車條件下，能夠可靠進(jìn)行丙烷點(diǎn)火的來流速度范圍為3.6～10.33 m/s，油氣比范圍為2.38%～7.78%。只有當(dāng)來流速度和油氣比值位于丙烷可靠點(diǎn)火包線內(nèi)，發(fā)動機(jī)才能可靠地進(jìn)行供油點(diǎn)火。

表2 供油點(diǎn)火工況及參數(shù)

圖3 微型渦輪發(fā)動機(jī)供油點(diǎn)火包線

3 風(fēng)車起動過程優(yōu)化

在分別研究獲得發(fā)動機(jī)風(fēng)車階段、丙烷起動階段和供油起動階段相關(guān)特性和各階段點(diǎn)火起動參數(shù)范圍的基礎(chǔ)上，還對發(fā)動機(jī)從0轉(zhuǎn)速到80%全轉(zhuǎn)速過程的各階段進(jìn)行優(yōu)化。通過風(fēng)車至供油點(diǎn)火過程中的起動參數(shù)的優(yōu)化，可優(yōu)選出各階段最優(yōu)的點(diǎn)火起動參數(shù)；通過對供油點(diǎn)火成功后發(fā)動機(jī)的加速過程進(jìn)行優(yōu)化，可獲取在本試驗條件下該加速過程的最優(yōu)供油規(guī)律；通過對整個風(fēng)車起動過程的加速時間進(jìn)行優(yōu)化，能大大縮短發(fā)動機(jī)起動加速時間。

3.1 風(fēng)車階段和丙烷起動階段優(yōu)化

分別在發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度為4.52、6.51和8.29 m/s下進(jìn)行風(fēng)車試驗，分別獲得了動機(jī)從0轉(zhuǎn)速到風(fēng)車平衡轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，如圖4所示。由圖中可見，發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度越大，發(fā)動機(jī)達(dá)到風(fēng)車平衡轉(zhuǎn)速的時間越短。在發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度為4.52、6.51和8.29 m/s下，發(fā)動機(jī)達(dá)到風(fēng)車平衡轉(zhuǎn)速的時間分別為15、18和26 s，在不同發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度條件下，風(fēng)車階段加速時間最多可縮短42%。在發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度為4.52 m/s下，發(fā)動機(jī)不能進(jìn)行丙烷點(diǎn)火，考慮風(fēng)車階段加速時間的最短，選取在本試驗條件下發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度最優(yōu)值為6.51 m/s。

圖4 不同來流速度下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化關(guān)系

不同發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度對丙烷點(diǎn)火起動的影響如圖5所示。從圖中可見，在發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度分別為7.6、11.3和12.5 m/s時，發(fā)動機(jī)進(jìn)行丙烷點(diǎn)火起動后可實現(xiàn)的平衡轉(zhuǎn)速分別達(dá)到7740、8220和9300 r/min。不同發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度對發(fā)動機(jī)丙烷起動階段加速時間也有影響，在本試驗條件下，當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度為11.3 m/s時，其丙烷起動加速時間相對較短，約為13 s，較發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度為7.6 m/s時加速時間可縮短53%。

圖5 不同發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度對丙烷點(diǎn)火起動的影響

由供油點(diǎn)火特點(diǎn)可知，在丙烷點(diǎn)火成功并起動至供油點(diǎn)火轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機(jī)初始供油量對發(fā)動機(jī)供油點(diǎn)火成功性基本沒有影響，即在不同的初始供油量條件下，發(fā)動機(jī)都能完成供油點(diǎn)火。考慮當(dāng)初始供油量較大，其燃燒室富油情況更為嚴(yán)重，燃燒室點(diǎn)火初始溫度和排氣初始溫度均會較高，不利于發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因而對發(fā)動機(jī)初始供油量進(jìn)行優(yōu)選，獲得在本試驗條件下發(fā)動機(jī)最優(yōu)初始供油量為0.56 g/s。

綜合以上分析，在本文試驗條件下對發(fā)動機(jī)風(fēng)車階段、丙烷起動階段和供油起動階段進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)選獲得了1套發(fā)動機(jī)風(fēng)車到供油點(diǎn)火過程中的最優(yōu)點(diǎn)火起動參數(shù)，同時在本試驗條件下優(yōu)化得到了最優(yōu)的風(fēng)車起動過程。當(dāng)丙烷點(diǎn)火來流為6.51 m/s，丙烷點(diǎn)火轉(zhuǎn)速為3360 r/min，丙烷供氣量為0.125 g/s，供油點(diǎn)火發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度為11.3 m/s，初始供油量為0.56 g/s下進(jìn)行風(fēng)車起動，發(fā)動機(jī)可達(dá)到最優(yōu)的點(diǎn)火起動狀態(tài)。在本試驗條件下的風(fēng)車階段和丙烷起動階段，發(fā)動機(jī)起動加速時間可分別相對縮短42%和53%。

3.2 風(fēng)車起動供油規(guī)律研究

在發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度條件、丙烷壓力、丙烷流量和點(diǎn)火轉(zhuǎn)速等條件相同時，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火起動試驗，起動后分別以均勻加速、先慢后快、先快后慢的加速特點(diǎn)供油，以獲取不同供油規(guī)律對發(fā)動機(jī)供油起動過程的影響。試驗參數(shù)見表3。

表3 不同供油規(guī)律試驗參數(shù)

在不同供油規(guī)律下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化關(guān)系如圖6所示。在3種供油規(guī)律下發(fā)動機(jī)起動過程相同，但加速時間各異，其中均勻加速時加速最慢，加速斜率最小，從供油點(diǎn)火成功到慢車狀態(tài)加速時間為130 s,平均加速度為350 rad/s；在先慢后快的供油規(guī)律下，發(fā)動機(jī)加速更快一點(diǎn)，從供油點(diǎn)火到慢車狀態(tài)加速時間為90 s，平均加速度為300 rad/s；而在先快后慢的供油規(guī)律下，發(fā)動機(jī)加速最快，從供油點(diǎn)火到慢車狀態(tài)加速時間為80 s,平均加速度為320 rad/s。

在發(fā)動機(jī)從起動到慢車階段過程中，B種供油規(guī)律條件下加速時間相對最短，即該階段最優(yōu)控制規(guī)律為供油斜率先大后小、供油先快后慢。因而在本試驗條件下發(fā)動機(jī)相對最短加速時間約為82 s，相比于A種供油規(guī)律下加速時間可縮短約36%。

圖6 不同供油規(guī)律下轉(zhuǎn)速隨時間變化關(guān)系

3.3 慢車以上階段優(yōu)化

在發(fā)動機(jī)進(jìn)入慢車狀態(tài)后，對發(fā)動機(jī)以不同的供油規(guī)律進(jìn)行自動供油，完成發(fā)動機(jī)從慢車到80%全轉(zhuǎn)速的試驗。在4種不同供油規(guī)律下，發(fā)動機(jī)加速過程的轉(zhuǎn)速隨時間變化如圖7所示。在4種不同供油規(guī)律下，發(fā)動機(jī)由慢車到80%全轉(zhuǎn)速過程中其轉(zhuǎn)速隨時間的變化基本為線性增加，但增加的斜率各不相同，發(fā)動機(jī)加速時間分別為10、17、75和150 s。同時也進(jìn)一步說明發(fā)動機(jī)在加速過程中，最大可實現(xiàn)6500 rad/s的加速度。

圖7 不同加速過程發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化關(guān)系

通過對比4種不同供油規(guī)律下發(fā)動機(jī)從慢車加速到80%全轉(zhuǎn)速狀態(tài)的試驗結(jié)果可知，發(fā)動機(jī)在10 s供油規(guī)律下加速時間相對最短，即相對最優(yōu)的供油規(guī)律分為2段加速，前段供油斜率較大為0.79，后段供油斜率較小為0.14。在此供油規(guī)律下發(fā)動機(jī)加速時間相比于150 s加速狀態(tài)下加速時間可縮短93%。

4 結(jié)論

本文對MTE-A型微型發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動過程中風(fēng)車特性、丙烷點(diǎn)火特性、供油點(diǎn)火特性進(jìn)行研究，獲得如下結(jié)論：

（1）以發(fā)動機(jī)風(fēng)車特性為基礎(chǔ)，在不同來流條件下對發(fā)動機(jī)進(jìn)行丙烷點(diǎn)火特性研究，獲得丙烷點(diǎn)火包線和熄火邊界。在風(fēng)車條件下，能夠可靠進(jìn)行丙烷點(diǎn)火的來流速度范圍為5～10.33 m/s，丙烷濃度范圍為0.502%～1.343%；發(fā)動機(jī)丙烷不熄火的來流速度范圍為5～25 m/s，最低濃度邊界為0.12%，最大丙烷濃度邊界為14.4%。

（2）通過對發(fā)動機(jī)風(fēng)車階段、丙烷點(diǎn)火階段、供油點(diǎn)火階段的特性進(jìn)行研究，獲得發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動過程各影響參數(shù)的邊界范圍，從而選取1套合理的風(fēng)車起動參數(shù)，并以此成功進(jìn)行風(fēng)車起動試驗，將發(fā)動機(jī)運(yùn)行至慢車狀態(tài)，同時驗證了各影響參數(shù)選取的合理性。

（3）通過對發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動加速過程中的供油規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，獲得了在試驗條件下的最優(yōu)供油規(guī)律。在發(fā)動機(jī)從起動到慢車階段過程中，發(fā)動機(jī)以供油斜率先大后小、供油先快后慢的供油規(guī)律加速，獲得相對最短的加速時間，即相對最優(yōu)的供油規(guī)律為先快后慢。在發(fā)動機(jī)從慢車到80%全轉(zhuǎn)速狀態(tài)過程中，發(fā)動機(jī)在10 s供油規(guī)律下加速時間相對最短，即相對最優(yōu)的供油規(guī)律分為2段加速，前段供油斜率較大為0.79，后段供油斜率較小為0.14。

（4）在研究過程中，描述MTE-A的相關(guān)起動規(guī)律的參數(shù)為無量綱參數(shù)，與發(fā)動機(jī)幾何尺寸無關(guān)，根據(jù)相似原則，研究中獲得的相關(guān)結(jié)論對其它結(jié)構(gòu)形式和起動過程類似的微小型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)有一定借鑒作用。

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Study on Micro Turboengine Windmill Starting Characteristics

WAN Zhao-yun
（AECC Aero Engine Control System Institute,Wuxi Jiangsu 214063）

Based on a micro turbojet engine prototype and by the method of numerical simulation and experiment,the starting characteristics of micro turbojet engine windmilling were studied in this paper.Based on experiment,the influences of propane ignition time and propane pressure upon engine rotation speed and combustion chamber temperature were studied to meet the demand of combustion in the shortest possible time,as well as confirmed the minimum required propane.Further experiments show that in the experimental conditions of the engine from the start state to the idle state,the process to slow down after the oil law shortest start acceleration time can be about 82 s.Eighty percent of the engine from idle to full speed during the state to achieve the shortest relative acceleration time for oil law can be divided into two sections,the front slope of the larger oil supply is 0.79,while the final part slope of the smaller oil supply is 0.14.It can be well referenced by other micro turbojet engines which have similar structure and starting process

micro engine;windmill starting;low speed characteristic;ignition characteristic；aeroengine

V 235.11

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.06.005

2016-03-01基金項目：國家重大基礎(chǔ)研究項目資助

萬照云（1987），男，碩士，工程師，主要從事發(fā)動機(jī)控制方面工作；E-mail：xgdwanzhaoyun@163.com。

萬照云.微型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動特性研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2016,42（6）：30-35.WAN Zhaoyun.Study on micro turboen gine windmill starting characteristics[J].Aeroengine，2016,42（6）：30-35.

（編輯：栗樞）