某型渦軸發動機排氣冒煙試驗研究

楊艷美 賀劍 宛何 何可

摘 ? 要：本文介紹了某型渦軸發動機排氣冒煙試驗的排煙測量方法、測量系統、取樣時長、試驗方法等。參考GJB 242-87的規定，分別采用主燃油和含體積為17%芳烴的燃油對發動機進行了排氣冒煙試驗，驗證了該型發動機冒煙數SN（Smoke Number）的符合性，并通過分析掌握了發動機功率狀態和芳香烴含量對排煙數的影響。本文的研究結論可為軍民用渦軸、渦槳等中小型航空發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），規定了亞聲速和超聲速渦輪噴氣和渦輪風扇發動機燃燒污染排放水平[1]，中國民用航空規章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動機的排煙問題做出具體規定。

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，其污染排放對生活環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，掌握了該型渦軸發動機SN的大小及影響因素，為該型發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。試驗根據我國航空部制定的HB 6116-87《航空燃氣渦輪發動機排氣冒煙測量規范》[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。根據標準取樣量下樣氣經過濾紙后的煙痕情況確定冒煙數SN。

2 ?排煙測量系統

根據HB 6116-87的要求設計了排氣冒煙測量系，系統示意圖見圖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，在發動機狀態允許的情況下，取樣平面盡可能靠近發動機噴管出口面。每支取樣感頭取得的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感頭共計15點的樣氣混合至一條管路。

（2）系統配置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為調節閥，用來調節系統的流量，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后結合實時的樣本流量、溫度、壓力和質量，進行數據處理后得到最終的。

（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規定分別對發動機進行主油路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定的芳烴含量的，試驗設計了兩套獨立的燃油供應系統。

3.1 試驗程序

參照HB HB6116-87的試驗程序，取樣前對系統進行了泄漏檢查和清潔檢查。發動機分別在地慢、75%最大連續、最大連續和中間狀態各停留10min，待發動機狀態穩定后進行排氣冒煙采集操作，每個狀態連續采樣三次。在試驗過程中密切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，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±0.5L/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，利用冒煙數計算公式計算出冒煙數。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

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

試驗及分析結果表明：

（1）隨著發動機功率的不斷提升，冒煙數逐漸增加;同功率狀態下，芳烴含量越高，冒煙數越大。

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

（3）當發動機采用含芳烴17.0%的燃油供油進行試驗時，在最大連續和中間狀態兩個狀態下觀察到排氣冒煙現象。

（4）在排除取樣時間的影響后，冒煙數隨芳香烴含量增加而線性增加。

5 ?結語

（1）國內首次開展了某型渦軸發動機的排煙測量試驗，排煙測量系統滿足HB6116-1987要求，測量結果符合型號規范的要求（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，發動機功率狀態越高，濾紙反射率越低，冒煙數越大。

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

參考文獻

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