某型涡轴发动机排气冒烟试验研究
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摘 要：本文介绍了某型涡轴发动机排气冒烟试验的排烟测量方法、测量系统、取样时长、试验方法等。参考GJB 242-87的规定，分别采用主燃油和含体积为17%芳烃的燃油对发动机进行了排气冒烟试验，验证了该型发动机冒烟数SN（Smoke Number）的符合性，并通过分析掌握了发动机功率状态和芳香烃含量对排烟数的影响。本文的研究结论可为军民用涡轴、涡桨等中小型航空发动机的排烟测量和相关标准的制定提供参考。
关键词：整机试验 涡轴发动机 排气冒烟
中图分类号：V235.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0024-02
国际上对航空发动机的排放污染制定了严格标准，如国际民航组织（ICAO，International Civil Aviation Organization）1981年颁布的民用航空燃气轮机污染排放标准（CAEP1），规定了亚声速和超声速涡轮喷气和涡轮风扇发动机燃烧污染排放水平[1]，中国民用航空规章CCAR-34测试大纲和芝加哥公约附件16第二卷中均对民用发动机烟雾排放制定了限额标准[2-5]，但未对涡轴、涡桨等中小型航空发动机的排烟问题做出具体规定。
由于直升机主要在3000m以下低空飞行，使用场所与起降场地比大型飞机场更接近市区，其污染排放对生活环境所造成的影响可能比大型飞机更直接。国家军用标准GJB 242-87中要求对涡轴发动机进行排气污染试验[6]，其中就包括排气冒烟试验。本文参照242的要求开展排气冒烟试验研究，掌握了该型涡轴发动机SN的大小及影响因素，为该型发动机的研制奠定了坚实的基础，同时可为军/民用涡轴、涡桨等中小型航空发动机的排烟测量和相关标准的制定提供参考。
1 排烟测量方法
目前，排气冒烟测量有三种基本方法：光度吸收法[8]、过滤法和目测比较法。试验根据我国航空部制定的HB 6116-87《航空燃气涡轮发动机排气冒烟测量规范》[7]的要求，采用过滤法进行排气冒烟的测量，其试验原理是让一定质量流量的尾气样本通过滤纸，通过反射率计测量滤纸绝对反射率的减少量而间接得到烟雾的浓度。根据标准取样量下样气经过滤纸后的烟痕情况确定冒烟数SN。
2 排烟测量系统
根据HB 6116-87的要求设计了排气冒烟测量系，系统示意图见图1。
（1）采用一个浮子流量计对取样流量进行测量，取样感头为3支，均匀布置在发动机喷管出口面上，每支包含5个取样点，按等面积分布于取样平面，为提高取样精度，在发动机状态允许的情况下，取样平面尽可能靠近发动机喷管出口面。每支取样感头取得的5点样气经混合汇至一点，再经三通结构的管路将三支取样感头共计15点的样气混合至一条管路。
（2）系统配置4个阀门，阀门A为快速动作的三通阀，有“关闭”、“取样”、“旁路”三个位置，阀门B和C为调节阀，用来调节系统的流量，阀门D为截止阀，用来切断通往过滤纸夹头的流路;在滤纸夹头后面放置无油真空泵（无润滑油，避免污染样气），以防流量不足。
（3）过滤纸采用国际通用的whatman 4号滤纸，灵敏度较高，反射率测量仪指示仪表精度优于1.5%。
（4）样气通过过滤器时会在过滤纸上沉积，从而获得带烟痕的过滤纸样品，由过滤纸样品的绝对反射率的减少量得到冒烟数后结合实时的样本流量、温度、压力和质量，进行数据处理后得到最终的。
（5）为提高测试精度，减少水蒸气的影响，从感头出口到过滤纸夹头进口之间的取样管路应尽可能短（不超过25m），采用自动控温保温装置（取样管路温度保持在在80±10℃）。
（6）采用精密压力表来测量管路中的样气压力;温度变送器来测量管路中的样气温度;浮子流量计来测量管路中的样气流量;反射率测定仪来测量滤纸的反射率。
3 试验方法
参照GJB242-87规定分别对发动机进行主油路RP-3燃油供油排气冒烟试验和含体积为17.0%芳烃的RP-3燃油供油排气冒烟试验。其中，主油路所供燃油芳烃含量为14.6%，而17.0%芳烃含量的燃油是通过向燃油中添加甲苯来达到规定的芳烃含量的，试验设计了两套独立的燃油供应系统。
3.1 试验程序
参照HB HB6116-87的试验程序，取样前对系统进行了泄漏检查和清洁检查。发动机分别在地慢、75%最大连续、最大連续和中间状态各停留10min，待发动机状态稳定后进行排气冒烟采集操作，每个状态连续采样三次。在试验过程中密切关注发动机工作情况及尾喷管排气情况并记录，如有异常立即停车。
3.2 排气冒烟采集程序
将滤纸剪成合适的大小和形状，当发动机试验状态稳定后在每次测量前，用已预热好的反射率测量仪测量其反射率，记为Rw，安装滤纸到滤纸夹头上，打开主路阀门和真空泵，用浮子流量计监测样气流量，保证测试管路中的样气流量为14±0.5L/min，同时测量并记录管路中的样气压力和样气温度，计算出的取样量时间进行取样，然后关闭主路阀门和真空泵，取出夹头处的滤纸，检查滤纸上是否有水，如果有则需要清理夹头处的积水，如果没有则用放射率测量仪测量滤纸迎着气流面的反射率，记为Rs，利用冒烟数计算公式计算出冒烟数。完成测试后，关闭进样阀，重新换上一张干净滤纸，进行下一次测试。 4 试验结果及分析
发动机按要求完成了排气冒烟试验，功率状态和芳香烃含量对排烟数的影响分析见图2和图3。
试验及分析结果表明：
（1）随着发动机功率的不断提升，冒烟数逐渐增加;同功率状态下，芳烃含量越高，冒烟数越大。
（2）当发动机采用主燃油供油进行试验时（芳烃含量14.6%），仅在中间状态观察到排气冒烟现象。
（3）当发动机采用含芳烃17.0%的燃油供油进行试验时，在最大连续和中间状态两个状态下观察到排气冒烟现象。
（4）在排除取样时间的影响后，冒烟数随芳香烃含量增加而线性增加。
5 结语
（1）国内首次开展了某型涡轴发动机的排烟测量试验，排烟测量系统满足HB6116-1987要求，测量结果符合型号规范的要求（用至少含体积17%的芳香族的3号喷气燃料（GB6537）级燃油和用HB6116方法测量的SN≤45），同时满足CCAR-34烟雾排放标准的要求（SN≤50）。
（2）试验表明，发动机功率状态越高，滤纸反射率越低，冒烟数越大。
（3）提升燃油中的芳烃含量会增大排气中的冒烟数SN，在排除取样时间的影响后，冒烟数随芳香烃含量增加而线性增加。
参考文献
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