航空发动机燃油系统及其附件爆炸大气试验技术研究

李 琼，张 华

（中国航发控制系统研究所，江苏无锡214063）

航空发动机燃油系统及其附件爆炸大气试验技术研究

李 琼，张 华

（中国航发控制系统研究所，江苏无锡214063）

燃油系统及其附件爆炸大气试验在航空发动机研制过程中极其重要。简述了航空发动机燃油系统及其附件爆炸大气试验技术的特点及国内外发展现状，分析了其试验技术发展需求。详细给出了航空发动机燃油系统及其附件爆炸大气试验的分类、试验要求、试验条件、试验方法和试验判据，并开展了某型航空发动机燃油系统液压机械装置爆炸大气试验验证。结果表明：该试验方案可行、数据可靠、结果有效，为航空发动机燃油系统及其附件爆炸大气试验的研究验证工作提供了依据。

燃油系统；附件；爆炸大气试验；航空发动机

0 引言

燃油系统是航空发动机的重要组成部分，其主要功能是向发动机燃烧室供给精确计量的燃油用于燃烧。燃油系统包括燃油泵、燃油滤及报警指示装置、燃油计量装置、燃油喷嘴、各类传感器以及燃油管路等部件，多暴露于油气等复杂的工作环境下，危险性较高[1-4]。根据航空发动机适航要求，燃油系统必须严格按适航规定进行爆炸大气试验验证，GJB 241A、GJB 242等规范也明确要求开展爆炸大气试验，用来验证燃油系统及其附件对爆炸大气环境的耐受能力。GJB 150A、HB 6167、RTCA/DO-160F、MIL-STD-810F 等规范则明确了爆炸大气试验的具体要求和方法。国外对航空发动机燃油系统附件的爆炸大气试验已形成分类明确、流程清晰的试验标准和规范，有专业的实验室，具备针对机电液多类型航空产品开展爆炸大气试验的设备条件，为航空产品防爆性能研究提供物理基础，并在此基础上提炼设计指南规范，指导产品设计[5-9]。例如法国透博梅卡公司（Turbomeca）对航空发动机产品的防爆设计开展了大量的理论分析和模拟试验研究，并应用于Arrius、Ardiden等系列涡轴发动机及相关产品设计中。而中国在航空发动机燃油系统及其附件的防爆性能研究方面起步晚，发展缓慢，国内的试验资源主要针对电子产品，缺少燃油系统及附件的试验环境，且温度、高度模拟等条件无法满足标准和实际工况要求。受试验条件等限制，目前中国还没有开展航空发动机燃油系统及附件的防爆性设计和爆炸大气试验的验证。

本文阐述了航空发动机燃油系统及其附件爆炸大气试验类别、试验条件、试验要求、试验方法和试验判据，并开展了爆炸大气试验验证，为航空发动机燃油系统及其附件防爆性研究验证工作提供了参考。

1 试验标准

1.1 试验类别

爆炸大气试验是军用装备环境试验方法系列标准中的重要内容之一，适用于在爆炸性大气附近使用的所有装备。参照国内外相关标准，对爆炸大气试验方法的解析如下：

（1）国内外爆炸大气试验标准有GJB 150A、HB 6167、RTCA/DO-160G、MIL-STD-810F 等 ，HB6167.7是参照RTCA/DO-160G第9章（爆炸大气）进行编写的，其内容基本一致，GJB 150.13A与MIL-STD-810F中511.4章节内容基本一致。针对试验分类，HB 6167.7、GJB 150.13A、MIL-STD-810F（511.4）的对比见表1。

表1 爆炸大气试验标准对比

（2）爆炸大气试验的目的是检查机载设备的外壳隔断其内部发生的爆炸和燃烧而使之不蔓延到该设备外部的能力（即隔爆能力），或检查机载设备在易燃气体中工作而不引起爆炸的能力（即防爆能力）；

（3）对应上述2种不同的试验目的，试验程序分为A类、E类和H类试验（RTCA/DO-160G、HB 6167中的规定），或程序Ⅱ和程序Ⅰ（GJB 150A、MIL-STD-810F中的规定）；

（4）在隔爆试验过程中要求将可燃气体引入试验件内部并使用火花隙与标准描述一致引爆，试验件内部的爆炸不应引起试验箱内混合气体的爆炸；

（5）在防爆试验过程中要求试验件处于运行状态且全部电接触器正常工作，不应引起试验箱内混合气体的爆炸；

（6）防爆（热点）试验主要针对密封、存在热点表面并且在正常工作条件下不产生火花的设备，要求试验件在正常使用条件下，任何外表面温度不会升高到引燃周围易燃气体的程度。在试验过程中试验箱不通可燃气体，仅要求试验件处于运行状态且全部电接触器正常工作，试验件温度不应超过204℃。HB 6167.7中的H类试验程序与之对应，而GJB 150A、MIL-STD-810F中没有对应的试验程序。

1.2 试验要求

爆炸性大气试验适用于在爆炸性大气环境中使用的所有装备。设备的防爆性能取决于设备在正常使用状态或故障条件下防止/耐受爆炸的能力[9]。

根据航空发动机燃油系统及其附件的组成架构和实际使用情况，故障发生引起燃油溢出或者泄漏时，产品会暴露在可燃混合液体或气体的大气环境中，由于外壳不具有防火焰和爆炸蔓延功能，按要求应进行防爆试验和热点试验。

2 试验条件

2.1 燃料选择

使用比例适当的均一燃料和空气混合气体进行爆炸性大气试验。除另有规定外，使用正已烷作为燃料（试剂级或者含95%正已烷、5%正已烷异构体的混合气体），主要原因有[10-13]：

（1）正已烷在可燃性大气中的燃烧和爆炸特性相当于辛烷值为100/130的航空汽油、宽馏分喷气燃料和高闪点喷气燃料；

（2）正已烷与空气的最佳混合比气体的自燃温度最低，其能在低至234℃的热点温度下点燃，而宽馏分喷气燃料和空气最佳混合比气体的最低自燃温度为242℃，100/130辛烷值的航空汽油和空气最佳混合比气体的最低自燃温度为440℃；

（3）点燃正已烷与空气最佳混合比气体的火花能量最低。正已烷和100/130辛烷值的航空汽油所需的最低火花能量基本相同，而点燃宽馏分喷气燃料和高闪点喷气燃料与空气最佳混合比气体所需要的能量比100/130辛烷值的航空汽油所需的最低火花能量高出1倍多；

（4）正已烷是1种具有较高挥发性的液体（挥发速度比酒精快），能够有效防止气体冷凝对燃料浓度的影响。

2.2 温度

燃料和空气混合气体应加热达到试件在实际工作中所遇到的最高环境温度，并在此温度下完成所有试验。

2.3 高度模拟

点燃燃料和空气混合气体所需的能量随着压力的降低而增加，但对于低于海平面的试验高度，这一能量降低则不明显。因此，除另有规定外，至少应模拟2个高度开展试验。1个是装备预期的最高使用高度，该高度不应超过12200 m（在此高度以上爆炸的可能性消失）；另1个是在压力为78～107 kPa之间，代表大部分地面环境压力[12]。

2.4 燃料用量

式中：N为95%正已烷体积，mL；V为试验箱净容积，L；P 为试验箱压力，Pa；T 为试验箱温度，K；ρ为正已烷的比重，g/mL，如图1所示。

3 试验方法

3.1 防爆试验

3.1.1 试验流程

防爆试验流程如图2所示。

在试验过程中，应注意以下事项[14-15]：

（1）试验前应对试件进行分析，在不影响试件正常工作的情况下，应将试件外部密封外壳拆去或者松开，以便于爆炸性混合气体渗入内部；

（2）试验时要求试件处于工作状态，且应根据产品的工作特性设置或模拟试件可能处于的能量输出、温度提升等最高边界情况；

（3）针对由飞机供电的设备，应考虑电源瞬变对产品本身以及爆炸性大气试验造成的影响。试验应规定试件的电载荷，在通电工作的同时，进行电压尖峰和过压浪涌测试，应合理设置通断电频数和通断电时间，与试验过程中的模拟高度降低速率相匹配；

（4）爆炸性大气试验是1个低气压试验，通过降低压力模拟试验高度，因此密封性要求较高，应考虑在机械负载连接、油气及引线接口等方面可能产生的气体、液体、电等泄漏对试验的影响。

3.1.2 试验判据

在试验过程中，燃料和空气的混合气体被点燃，则判定试验未通过。

3.2 热点试验

热点试验按以下步骤进行：

（1）调整试验温度至在产品实际工作状态下可能达到的最高工作环境温度；

（2）试件通电并按正常模式工作。根据产品的工作特性设置或模拟试件可能处于的能量输出、温度提升等最高边界情况，直到其达到热稳定，记录试件表面的最高温度。

判据：在试验过程中，试件表面温度超过204℃，则判定试验未通过。

4 试验实例

4.1 试验原理

试件为某型涡轴发动机燃油系统液压机械装置，包括齿轮泵、活门组件、电磁阀、电液伺服阀、位移传感器、温度传感器等部件；试验原理如图3所示。

按照试验要求，开展防爆试验和热点试验。

4.2 试验过程

根据设计文件确定试件的工作状态、试验温度、试验高度、燃料用量：

（1）试验温度：0～75 ℃；

（2）试验高度：8000 m、地面高度；

（3）正已烷用量：97、195 mL；

（4）试件工作状态：转速为5490 r/min，燃油流量为220 L/h，电气成附件：电磁阀、传感器、电液伺服阀等根据工作状态通额定电流或电压。

4.3 试验结论

防爆试验结论：按流程完成防爆试验（图2），在试验过程中试件工作正常，未点燃可燃气体，通过防爆试验。

热点试验结论：试件在工作过程中，表面最高温度未超过204℃（重点关注部位，如齿轮泵、电磁阀处温度测量数据，如图4所示），通过热点试验。

5 总结

（1）通过研究航空发动机燃油系统及附件爆炸大气试验技术，确定了试验方法和试验流程。

（2）通过对某型航空发动机燃油系统及附件产品开展爆炸大气试验，验证了试验方法、试验流程，试验结果满足爆炸大气试验要求。

（3）航空发动机燃油系统及附件产品可参照本文方法开展爆炸大气试验，具体型号产品开展试验时应考虑产品自身的需求。

[1]Oliver H,MMI Engineering,Brookline,et al.Assessing explosion hazards in gas turbine enclosures[R].AIAA-2011-527.

[2]Planas C,Eulàlia,Vílchez.Fire and explosion hazards during filling/emptying of tanks[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,1999,12（6）：479-483.

[3]Andrei R,Heinz W,Pietro M.Risk assessment of hydrogen explosion for private car with hydrogen-driven engine[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36（3）：2398-2406.

[4]Troitzsch,Juergen.Fire safety of E and E equipment standards,tests and studies [J].Polymer Degradation and Stability,1999,64（3）：557-560.

[5]Kim A,Liu Z,Crampton G.Study of explosion protection in a small compartment[J].Fire Technology,2007,43（2）：145-172.

[6]Akinin N I,Matveev A A.Improved classification of explosion and fire safety[J].Coke and Chemistry,2014,57（11）：448-452.

[7]Bokulich F.Explosion suppression foam used on aircraft[J].Aerospace Engineering,1999,19（3）：12-13.

[8]Markowski.Adam S.A review of layer of protection analysis techniques for oil and gas industry[J].International Journal of Oil,Gas and Coal Technology,2012,5（1）：66-79.

[9]Broeckmann B,Alfert F,Rogers R L.Fire and explosion protection in dryers[J].Occupational Health and Industrial Medicine,1997,36（1）：18.

[10]Tamanini F,Chaffee J.Mixture reactivity in explosions of stratified fuel-air layers[J].Process Safety Progress,2000,19（4）：219-227.

[11]Li X R,Lim W S,Iwata Y.Thermal characteristics and their relevance to spontaneous ignition of refuse plastics/paper fuel[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2009,22（1）：1-6.

[12]Chughtai A R,Kim J M,Smith D M.The effect of air/fuel ratio on properties and reactivity of combustion soots[J].Journal of Atmospheric Chemistry,2002,43（1）：21-43.

[13]Bulysova L A,Gorban V D.The effect of fuel and air agitation on the combustion process in a low-emission combustion chamber[J].Thermal Engineering,2013,60（9）：619-627.

[14]Yildiray Y,Anuradha M A,Diana Y.Spark ignition engine fuel-to-air ratio control:An adaptive control approach[J].Control Engineering Practice,2010,18（2）：1369-1378.

[15]Johnson R T,Schlose W F.Explosion-proof test criteria for reconnaissance equipment[R].AIAA-1957-387.

Research on the Explosive Atmosphere Testing Technology of the Fuel System and its Accessories

LI Qiong,ZHANG Hua
（AECC Aero Engine Control System Institute,WuXi Jiangsu 214063,China）

The explosive atmosphere testing technology of the fuel system and its accessories are important in development process of aeroengine.The characteristic and development status of the technology in the world were reviewed.The development requirement of the technology was analyzed.The test categorization,test requirement went,test conditions,test procedure and test criterion for the explosive atmosphere testing technology of the fuel system and its accessories were provided in detail.Explosive atmosphere tests of an aeroengine fuel system hydro-mechanical unit were carried out.Results show that the test plots are feasible,the data are reliable and the results are effective,which provide an efficient method for explosive atmosphere test of aeroengine fuel system and its accessories.

fuel system;accessories;explosive atmosphere test;aeroengine

V 231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.014

2016-05-09 基金项目：航空动力基础研究项目资助

李琼（1986），女，硕士，工程师，从事航空发动机燃油系统总体设计；E-mail:angelqiong@126.com。

李琼，张华.航空发动机燃油系统及其附件爆炸大气试验技术研究[J].航空发动机，2017，43（3）：74-77.LI Qiong,ZHANGHua.Research on the explosiveatmospheretestingtechnologyofthefuelsystemanditsaccessories[J].Aeroengine，2017，43（3）：74-77.

（编辑：赵明菁）