涡轴发动机冒烟测量试验研究

宛何 廖姗 张立辉 赵建炜

摘 要：依据《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB 242—87）和《航空燃气涡轮发动机排气冒烟测量规范》（HB 6116—87）以及某型涡轴发动机的试验技术要求，对其进行排气冒烟试验研究。依据规范，采用符合要求的某涡轴发动机排气冒烟测量系统，并对冒烟数测量机理、取样时长、排气冒烟测量系统的工作过程、采集程序及试验结果进行了说明和分析。分别在使用规定的主燃油时和使用体积含量17%芳香烃的燃油时进行发动机排气冒烟试验，试验结果表明，某涡轴发动机排气冒烟数优于设计指标，该试验为降低涡轴发动机烟雾排放提供了有益的经验。

关键词：涡轴发动机;航空煤油;芳香烃;冒烟测量;试验研究

中图分类号：V216.5+7    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）12-0062-03

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

0    引言

国际上对化石燃料的燃烧产物引起的污染问题已经达成了共识，其主要来源之一是车用内燃机，已经提出了很多有效降低车用内燃机有害排放物的技术措施[1];而随着航空产业的发展，航空发动机所造成的排气污染也变得日益严重。我国参照美国联邦航空规章FAR 34部和国际民航公约附件16第Ⅱ卷制定了《涡轮发动机飞机燃油排泄和排气排出物规定》（CCAR-34）[2]，但其未对涡轴发动机排放标准进行规定。随着低空空域的逐渐开放，涡轴发动机的使用数量将不断增加，其烟雾排放的影响将不断扩大，可以预见，烟雾排放水平将成为制约涡轴发动机技术发展的重要因素之一。

国家军用标准《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB 242—87）要求对涡轴发动机进行排气污染试验[3]，分为两类：排气冒烟试验、排出不可见污染物试验。冒烟现象是源于悬浮于发动机排气中的微小固体颗粒群，它们主要是燃油燃烧时生成的以碳为主体的黑色烟粒，这些固体颗粒可以减少光的透射，引起可见烟的问题。发动机冒烟严重除了会引起环境恶化外，还会使飞机隐蔽性受到极大的威胁[4]，同时发动机冒烟性能也是反映发动机内部燃烧情况的一个必要条件[5-6]。本文对某涡轴发动机进行了排气冒烟试验研究，分别按照GJB 242—87中对排气冒烟试验的要求进行试验：即在使用规定的主燃油时，发动机在整个环境条件和工作包线内的任一功率下，不排出可见烟;在使用体积含量17%芳香烃的燃油时，发动机最大冒烟数SN（Smoke Number）满足设计指标。

1    冒烟数测量机理

冒烟的数据测量有两种基本方法：光度吸收法[4]和过滤法。

光度吸收法利用的是一个设计简单的基于光度吸收元件的仪表。烟气样品流经一个30 cm长的吸收元件，其一端有一光源，另一端有一光电管。烟浓度的变化使光电管接收的光线强度有相应变化。采用交流放大器和整流器的组合件来把光电管的电流放大，并把直流信号供给到输出表。这种仪表没有采用比较元件，并且光线未经平行校正，灵敏度在很大程度上取决于元件吸收壁的反射率，测试精度较低。

过滤法是通过过滤器滤纸绝对反射率的减少量而间接得到烟雾的浓度。通过调节阀保证每平方米过滤烟痕面积上流过标准取样量的采集样气，达到计算的取样时间后，用放射率测量仪测量滤纸迎着气流面的反射率。滤纸烟痕越深，过滤纸的绝对反射率越低，表示排气中冒烟数越大。我国航空部制定的《航空燃气涡轮发动机排气冒烟测量规范》（HB 6116—87）中确定采用过滤法进行冒烟数的测量。因此，本研究采用过滤法进行冒烟测量分析。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，其值在0～100，25以下无可见冒烟，数值越大表明冒烟情况越严重，冒烟数SN的计算公式如式（1）所示，文献[7]中对于排气冒烟数的测量有详细介绍。

SN=100×1-                     （1）

式中：Rs表示烟痕过滤纸的绝对反射率;Rw表示清洁过滤纸的绝对反射率。

2    取样时长及排气冒烟测量系统

HB 6116—87中规定标准取样量为每平方米过滤烟痕面积上滤过16.2 kg的样气，根据本次试验采用的过滤纸夹头实际过滤纸面积7.07 cm2确定，当样气通过过滤纸质量为11.453 g时，满足取样量的标准，根据理想气体状态方程得到式（2），用来计算取样量达到要求时所需时间：

t=    （2）

式中：t为取样量达到标准的时间（s）;P为取样管路中的样气压力（kPa）;T为取样管路中的样气温度（℃）;L为取样流量（L/min）;1.225 g/L为海平面空气密度。

图1是根据HB 6116—87设计的排气冒烟测量系统示意图。取样器周向分布三支，每支包含5個取样点，按等面积分布。每支取样器取得的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器共计15点的样气混合至一条管路。电伴热管长度大约10 m，试验期间保持取样管路温度在（80±10）℃。过滤纸采用国际通用的whatman 4号滤纸，夹头采用耐温耐腐蚀材料制成，能够牢固地夹紧滤纸，并满足整个系统对泄漏的要求。由于试验中发动机尾喷口处的压力为常压，为保证通过滤纸的样气流量达到航标中（14±0.5）L/min的要求，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。在抽气泵后、滤纸夹头前设置旁路，方便取样过程中的切换。采用精密压力表来测量管路中的样气压力，采用温度变送器来测量管路中的样气温度，采用浮子流量计来测量管路中的样气流量，采用反射率测定仪来测量滤纸的反射率。各测量仪器型号及精度如表1所示。

3    试验方案

试验对象为某型涡轴发动机，由粒子分离器、组合压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮及附件传动机匣组件等组成。排气冒烟试验在标准的整机试验台上进行。根据GJB 242—87规定分别对某涡轴发动机进行主油路燃油供油排气冒烟试验和含体积含量17.0%芳香烃的燃油供油排气冒烟试验。GJB 242—87规定芳香烃含量的本质是建立一个相同的基准，以便对不同的发动机进行烟雾排放水平的评估。本研究采用的主油路所供燃油芳香烃含量为14.6%，而17.0%芳香烃含量的燃油是通过向燃油中添加甲苯来达到规定的芳香烃含量，试验设计了两套独立的燃油供应系统。

3.1    试验程序

为研究不同功率状态下的发动机烟雾排放水平，根据《中国民用航空规章》第34部CCAR-34中规定的确定排气冒烟试验程序如图2所示，分别在地慢、75%最大连续、最大连续和中间状态各停留10 min，待发动机状态稳定后按第3.2节的排气冒烟采集程序进行排气冒烟采集操作，每个状态采样三次。在试验过程中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。关闭旁路阀门，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±0.5）L/min，同时测量并记录管路中的样气压力和样气温度，利用公式（2）计算出达到规定的取样量所需的时间，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。利用公式（1）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

试验得到发动机排气冒烟的测量结果，如表2所示。

试验结果分析表明：

（1）随着发动机功率的不断提升，冒烟数逐渐增加，中间状态下的冒烟数最大;

（2）当发动机采用主燃油供油时（芳香烃含量14.6%），仅在中间状态观察到排气冒烟现象，最大冒烟数平均值为31.0;

（3）当发动机采用含芳香烃17.0%的燃油供油时，在最大连续和中间状态两个状态下观察到排气冒烟现象，最大冒烟数平均值为33.8;

（4）提升燃油中的芳香烃含量会增大排气冒烟数SN，最大冒烟数提升幅度为8.2%。

5    结语

本文对某涡轴发动机进行了排气冒烟试验研究，研究表明，燃油中芳香烃含量对涡轴发动机烟雾排放的水平有重要影响，涡轴发动机烟雾排放水平的评定需要确定统一的芳香烃含量作为基准;为减小涡轴发动机的烟雾排放水平，可以使用芳香烃体积分数小的燃料。

[参考文献]

[1] 李志军，饶里，黄叶舟，等.车用汽油机排气污染控制技术[J].小型内燃机与摩托车，2001，30（2）：24-26.

[2] 涡轮发动机飞机燃油排泄和排气排出物规定：CCAR-34[S].

[3] 航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范：GJB 242—87[S].

[4] 任广旭，王琦.实验室条件下航空发动机冒烟问题研究[J].工程與试验，2009，49（2）：30-33.

[5] 王华芳，刘高恩，林宇震.高压燃烧室的冒烟测量[J].燃气涡轮试验与研究，2001，14（3）：34-37.

[6] 许全宏，林宇震，刘高恩，等.航空发动机高温升燃烧室贫油熄火及冒烟性能研究[J].航空动力学报，2005，20（4）：636-640.

[7] 刘高恩，王华芳，吕品，等.飞机发动机排气污染物的测量[J].航空动力学报，2003，18（3）：348-352.

收稿日期：2022-03-30

作者简介：宛何（1989—），男，安徽芜湖人，工程师，从事整机试验研究工作。