直升機燃油系統(tǒng)氣塞現(xiàn)象的適航性設計及驗證方法研究

董宏清，尹 晶，顧 新

( 中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機燃油系統(tǒng)氣塞現(xiàn)象的適航性設計及驗證方法研究

董宏清，尹 晶，顧 新

( 中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

適航條款CCAR2729.961條要求直升機應通過試驗驗證其在熱氣候條件下正常工作的能力。通過對適航要求及驗證方法的研究，提出了燃油系統(tǒng)設計及符合性驗證的建議及指南，為后續(xù)型號設計及適航驗證工作提供參考。

燃油系統(tǒng)；氣塞；熱油；適航

0 引言

直升機燃油系統(tǒng)中的燃油會吸收或釋放出一些空氣或燃油蒸汽，當燃油系統(tǒng)向發(fā)動機供油時，燃油中分離出來的空氣和燃油蒸發(fā)的油氣在燃油管路中產(chǎn)生大量的空氣泡和蒸汽泡，這些蒸汽泡和空氣泡還可能聚集起來，影響燃油系統(tǒng)向發(fā)動機正常供油，甚至造成供油中斷，從而導致發(fā)動機工作不穩(wěn)定，甚至間斷或停車。這種由于燃油系統(tǒng)供油時燃油油氣或空氣混合物導致發(fā)動機正常工作改變的現(xiàn)象，通常稱為氣塞現(xiàn)象[1]。

由于氣塞現(xiàn)象容易導致直升機發(fā)生飛行安全事故，因而引起了人們的高度關注。美國聯(lián)邦航空局(FAA)、中國民用航空局(CAAC)等針對航空器燃油系統(tǒng)提出專門的適航條款27.961和29.961條“燃油系統(tǒng)在熱氣候條件下的工作”，要求采用抽吸式燃油系統(tǒng)和其它易形成油汽的燃油系統(tǒng)的直升機，應通過試驗驗證能夠在形成油氣最臨界條件下正常工作。

1 適航條款要求

1.1 適航條款背景及修訂情況

1964年，美國聯(lián)邦航空局(FAA)在原民用航空規(guī)章CAR6(正常類旋翼航空器)、CAR7(運輸類旋翼航空器)的基礎上，發(fā)布了新版的旋翼航空器的適航規(guī)章FAR27(正常類旋翼航空器)、FAR29(運輸類旋翼航空器)。其中，關于燃油系統(tǒng)在熱氣候條件下的工作的適航條款FAR27.961、29.961分別源自CAR6.417、7.417。

1988年10月，F(xiàn)AA經(jīng)過廣泛征詢意見并深入探討和研究后，對相關適航規(guī)章實施了新一輪完善更新，對FAR27、29部等動力裝置相關適航規(guī)章進行了修訂(修正案號為：27-23,29-26)。其中，關于27.961、29.961條“燃油系統(tǒng)在熱氣候條件下的工作”也進行了相應的修訂，修訂的內容主要如下：

1)增加了對條款中“臨界工作狀態(tài)”的補充說明，指出臨界工作狀態(tài)應包括2729.927(b)(1)和(b)(2)款所提出的超功率狀態(tài)；

2)由于存在某些燃油系統(tǒng)經(jīng)驗證“不產(chǎn)生氣塞現(xiàn)象”但是不能完全滿足發(fā)動機泵入口要求，因而可能由于泵氣蝕導致過度磨損等不安全的情況，因此，將原條款要求“不產(chǎn)生氣塞現(xiàn)象”修改為“發(fā)動機能在合格審定范圍內滿意地工作”，使條款要求更加全面、更嚴格；

3)對原29.961進行簡化，刪除了原條款中對驗證試驗的一些不必要的細節(jié)的要求，這些要求可以納入咨詢通告中作為建議的驗證方法，而不必作為規(guī)章標準。

1.2 適航條款原文

經(jīng)修訂后，27.961條與29.961條內容和要求基本相同，條款原文具體如下：

1)27.961條

“對虹吸式燃油系統(tǒng)和其它易形成油氣的燃油系統(tǒng)，必須用試驗表明，在臨界工作條件下(如果適用，還包括第27.927 條(b)(1)和(b)(2)定義的發(fā)動機工作狀態(tài))，燃油溫度為110℉(43℃)時，發(fā)動機能在合格審定范圍內滿意地工作?！盵2]

2)29.961條

“對虹吸式燃油系統(tǒng)和其它易形成油氣的燃油系統(tǒng)，必須表明在下述條件下能良好運行(在合格證限制范圍內)：即在臨界運行狀態(tài)下，包括由第29.927 條(b)(1)和(b)(2)定義的發(fā)動機運行狀態(tài)的適用情況，在形成油氣的最臨界溫度下使用燃油?！盵3]

中國民用航空局(CAAC)頒發(fā)的旋翼航空器適航規(guī)章CCAR-27部《一般類旋翼航空器適航規(guī)定》、CCAR-29部《運輸類旋翼航空器適航規(guī)定》中，也制定了關于燃油系統(tǒng)在熱氣候條件下工作的適航條款，即27.96129.961條。1988年發(fā)布的原版條款CCAR27.96129.961條等同于FAR原始版要求，而2002年發(fā)布的經(jīng)修訂的R1版條款則等同于1988年修訂后的FAR條款。

1.3 適航要求簡析

本條款是針對燃油系統(tǒng)在形成油氣最臨界條件下的供油能力的要求，具體包括以下幾方面：

條款適用對象：抽吸式燃油系統(tǒng)，或者其他易形成油氣的燃油系統(tǒng)；

條款要求：要求燃油系統(tǒng)在最臨界的工作狀態(tài)下，在形成油氣最臨界的燃油溫度(43℃)下，發(fā)動機能在合格證限制范圍內良好地運行，包括不產(chǎn)生氣塞現(xiàn)象。

驗證方法：必須通過飛行試驗進行驗證，即熱油飛行試驗，模擬直升機在燃油溫度達到43℃的條件下進行最臨界工作狀態(tài)的飛行。

2 燃油系統(tǒng)的油氣及氣塞現(xiàn)象

由于航空燃油具有易揮發(fā)性和空氣相容特性，因此直升機燃油系統(tǒng)中通常會含有一定的燃油蒸汽和空氣，當燃油系統(tǒng)的溫度及外界氣壓變化時，燃油系統(tǒng)中的燃油會相應地吸收或釋放一定的燃油蒸汽和空氣，直到燃油系統(tǒng)中空氣及燃油蒸汽壓力與大氣壓力相等。

直升機燃油系統(tǒng)向發(fā)動機供油，特別是采用抽吸式供油時，發(fā)動機燃油泵入口處容易形成負壓，溶解在燃油中的氣體釋放。當發(fā)動機燃油泵入口處釋放的氣體聚集到一定量時，就會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，造成發(fā)動機工作不穩(wěn)定。燃油系統(tǒng)中分離出來的空氣和燃油蒸發(fā)的油氣在燃油管路中產(chǎn)生大量的空氣泡和蒸汽泡，生成的大量蒸汽泡和空氣泡達到一定量時可能聚集起來，占據(jù)整個工作腔，造成供油中斷，從而導致發(fā)動機工作不穩(wěn)定，甚至間斷或停車,引發(fā)飛行安全事故。這種由于燃油系統(tǒng)供油時燃油油氣或空氣混合物導致發(fā)動機不正常工作的現(xiàn)象，即為氣塞現(xiàn)象。

業(yè)內常用汽液比(V/L)定義在某一溫度下，處于平衡狀態(tài)的汽相體積(包括空氣和燃油蒸汽)和液相體積(溶解了空氣的液體)之比。根據(jù)燃油的汽液比計算公式[4]：

式中：OC—在溫度為t[℃]時的奧斯特瓦爾德系數(shù)(即一定溫度和壓力下，當汽液兩相平衡時，單位液體中所溶解的氣體的體積)；P1—燃油箱在初始條件下的絕對壓力，KPa；Pf—發(fā)動機入口最終條件下的絕對壓力，KPa；PTVP—溫度為t時的燃油真實蒸汽壓力，KPa；t—發(fā)動機燃油入口處溫度，℃。

可知：燃油中汽液比與燃油溫度、發(fā)動機入口最終條件下的絕對壓力、燃油箱初始條件下壓力與發(fā)動機入口最終壓力差值(系統(tǒng)壓力損失)以及燃油真實蒸汽壓力和奧斯特瓦爾德系數(shù)值等因素相關，而其中燃油真實蒸汽壓力及奧斯特瓦爾德系數(shù)則是燃油自身的屬性，與燃油牌號相關。

綜合上述分析，直升機燃油系統(tǒng)的設計(包括燃油牌號，燃油供油方式及燃油系統(tǒng)的壓力損失)與外界條件(包括外界氣壓和燃油溫度)構成了燃油系統(tǒng)氣塞現(xiàn)象形成的兩大方面因素。但是，直升機進行機動過載飛行或最大速度爬升時，所需燃油流量較大，對于燃油中存在油氣更為敏感，也更容易發(fā)生氣塞現(xiàn)象。因此，直升機產(chǎn)生氣塞現(xiàn)象的影響因素主要包括：燃油牌號、供油管路的阻力損失、燃油溫度、最大燃油負壓頭、飛行高度、燃油流量、直升機爬升速度、機動飛行產(chǎn)生的過載。

3 適航要求對燃油系統(tǒng)設計的考慮和建議

直升機燃油系統(tǒng)按照供油方式一般可分為發(fā)動機抽吸供油和增壓供油兩類。根據(jù)氣塞現(xiàn)象的形成原理，抽吸式燃油系統(tǒng)極容易形成燃油系統(tǒng)的負壓頭，從而導致氣塞現(xiàn)象發(fā)生。因此，適航條款中也明確規(guī)定了，抽吸式燃油系統(tǒng)必須考慮本條款要求。而對于增壓供油系統(tǒng)，因為一般很難發(fā)生氣塞現(xiàn)象，則通常不必考慮本條款的要求。然而條款提出對于其他易于形成油氣的燃油系統(tǒng)，也應該考慮本條款的要求，并進行驗證。因此，對于增壓式燃油系統(tǒng)必須分析其燃油系統(tǒng)設計是否易于形成油氣，如以下幾點設計：

1)在燃油系統(tǒng)中，存在一個允許油汽積聚的高點位置，使燃油系統(tǒng)的油氣以及原本溶解于燃油系統(tǒng)的空氣及其它氣體在此高點積聚，當發(fā)動機工作時，導致發(fā)動機供油中斷，引發(fā)氣塞現(xiàn)象；

2)發(fā)動機燃油進口壓力相對燃油箱壓力是負值，這是由于增壓泵壓力低或燃油系統(tǒng)壓力損失大(但仍在燃油壓力限制以內)之故。

3)機體增壓泵實際沒有浸入燃油中，以致系統(tǒng)的一部分變成抽吸式。

4)泵流量相對于容量較低的增壓系統(tǒng)很難發(fā)生氣塞，但以下兩種情況下仍會發(fā)生：

① 如果燃油泵是帶內旁路的正排量式油泵，而且泵容量大大超過系統(tǒng)要求，泵內的極度再循環(huán)可能顯著地提高局部燃油溫度，導致泵氣蝕；

② 并聯(lián)泵系統(tǒng)，一個泵提供大部分燃油量，另一個泵成“空載”泵，僅提供可能被忽視的小部分燃油。“空載”泵由于燃油會如①所述的那樣產(chǎn)生極度再循環(huán)，可能遭受氣塞和氣蝕。

綜合上述分析，可以根據(jù)適航條款要求給出以下對直升機燃油系統(tǒng)設計的建議：

1)應對燃油系統(tǒng)出口(即發(fā)動機入口)的汽液比值進行計算，評估是否滿足發(fā)動機汽液比參數(shù)的限制要求；

2)應盡可能減小燃油系統(tǒng)的壓力損失(包括管路的壓損和設備的壓損等)，并對燃油壓損進行計算和測量，確保滿足發(fā)動機入口壓力要求；

3)應檢查系統(tǒng)設計是否存在容易引發(fā)氣塞現(xiàn)象的以上4點問題。

4 適航符合性驗證方法研究

4.1 適航要求分析

根據(jù)條款要求，燃油系統(tǒng)在臨界工作狀態(tài)下，形成油氣最臨界的溫度下，發(fā)動機能在合格審定的范圍內滿意地工作。

1)形成油氣最臨界的溫度

雖然在同樣的氣壓下，使用較熱燃油會導致更多的油汽形成，但FAR27部規(guī)定采用110℉，即43℃，F(xiàn)AR29部咨詢通告也推薦使用該溫度。

2)臨界工作狀態(tài)下

在本條款中，是指在形成氣塞現(xiàn)象或導致嚴重油氣發(fā)生的最臨界的工作狀態(tài)。當直升機處于燃油最大負壓頭或所需燃油流量較大的工作狀態(tài)時容易引發(fā)氣塞現(xiàn)象，即為最臨界工作狀態(tài)，如：飛行升限高度飛行，最大爬升速度，大機動飛行，大功率及最大扭矩狀態(tài)等。

3)發(fā)動機能在合格審定的范圍內滿意地工作

FAA將原條款的“不產(chǎn)生氣塞現(xiàn)象”，修訂為“發(fā)動機能在合格審定的范圍內滿意地工作”，要求燃油系統(tǒng)應在上述臨界條件下，確保發(fā)動機不發(fā)生氣塞現(xiàn)象，且燃油供給不能超過發(fā)動機的燃油入口要求，發(fā)動機各工作參數(shù)也應在規(guī)定的范圍之內。

4.2 適航符合性驗證指南

4.2.1 試驗條件

試驗燃油應加熱到至少43℃，如果直升機沒有限定使用燃油牌號，則試驗所用燃油應在43℃條件下，具有最高真實蒸汽壓力(TVP)[1]。

燃油應盡可能迅速加熱，因為加熱時間太長，汽化發(fā)生時間更長，會導致試驗結果不偏于保守。同樣地，加熱燃油在目標溫度以上，然后允許燃油冷卻到大氣溫度，這樣大大地導致“雷德”汽壓下降，并且使試驗不偏保守。[1]

如果試驗在低溫環(huán)境下進行，燃油管路、燃油箱等必須保溫，以確保燃油進口溫度和熱氣候情況下的進口溫度大致一致，這應通過測量發(fā)動機進口燃油溫度予以證實。

燃油的油面應該是符合試驗安全的最低油面，因為：29.955(a)(2)要求在低油面條件下具有足夠的燃油流量；此外，條款提出了“在臨界工作狀態(tài)”下驗證熱燃油良好工作的規(guī)定，此規(guī)定是指在最大爬升率和最大燃油負壓頭下的驗證，最大燃油負壓頭在最低油面時產(chǎn)生。

4.2.2 試驗程序要求：

1)機動飛行試驗，最大功率爬升到某一選擇的中等飛行高度,并在這一高度進行下述各種機動飛行：

① 低功率下降并迅速過渡到起飛功率；

② 用類似于飛行應變測量的載荷系數(shù)，轉彎和變距拉起；

③ 對具有30min和(或)2.5min一臺發(fā)動機不工作額定功率的多發(fā)旋翼航空器，從低功率到發(fā)動機最大功率做單發(fā)快速加速飛行，接著以一臺發(fā)動機不工作的30min功率進行巡航飛行。

2)使用升限飛行試驗，即爬升至最大使用升限，并在此高度上重復進行上述機動飛行試驗中的①～③。

除過渡狀態(tài)和下降狀態(tài)外，所用的可用功率應與海平面晝間溫度37.8℃和每1000m壓力高度溫度下降6℃的功率相當。

4.2.3 試驗判據(jù)

整個試驗期間發(fā)動機工作應該是正常的，即無喘振、失速、熄火等，并且發(fā)動機燃油輸入不應當超出要求。

4.3 AC313直升機熱油試驗驗證實例分析

4.3.1 AC313直升機燃油系統(tǒng)介紹

AC313直升機為中國直升機設計研究所研制的13噸級中大型運輸直升機，于2012年1月5日完成適航取證，取得民用航空器型號合格證。AC313直升機裝配了3臺PT6B-67A發(fā)動機，其燃油系統(tǒng)分三組裝配了8個燃油箱：其中1、2號油箱為前組，供給1號發(fā)動機；3、4、5號油箱為中組，供給3號發(fā)動機；6、7、8號油箱為后組，供給2號發(fā)動機和APU發(fā)動機。AC313直升機三臺發(fā)動機的燃油系統(tǒng)相互獨立，并且每臺發(fā)動機分別裝有2臺燃油增壓泵。由于發(fā)動機自吸油能力較強，AC313直升機手冊中規(guī)定在4500m高度以下允許不開泵飛行，飛行高度達到4500m時才強制要求打開燃油增壓泵。因此，AC313直升機存在著兩種供油方式，即在4500m以下高度，為發(fā)動機抽吸供油方式；4500m以上時，為增壓供油方式。根據(jù)CCAR29.961條要求，AC313直升機應進行熱油飛行試驗，以驗證當采用發(fā)動機抽吸供油方式時，燃油系統(tǒng)在熱氣候條件下能夠給發(fā)動機提供適當?shù)娜加?，滿足發(fā)動機正常工作需要。

4.3.2 試驗情況介紹

根據(jù)局方審查代表要求，為考核出最臨界的氣塞狀態(tài)，AC313直升機進行熱油試驗時，應以抽吸供油方式進行到最高使用升限高度或達到燃油低壓告警或其它異常狀態(tài)。AC313直升機共進行了3次熱油飛行試驗以驗證適航符合性，3次熱油試驗的情況見表1。

4.2.3 試驗結果及驗證符合性分析

以上三次熱油試驗，均選取供油最為臨界的1號發(fā)動機燃油系統(tǒng)作為熱油試驗對象，1號發(fā)動機供油油箱(即前組油箱)試驗前裝載600kg油量，以滿足試驗所需油量的最低油面要求。

三次試驗時，發(fā)動機入口燃油溫度均達到60℃，遠大于條款規(guī)定的43℃，滿足適航條款規(guī)定的燃油溫度。試驗采用專門的燃油加熱設備，通過熱水循環(huán)加熱的方式加熱燃油，避免直接加熱燃油帶來的安全隱患。

表1 AC313直升機燃油系統(tǒng)熱油試驗情況介紹

三次熱油試驗的內容及結果分別如下：

1)第一次試驗，采用增壓供油方式，飛行高度達到了6000m，并進行了加減功率、左右轉彎、俯沖拉起等機動動作飛行。在整個飛行過程中，發(fā)動機入口燃油壓力滿足發(fā)動機的要求，發(fā)動機無喘振、失速、熄火等異?，F(xiàn)象，發(fā)動機工作正常。

2)第二次試驗，采用發(fā)動機抽吸供油方式，飛行高度達到了4500m，并進行了加減功率、左右轉彎、俯沖拉起等機動動作飛行。在整個飛行過程中，發(fā)動機入口燃油壓力滿足發(fā)動機的要求，發(fā)動機無喘振、失速、熄火等異常現(xiàn)象，發(fā)動機工作正常。

3)第三次試驗，采用發(fā)動機抽吸供油方式，飛行高度達到了5900m。從地面爬升至高度5800m飛行試驗過程中，發(fā)動機入口燃油壓力滿足發(fā)動機的要求，發(fā)動機無喘振、失速、熄火等異?，F(xiàn)象，發(fā)動機工作正常；在爬升至5900m高度時，1發(fā)燃油壓力低告警，并導致發(fā)動機停車，未能完成加減功率、左右轉彎、俯沖拉起等機動動作的飛行。

根據(jù)上述三次試驗可以看出，AC313直升機進行了3次熱油試驗，試驗條件均滿足適航要求；第1次試驗，完成了增壓供油方式的使用升限飛行試驗；第2次試驗，完成了抽吸供油方式的使用升限飛行試驗，并可作為中等高度的機動飛行試驗；第3次試驗，完成了抽吸供油方式下的最大爬升試驗，并驗證出了發(fā)動機抽吸供油時最大的飛行高度。綜合三次試驗，完成了適航條款中要求的形成油氣最臨界溫度下的臨界的工作狀態(tài)的驗證，可以表明AC313直升機能夠在熱氣候條件下進行最臨界的工作，不會發(fā)生氣塞現(xiàn)象或其它故障狀態(tài)，滿足適航要求。

4 總 結

本文從條款的內容出發(fā)，通過對燃油系統(tǒng)氣塞現(xiàn)象的形成原理及影響因素進行分析，深入分析了直升機關于氣塞現(xiàn)象相關的適航要求，據(jù)此提出了燃油系統(tǒng)的設計建議和考慮，并結合AC313直升機驗證實例，提出了直升機燃油系統(tǒng)耐油氣的熱油試驗的符合性驗證方法指南，對于民用直升機燃油系統(tǒng)設計及適航條款驗證具有一定的指導意義。

[1] 中國民航沈陽航空器適航審定中心.美國聯(lián)邦航空局運輸類旋翼航空器適航規(guī)定咨詢通告[S].2010.

[2] 中國民用航空局.正常類旋翼航空器適航規(guī)定[S].2002.

[3] 中國民用航空局.運輸類旋翼航空器適航規(guī)定[S].2002.

[4] 葉寧武.燃油系統(tǒng)汽液比計算方法[J].直升機技術，2009(1):27-30.

Study of Airworthiness Design and Verification Method on Vapor Lock of the Helicopter Fuel System

DONG Hongqing, YIN Jing, GU Xin

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

The airworthiness regulation CCAR2729.961 of helicopters require that the helicopter should be demonstrated that it can operate well in hot weather by tests. On the basis of the research on airworthiness requirement and means of compliance, the suggestion and guidance of fuel system designing and compliance was proposed。

fuel system; vapor lock; hot fuel; airworthiness

2015-09-21 作者簡介：董宏清(1987-)，男，江西省萬年縣人，本科，工程師，主要研究方向：適航技術與取證管理。

1673-1220(2016)02-045-05

V233.2；V221+.91

A