航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件爆炸大氣試驗(yàn)技術(shù)研究

李 瓊，張 華

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件爆炸大氣試驗(yàn)技術(shù)研究

李 瓊，張 華

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

燃油系統(tǒng)及其附件爆炸大氣試驗(yàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中極其重要。簡(jiǎn)述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件爆炸大氣試驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了其試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展需求。詳細(xì)給出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件爆炸大氣試驗(yàn)的分類、試驗(yàn)要求、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)判據(jù)，并開展了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置爆炸大氣試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該試驗(yàn)方案可行、數(shù)據(jù)可靠、結(jié)果有效，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件爆炸大氣試驗(yàn)的研究驗(yàn)證工作提供了依據(jù)。

燃油系統(tǒng)；附件；爆炸大氣試驗(yàn)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

燃油系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其主要功能是向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室供給精確計(jì)量的燃油用于燃燒。燃油系統(tǒng)包括燃油泵、燃油濾及報(bào)警指示裝置、燃油計(jì)量裝置、燃油噴嘴、各類傳感器以及燃油管路等部件，多暴露于油氣等復(fù)雜的工作環(huán)境下，危險(xiǎn)性較高[1-4]。根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航要求，燃油系統(tǒng)必須嚴(yán)格按適航規(guī)定進(jìn)行爆炸大氣試驗(yàn)驗(yàn)證，GJB 241A、GJB 242等規(guī)范也明確要求開展爆炸大氣試驗(yàn)，用來驗(yàn)證燃油系統(tǒng)及其附件對(duì)爆炸大氣環(huán)境的耐受能力。GJB 150A、HB 6167、RTCA/DO-160F、MIL-STD-810F 等規(guī)范則明確了爆炸大氣試驗(yàn)的具體要求和方法。國(guó)外對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)附件的爆炸大氣試驗(yàn)已形成分類明確、流程清晰的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，有專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，具備針對(duì)機(jī)電液多類型航空產(chǎn)品開展爆炸大氣試驗(yàn)的設(shè)備條件，為航空產(chǎn)品防爆性能研究提供物理基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上提煉設(shè)計(jì)指南規(guī)范，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[5-9]。例如法國(guó)透博梅卡公司（Turbomeca）對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的防爆設(shè)計(jì)開展了大量的理論分析和模擬試驗(yàn)研究，并應(yīng)用于Arrius、Ardiden等系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。而中國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件的防爆性能研究方面起步晚，發(fā)展緩慢，國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)資源主要針對(duì)電子產(chǎn)品，缺少燃油系統(tǒng)及附件的試驗(yàn)環(huán)境，且溫度、高度模擬等條件無法滿足標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工況要求。受試驗(yàn)條件等限制，目前中國(guó)還沒有開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及附件的防爆性設(shè)計(jì)和爆炸大氣試驗(yàn)的驗(yàn)證。

本文闡述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件爆炸大氣試驗(yàn)類別、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)要求、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)判據(jù)，并開展了爆炸大氣試驗(yàn)驗(yàn)證，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件防爆性研究驗(yàn)證工作提供了參考。

1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 試驗(yàn)類別

爆炸大氣試驗(yàn)是軍用裝備環(huán)境試驗(yàn)方法系列標(biāo)準(zhǔn)中的重要內(nèi)容之一，適用于在爆炸性大氣附近使用的所有裝備。參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)爆炸大氣試驗(yàn)方法的解析如下：

（1）國(guó)內(nèi)外爆炸大氣試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有GJB 150A、HB 6167、RTCA/DO-160G、MIL-STD-810F 等 ，HB6167.7是參照RTCA/DO-160G第9章（爆炸大氣）進(jìn)行編寫的，其內(nèi)容基本一致，GJB 150.13A與MIL-STD-810F中511.4章節(jié)內(nèi)容基本一致。針對(duì)試驗(yàn)分類，HB 6167.7、GJB 150.13A、MIL-STD-810F（511.4）的對(duì)比見表1。

表1 爆炸大氣試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

（2）爆炸大氣試驗(yàn)的目的是檢查機(jī)載設(shè)備的外殼隔斷其內(nèi)部發(fā)生的爆炸和燃燒而使之不蔓延到該設(shè)備外部的能力（即隔爆能力），或檢查機(jī)載設(shè)備在易燃?xì)怏w中工作而不引起爆炸的能力（即防爆能力）；

（3）對(duì)應(yīng)上述2種不同的試驗(yàn)?zāi)康?，試?yàn)程序分為A類、E類和H類試驗(yàn)（RTCA/DO-160G、HB 6167中的規(guī)定），或程序Ⅱ和程序Ⅰ（GJB 150A、MIL-STD-810F中的規(guī)定）；

（4）在隔爆試驗(yàn)過程中要求將可燃?xì)怏w引入試驗(yàn)件內(nèi)部并使用火花隙與標(biāo)準(zhǔn)描述一致引爆，試驗(yàn)件內(nèi)部的爆炸不應(yīng)引起試驗(yàn)箱內(nèi)混合氣體的爆炸；

（5）在防爆試驗(yàn)過程中要求試驗(yàn)件處于運(yùn)行狀態(tài)且全部電接觸器正常工作，不應(yīng)引起試驗(yàn)箱內(nèi)混合氣體的爆炸；

（6）防爆（熱點(diǎn)）試驗(yàn)主要針對(duì)密封、存在熱點(diǎn)表面并且在正常工作條件下不產(chǎn)生火花的設(shè)備，要求試驗(yàn)件在正常使用條件下，任何外表面溫度不會(huì)升高到引燃周圍易燃?xì)怏w的程度。在試驗(yàn)過程中試驗(yàn)箱不通可燃?xì)怏w，僅要求試驗(yàn)件處于運(yùn)行狀態(tài)且全部電接觸器正常工作，試驗(yàn)件溫度不應(yīng)超過204℃。HB 6167.7中的H類試驗(yàn)程序與之對(duì)應(yīng)，而GJB 150A、MIL-STD-810F中沒有對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)程序。

1.2 試驗(yàn)要求

爆炸性大氣試驗(yàn)適用于在爆炸性大氣環(huán)境中使用的所有裝備。設(shè)備的防爆性能取決于設(shè)備在正常使用狀態(tài)或故障條件下防止/耐受爆炸的能力[9]。

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件的組成架構(gòu)和實(shí)際使用情況，故障發(fā)生引起燃油溢出或者泄漏時(shí)，產(chǎn)品會(huì)暴露在可燃混合液體或氣體的大氣環(huán)境中，由于外殼不具有防火焰和爆炸蔓延功能，按要求應(yīng)進(jìn)行防爆試驗(yàn)和熱點(diǎn)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)條件

2.1 燃料選擇

使用比例適當(dāng)?shù)木蝗剂虾涂諝饣旌蠚怏w進(jìn)行爆炸性大氣試驗(yàn)。除另有規(guī)定外，使用正已烷作為燃料（試劑級(jí)或者含95%正已烷、5%正已烷異構(gòu)體的混合氣體），主要原因有[10-13]：

（1）正已烷在可燃性大氣中的燃燒和爆炸特性相當(dāng)于辛烷值為100/130的航空汽油、寬餾分噴氣燃料和高閃點(diǎn)噴氣燃料；

（2）正已烷與空氣的最佳混合比氣體的自燃溫度最低，其能在低至234℃的熱點(diǎn)溫度下點(diǎn)燃，而寬餾分噴氣燃料和空氣最佳混合比氣體的最低自燃溫度為242℃，100/130辛烷值的航空汽油和空氣最佳混合比氣體的最低自燃溫度為440℃；

（3）點(diǎn)燃正已烷與空氣最佳混合比氣體的火花能量最低。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，而點(diǎn)燃寬餾分噴氣燃料和高閃點(diǎn)噴氣燃料與空氣最佳混合比氣體所需要的能量比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種具有較高揮發(fā)性的液體（揮發(fā)速度比酒精快），能夠有效防止氣體冷凝對(duì)燃料濃度的影響。

2.2 溫度

燃料和空氣混合氣體應(yīng)加熱達(dá)到試件在實(shí)際工作中所遇到的最高環(huán)境溫度，并在此溫度下完成所有試驗(yàn)。

2.3 高度模擬

點(diǎn)燃燃料和空氣混合氣體所需的能量隨著壓力的降低而增加，但對(duì)于低于海平面的試驗(yàn)高度，這一能量降低則不明顯。因此，除另有規(guī)定外，至少應(yīng)模擬2個(gè)高度開展試驗(yàn)。1個(gè)是裝備預(yù)期的最高使用高度，該高度不應(yīng)超過12200 m（在此高度以上爆炸的可能性消失）；另1個(gè)是在壓力為78～107 kPa之間，代表大部分地面環(huán)境壓力[12]。

2.4 燃料用量

式中：N為95%正已烷體積，mL；V為試驗(yàn)箱凈容積，L；P 為試驗(yàn)箱壓力，Pa；T 為試驗(yàn)箱溫度，K；ρ為正已烷的比重，g/mL，如圖1所示。

3 試驗(yàn)方法

3.1 防爆試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)流程

防爆試驗(yàn)流程如圖2所示。

在試驗(yàn)過程中，應(yīng)注意以下事項(xiàng)[14-15]：

（1）試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)試件進(jìn)行分析，在不影響試件正常工作的情況下，應(yīng)將試件外部密封外殼拆去或者松開，以便于爆炸性混合氣體滲入內(nèi)部；

（2）試驗(yàn)時(shí)要求試件處于工作狀態(tài)，且應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的工作特性設(shè)置或模擬試件可能處于的能量輸出、溫度提升等最高邊界情況；

（3）針對(duì)由飛機(jī)供電的設(shè)備，應(yīng)考慮電源瞬變對(duì)產(chǎn)品本身以及爆炸性大氣試驗(yàn)造成的影響。試驗(yàn)應(yīng)規(guī)定試件的電載荷，在通電工作的同時(shí)，進(jìn)行電壓尖峰和過壓浪涌測(cè)試，應(yīng)合理設(shè)置通斷電頻數(shù)和通斷電時(shí)間，與試驗(yàn)過程中的模擬高度降低速率相匹配；

（4）爆炸性大氣試驗(yàn)是1個(gè)低氣壓試驗(yàn)，通過降低壓力模擬試驗(yàn)高度，因此密封性要求較高，應(yīng)考慮在機(jī)械負(fù)載連接、油氣及引線接口等方面可能產(chǎn)生的氣體、液體、電等泄漏對(duì)試驗(yàn)的影響。

3.1.2 試驗(yàn)判據(jù)

在試驗(yàn)過程中，燃料和空氣的混合氣體被點(diǎn)燃，則判定試驗(yàn)未通過。

3.2 熱點(diǎn)試驗(yàn)

熱點(diǎn)試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行：

（1）調(diào)整試驗(yàn)溫度至在產(chǎn)品實(shí)際工作狀態(tài)下可能達(dá)到的最高工作環(huán)境溫度；

（2）試件通電并按正常模式工作。根據(jù)產(chǎn)品的工作特性設(shè)置或模擬試件可能處于的能量輸出、溫度提升等最高邊界情況，直到其達(dá)到熱穩(wěn)定，記錄試件表面的最高溫度。

判據(jù)：在試驗(yàn)過程中，試件表面溫度超過204℃，則判定試驗(yàn)未通過。

4 試驗(yàn)實(shí)例

4.1 試驗(yàn)原理

試件為某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置，包括齒輪泵、活門組件、電磁閥、電液伺服閥、位移傳感器、溫度傳感器等部件；試驗(yàn)原理如圖3所示。

按照試驗(yàn)要求，開展防爆試驗(yàn)和熱點(diǎn)試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)過程

根據(jù)設(shè)計(jì)文件確定試件的工作狀態(tài)、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)高度、燃料用量：

（1）試驗(yàn)溫度：0～75 ℃；

（2）試驗(yàn)高度：8000 m、地面高度；

（3）正已烷用量：97、195 mL；

（4）試件工作狀態(tài)：轉(zhuǎn)速為5490 r/min，燃油流量為220 L/h，電氣成附件：電磁閥、傳感器、電液伺服閥等根據(jù)工作狀態(tài)通額定電流或電壓。

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

防爆試驗(yàn)結(jié)論：按流程完成防爆試驗(yàn)（圖2），在試驗(yàn)過程中試件工作正常，未點(diǎn)燃可燃?xì)怏w，通過防爆試驗(yàn)。

熱點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)論：試件在工作過程中，表面最高溫度未超過204℃（重點(diǎn)關(guān)注部位，如齒輪泵、電磁閥處溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖4所示），通過熱點(diǎn)試驗(yàn)。

5 總結(jié)

（1）通過研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及附件爆炸大氣試驗(yàn)技術(shù)，確定了試驗(yàn)方法和試驗(yàn)流程。

（2）通過對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及附件產(chǎn)品開展爆炸大氣試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法、試驗(yàn)流程，試驗(yàn)結(jié)果滿足爆炸大氣試驗(yàn)要求。

（3）航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及附件產(chǎn)品可參照本文方法開展爆炸大氣試驗(yàn)，具體型號(hào)產(chǎn)品開展試驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)品自身的需求。

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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 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

李瓊（1986），女，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；E-mail:angelqiong@126.com。

李瓊，張華.航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)及其附件爆炸大氣試驗(yàn)技術(shù)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（3）：74-77.LI Qiong,ZHANGHua.Research on the explosiveatmospheretestingtechnologyofthefuelsystemanditsaccessories[J].Aeroengine，2017，43（3）：74-77.

（編輯：趙明菁）