Vol． 57 No． 1 工程与试验 ENGINEEＲING ＆ TEST Mar． 2017
飞机燃油系统部件结冰试验用燃油的配制研究
李志强，夏祖西，于新华，谢 飞，陈 元，包雯婷
( 中国民航局第二研究所，四川 成都 610041)
摘 要: 使用涡轮发动机的飞机，长时间在寒冷环境下飞行，可能会引起飞机燃油系统结冰，从而危及飞机安全。为避免飞行事故的发生，新机研制时，涡轮发动机燃油系统与部件需进行燃油结冰适航验证试验，以确保在寒冷条件下燃油系统供油的可靠性。本文将根据燃油系统部件结冰的符合性验证试验方法进行燃油的配制并对配制方法进行研究，从而为飞机燃油系统部件的适航取证提供技术支持。
关键词: 燃油系统部件; 燃油配制; 结冰; 适航
中图分类号: V312 文献标识码: B doi: 10． 3969 / j． issn． 1674 － 3407． 2017． 01． 013
Study on Fuel Preparation for Aircraft Fuel Component Icing Test
Li Zhiqiang，Xia Zuxi，Yu Xinhua，Xie Fei，Chen Yuan，Bao Wenting
( The Second Ｒesearch Institute of CAAC，Chengdu 610041，Sichuan，China)
Abstract: Turbine aircraft flying in the extreme cold environment may cause the aircraft fuel system icing，which endangers the safety of aircraft． At present，icing test of fuel system and components will be carried out for new type turbine aircraft in order to ensure the working reliability of fuel system in the freezing conditions． In the paper，the fuel preparation for icing test is studied，which can provide support for fuel component icing certification．
Keywords: fuel components; fuel preparation; icing; airworthiness
- 引 言
飞机长时间在寒冷环境下飞行，燃油中所含的水分会冻结成冰，可能引起油滤、阀门、输油管堵塞，使部件、系统失去功能，危及飞机安全［1］。1958年，一架 B － 52 轰炸机因为燃油系统堵塞而坠毁。此后，因燃油系统堵塞而引起的航空事故超过 200起［2］。这些因燃油系统、部件结冰而引起的航空事故发生后，许多飞机制造商、发动机和部件生产商及政府部门都投入了大量精力来研究燃油系统及
其部件的结冰问题［3-4］。
为了解决这一问题，美国联邦法规( 14 CFＲ) 和中国民航规章( CCAＲ) 25． 951( c) 条款要求，以涡轮为动力的大飞机燃油系统需进行燃油防结冰试验，以验证飞机在最极端环境下燃油系统的飞行安全性［5-6］。飞机燃油系统及其部件防结冰试验在美、英、法等国已比较成熟，但国内对飞机燃油系统及其部件的防结冰试验还未有成熟经验，该试验仍存在很多技术难点。本文就燃油系统部件结冰试验用燃油的配制进行研究，为飞机燃油系统部件的结冰适航验证提供技术支持。
［收稿日期］ 2016 － 11 － 19
［作者简介］ 李志强( 1981 － ) ，男，广西桂林人，助理研究员，主要从事飞机材料防火的测试与研究工作。
［基金项目］ 中国民用航空局安全能力建设基金( AADSA0018) 。
试验部分
2． 1 试验原料
- 号航空煤油，工业级，中国航空油料集团公司; 蒸馏水，自制。
2． 2 试验设备
饱和燃油配制装置，自制; 过饱和燃油配制装置，自制; 831KFC 库仑法水分测定仪，瑞士万通有限公司。
2． 3 试验用燃油配制
燃油配水主要有静态混合法、高压空气雾化水混合法和超声波雾化水与油喷淋混合法 3 种［7］。本文采用高压空气雾化水混合法进行燃油配制，高压空气雾化水混合的原理比较简单，通过高压气体直接把水雾化并在不同位置喷入煤油中。混合后的油水混合液经过泵送系统、热交换系统的不断循环( 在恒温状态下) ，稳定后可得到饱和的油水溶液。
2． 3． 1 试验用饱和燃油配制程序
( 1) 试验装置示意图如图 1 所示。将燃油注入储油箱里，从油箱开始循环，经过热交换器然后回到储油箱，直到燃油被加热到试验温度 275 ℃ 。
图 1 饱和燃油配制示意图
( 2) 在保持流量和所要求的温度恒定情况下，使用气动雾化喷嘴以大约 55mL / min 的流量按油、水 1000∶ 1的比例向燃油中注入游离水。
( 3) 当全部的水注入燃油后，再继续循环以保证完全混合，形成饱和燃油。
( 4) 通过过滤器/ 水分离器将燃油从储油箱导
入试验油箱( 这时燃油应处于饱和状态) 。
( 5) 使用卡尔费休法来分析大量燃油中 3 个样本点。在连续工作试验中，3 个样本的平均含水量不应小于 27° C( 80 ℉) 时饱和燃油的含水量，也不
应比此量值高 15 × 10 － 6 ( 15ppm) 以上。若超过限量，应进行处理，将过量的水排出试验油箱。对于不同的燃油，混合饱和燃油所需的水量也不同，但不应使用含水量低于 90 × 10 － 6 ( 90ppm ) 的饱和燃油。
2． 3． 2 试验用过饱和燃油配制
试验装置示意图如图 2 所示。饱和燃油配制完成后，当饱和燃油在试验油箱里循环时，按油∶ 水 = 2000∶ 1( 每 1 gallon 燃油中添加 2mL 的水) 的比例通过安装在试验油箱油面下约 25mm( 1 inch) 处的气动雾化喷嘴将游离水注入燃油中，每次应注入约
100mL，但游离水需在温度降至 7℃ 前完成。充分混合燃油和水，循环后，分别采集 3 次燃油样品，分析
燃油样品中水的含量，并记录分析结果。当 3 个样品的平均含水量均不小于 618ppm 时( 618ppm 是总的水含量，是最小饱和燃油中所含的水量加上另外添加水的含量( 90ppm 加上 2cc / gal ［528ppm］ = 618ppm) ) ，过饱和燃油配制完成。
图 2 过饱和燃油配制示意图
2． 4 测试方法
水分含量: 按照 ASTM D6034 － 07 标准进行测定。
结果与讨论
3． 1 喷嘴类型对燃油配制的影响
在相同循环条件下( 燃油温度: 30℃ ; 燃油流量: 40L / min; 燃油压力: 0． 2MPa) ，不同喷嘴类型配制的饱和燃油试验结果如图 3 所示。
在相同循环条件下( 燃油温度: 从 30℃ 按
7℃ /10min的降温速度降至 9℃ ; 燃油流量: 40L / min;
No． 1 2017 李志强，等: 飞机燃油系统部件结冰试验用燃油的配制研究
燃油压力: 0． 21MPa; Y 型喷杆) ，不同类型喷嘴配制的过饱和燃油试验结果如图 4 所示。
表 1 3 种类型喷嘴的构造特点
喷雾变成
喷嘴 空气压力
类型 / MPa
喷射角
A( °)
湍流距离 B
喷射距离
D( mm)
图 3 不同类型喷嘴配制的饱和燃油试验结果
图 4 不同类型喷嘴配制的过饱和燃油试验结果
由图 3、图 4 试验结果可知，在相同条件下，B型喷嘴配制均匀分布饱和燃油和过饱和燃油的时间最短，A 型喷嘴配制均匀分布饱和燃油和过饱和燃油的时间最长。分析可知，这一结果是由喷嘴构造特点决定的，3 种类型喷嘴的构造如图 5、图 6 所示，性能参数如表 1 所示。
图 5 A 型喷嘴构造图
图 6 B、C 型喷嘴构造图
通过 3 种类型喷嘴比较可知，A 型喷嘴喷射角最小，且喷射距离最短，导致水雾化后与油接触面小，不利于水与油的互溶，用其配制均匀饱和燃油和过饱和燃油所需的时间最长。而 B 型喷嘴喷雾变成湍流的距离短于 C 型喷嘴，水喷射后雾化效果优于 C 型喷嘴，更利于配制均匀分布的饱和燃油和过饱和燃油。
3． 2 燃油温度对燃油配制的影响
在相同循环条件下( 燃油流量: 40L / min; 燃油压力: 0． 2MPa; B 型喷嘴) ，不同温度配制的饱和燃油试验结果如图 7 所示。
由图 7 结果可知，在 27℃ ～ 32℃ 的温度区间内，温度越高，配制均匀分布饱和燃油所需的时间越短。这是因为，随着温度的升高，液体分子的运动加剧，分子撞击颗粒时对颗粒的撞击力增大，因而同一瞬间来自各个不同方向的液体分子对颗粒撞击力增大，小颗粒的运动状态改变越快，越利于水与燃油的互溶，有利于配得均匀分布的饱和燃油。
图 7 不同温度配制的饱和燃油试验结果
3． 3 循环时间对燃油配制的影响
在相同循环条件下( 燃油温度: 30℃ ; 燃油流量: 40L / min; 燃油压力: 0． 2MPa; B 型喷嘴) ，不同循环时间配制的饱和燃油试验结果如图 8 所示。
由图 8 结果可知，随着循环时间的延长，配制所
得的饱和燃油均匀性越好，但循环 30min 后燃油已达到最大饱和度，延长循环时间对饱和燃油的含水量和均匀性影响不大，故循环 30min 即可配得均匀性好的饱和燃油。
图 8 不同循环时间配制的饱和燃油试验结果
3． 4 喷杆类型对燃油配制的影响
在相同循环条件下( 燃油温度: 从 30℃ 按
7℃ /10min 的 降 温 速 度 降 至 9℃ ; 燃 油 流 量:
40L / min; 燃油压力: 0． 21MPa; B 型喷嘴) ，不同类型喷杆配制的过饱和燃油试验结果如图 9 所示。
图 9 不同类型喷杆配制的过饱和燃油试验结果
由图 9 结果可知，在相同循环条件下，Y 型喷杆获得均匀分布的过饱和燃油的时间最短，而 X 型喷杆获得均匀分布的过饱和燃油时间最长。分析可知，这一结果是由喷杆构造特点决定的，3 种类型喷杆的构造特性参数如表 2 所示。通过喷杆的构造对比发现，缩小喷杆的开孔率和喷杆开孔直径有利于
获得均匀分布的过饱和燃油，这是因为喷杆开孔率和开孔直径的减小更有助于循环燃油的雾化，利于燃油和水的互溶，循环时间相同时，所配得的过饱和燃油更均匀。
表 2 3 种类型喷杆的构造特性参数
喷杆类型 | 喷杆开孔率( % ) | 喷杆开孔直径( mm) |
X | 15 | 1 |
Y | 10 | 1 |
Z | 10 | 0． 8 |
结 论
( 1) 相同循环条件下，A、B、C3 种类型喷嘴中，B型喷嘴配制均匀饱和燃油和过饱和燃油所需时间最短。
( 2) 相同循环条件下，温度升高有利于配制均匀性好的饱和燃油。
( 3) 相同循环条件下，延长循环时间有利于配制均匀性好的饱和燃油，但循环 30min 后，循环时间延长对均匀性影响不大。
( 4) 相同循环条件下，X、Y、Z3 种类型喷杆中，
Y 型喷杆更易配制得到均匀好的过饱和燃油。
参考文献
［1］刘德刚，周宇穗． 民用飞机燃油系统结冰适航验证方法研究［J］． 民用飞机设计与研究，2011，( 2) : 32-39．
［2］Leonard Ｒ． Scotty． Above and Beyond: Fire and Ice［J］．
Air and Space magazine，2010．
［3］SAE AＲP790C． Considerations on Ice Formation in Aircraft Fuel Systems ［S］． 2006．
［4］SAE AＲP1401． Aircraft Fuel System and Component Icing Test ［S］． 2007．
［5］Federal Aviation Administration． Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes ( Part 25) ［S］． 2003．
［6］中国民航局． 中国民用航空规章第 25 部 运输类飞机适航标准［S］． 2011．
［7］吕美茜，任伟． 燃油结冰试验用油的配制方法研究［J］．工程与试验，2010，50( 2) : 29-32．