某燃油水污染试验装置研究

王新平 ,周成 ,曾逸晖

摘 要：发动机燃油系统是发动机系统构成中的重要组成部分，燃油系统受到水污染直接影响发动机的正常工作，严重时可能导致飞行事故发生。本文根据某涡桨发动机试验要求，提出燃油水污染的污染水平、污染等级等参数指标，确定了燃油与水污染程度控制方法，设计了某燃油水污染装置，用来满足试验要求。

主题词：  燃油系统 污染水平 燃油水污染试验设备

1 引言

航空燃料中通常含有溶解水和游离水，溶解水不会改变燃油外观，游离水通常呈现雾状或混浊水珠、水团及肉眼看不见的超细水滴分散悬浮在燃油中。燃油水分在运输、储存、使用过程的各个环节都会因环境影响发生变化。例如因输油管道、油罐车和储油罐清洗后残留水分，因设备密封不严受雨、雪、高湿大气的影响，都会造成油品中水分含量增加。燃油中的溶解水会造成燃烧效率变低，不会直接影响使用安全，但会随着温度的变化转化为游离水，或者在燃油里面结冰，这些对燃油系统工作的安全性具有重大影响，严重时会导致机毁人亡的恶性事故。因此对飞机发动机燃油水污染试验的研究是相当必要的，燃油水污染试验技术一直是国内外飞机系统设计的重要研究课题。

因此在发动机研制中，除了设计上需采取一定的措施保证燃油清洁度在限定范围内，还应根据发动机适航相关要求，验证发动机燃油系统耐受水污染的能力。

2.适航标准

根据适航标准，燃油污染分为固体污染和液体污染，针对航空发动机燃油系统污染的要求，在美国联邦航空局（FAA）发布的联邦航空条例第33 部（FAR 33）、欧洲航空安全局（EASA）发布的发动机合格证规范（CS-E）及中国民航局（CAAC）发布的航空发动机适航规定（CCAR-33）中均有相应要求。经过对比分析发现，美国、欧洲和中国三项规章规定的实质要求是一致的，即：发动机燃油系统应该具备耐受一定时间极限污染的能力。

GJB242A-2018规定污染环境见下表：

表1 GJB242规定污染环境

污   染	颗粒尺寸	数    量
铁的氧化物 氧化铁[Fe3O4(黑色)，磁铁矿] 三氧化二铁（Fe2O3，赤铁矿） 三氧化二铁（Fe2O3，赤铁矿）	- 0 µm～5 µm 0 µm～5 µm 5 µm～10 µm	- 3.83mg/L 3.83 mg/L 0.396 mg/L
碎石英	1000 µm～1500 µm 420 µm～1000 µm 300 µm～420 µm 150 µm～300 µm	0.0661 mg/L 0.463 mg/L 0.264 mg/L 0.264 mg/L
公路粗粉尘	按下列混合： 0 µm～5 µm（12%） 5 µm～10 µm（12%） 10 µm～20 µm（14%） 20 µm～40 µm（23%） 40 µm～80 µm（30%） 80 µm～200 µm（9%）	2.11 mg/L
棉绒纤维	7级以下	0.0264mg/L
粗原环烷酸		体积的0.03%
盐水的配制是将盐溶解在蒸馏水或其它水中，含固体量不大于200p.p.m	NaCl 4% 水96%（质量计）	体积的0.01%

3 装置设计方案及工作原理

3.1装置方案设计

参照适航标准要求，针对某型涡桨发动机在燃油被水污染情况下，进行燃油水污染试验，开展发动机燃油系统耐受极限水污染能力考核，因此需要进行燃油水污染装置设计技术研究。

结合对目前整机燃油污染装置的分析和研究，提出燃油水污染装置的设计方案，确定发动机燃油系统水污染试验的试验方法和主要试验参数，包括污染成分、污染水平、燃油流量等，最终制订设计出一套燃油水污染装置，为准备开展燃油系统水污染试验的发动机提供试验基础。

装置主要包括污染油箱系统、供水管路系统、供油管路系统、内循环系统、污染油供油管路系统以及相关油泵、阀门、仪器组成。其中内循环系统包含增压泵、三通电磁阀、质量流量计、水含量检测仪、水饱和度检测仪等，污染油箱系统中油箱带有液位计、排污阀、搅拌器等。

3.2装置工作原理

燃油水污染装置中，开启供水泵给污染油箱加水，补油电磁阀给油箱加注燃油，开启搅拌器给燃油与水进行搅拌混合，内循环管路的循环泵，增压泵给管路供水，流量计读取管道内流量，压力表读取管路水压，三通电磁阀一路可以对燃油含水量进行计算标定，标定完成后切换到污染油管路进行正式燃油水污染试验。图1为燃油水污染装置工作原理图。

其中通过水饱和度检测仪测量燃油与水的混合程度，控制搅拌器的搅拌速度与搅拌时间进行反馈调节。通过水含量检测仪测量燃油中实际的水含量，确定此含水量满足型号试验要求；当需要控制不同燃油含水量时，可以读取水含量检测仪参数，控制供水管与供油管路流入油箱的燃油总量与清水总量来调节不同燃油含水量。

图1  燃油水污染装置工作原理图

4.燃油污染装置相关参数确认

4.1污染水平

开展发动机燃油水污染试验时，需要确定燃油水污染水平。燃油污染成分选取的常见标准是美军标5007 和欧洲适航发动机适航标准CS-E 两项，要求燃油系统在受到规定程度的水污染并冷却到发动机工作中可能遇到的最危险的结冰条件下，能在整个流量和压力范围内持续工作，要求水污染水平为在27℃的含水的初始饱和燃油中每升加进0.2毫升游离水。

我国的国军标241 及241A 中关于燃油污染成分的规定与美军标5007 中关于燃油污染成分的规定是相同的，具体的燃油污染成分见上表1，燃油水污染试验装置能满足不同发动机型号对燃油与水配比需求，能监控测量燃油与水的比例。

因此在某涡桨发动机燃油水污染试验中规定，在27℃（80℉）的含水的初始饱和燃油中每升加进0.2毫升游离水（每加仑含0.025液英两），即燃油中水的体积含量为0.02%。

4.2污染等级控制

污染等级控制包括燃油与水投放量控制、污染物混合程度控制。

4.2.1燃油与水投放量控制

污染水污染装置中有供水管路、供油管路接入污染油箱，预先根据型号需要配比计算需要的污染油量，然后按比例向污染油箱内投入规定流量的清水与燃油。清水质量由流量计和油箱液位计进行计算，燃油质量也由流量计和油箱液位计进行计量。燃油与水注入污染油箱后通过污染油箱进行搅拌参混，通过内循环管路使污染油处于流动状态，通过水含量检测仪实时监测污染油箱中的水含量参数，并反馈到车台数采显示中，通过供水管路的供水泵，供油管路的补油电磁阀对燃油中水含量进行微调。

4.2.2污染物混合程度控制

污染油箱设置搅拌器，在垂直方向上搅拌器有三层桨叶，通过水饱和度检测仪测量燃油与水的混合程度，控制搅拌器的搅拌速度与搅拌时间，保证在规定液位范围内能实现均匀搅拌且油箱设置自循环系统，使油箱内燃油与水一直处于流动搅拌状态，互相参混。

燃油与水按照一定比例参混后，通过搅拌器均匀混合，通过调整搅拌速度与搅拌时间，使燃油水污染混合到一定程度。1）通过观察窗目视检查，燃油与水的参混液体达到完全混合。2），通过特定设备手段，检测燃油水污染物混合程度；目前常见方法有两类，一是物质遇水直接显色；一种是水溶性物质在溶解过程中发生化学反应，生成有色物质；美国GTP公司测水器利用荧光物质和油样反应，再通过紫外灯照射来确定色度，根据色度与水分的关系，测出水分含量；通常采用卡尔费休库伦确定法。

燃油水污染装置中通过改变搅拌器搅拌速度和搅拌时间来确定燃油中水饱和度，并以水饱和度测量仪测量燃油与水的搅拌程度；控制供水泵来确定油箱中水含量，以水含量检测仪检测出燃油的水含量。

4 结论

燃油水污染装置三维模型设计见图2。燃油水污染装置能够满足污染物充分混合，精确控制污染等级，严格考核发动机；并可实现正常燃油与污染燃油的无扰动切换，提高工作效率；在油箱容积有限的情况下，实现发动机不停机持续完成燃油污染试验。

图2 燃油污染装置三维模型设计

参照适航标准对燃油污染要求，总结了现有型号试验经验，对如何实现燃油水污染环境，提出了燃油水污染装置设计方案。并通过对燃油污染装置设计技术研究，确定了设计方案，为发动机进行整机燃油污染试验奠定了基础。

参考文献： 

[1]  赵凤飞 刘慧娟 王贵华. 航空发动机燃油系统污染试验方案研究[J]，航空维修与工程，2013（4）

[2]  曹克强, 胡良谋, 沈燕良, 王建平. 飞机燃油系统污染控制[J]. 机床与液压,2004 (1)

[3]  孙晓军, 吴新, 栾东. 航空发动机燃油系统抗污染综述[J]. 航空发动机,2010,36(6) ：1-6.