航空渦輪發(fā)動機燃油牌號批準的適航符合性驗證思路

摘要：航空燃油的特性會影響發(fā)動機的性能和安全，對燃油的審查和批準是發(fā)動機適航審定的重要方面。目前，國內對于燃油牌號的適航審定沒有相應的指導文件。本文通過對適航規(guī)章33.7（c）（2）條款的實質要求進行梳理，總結燃油牌號適航審定的符合性驗證思路，形成燃油批準的一般流程，并針對不同燃油牌號的使用情況給出相應的符合性驗證思路。

關鍵詞：渦輪發(fā)動機；燃油牌號；批準；適航符合性

Keywords：aero-turbine engine；fuel brand；approval；airworthiness compliance

0 引言

隨著我國民航行業(yè)發(fā)展，航空燃料的需求量越來越大，已占航空公司運營成本的40%，是航空器運行的血液[1]。對于航空發(fā)動機的運行來說，燃油通過低壓泵和高壓泵加壓后過濾，通過燃油噴嘴進入燃燒室點燃，為發(fā)動機提供高溫燃氣，推動渦輪做功產生推力，并用于渦輪發(fā)動機中的液壓作動機構，如可調靜子導葉（VSV）、可調放氣活門（VBV）等，可見燃油起著至關重要的作用，不可或缺。目前，航空渦輪發(fā)動機上使用的燃油主要是航空煤油或含合成烴的航空煤油，航空煤油的特性包括燃油組成、燃燒性、揮發(fā)性、流動性、安定性和潤滑性等，與發(fā)動機的安全性息息相關。

燃油牌號對發(fā)動機安全性的影響是發(fā)動機審查的重要方面。按照航空發(fā)動機適航規(guī)定（CCAR 33部）[2]的要求，申請人需要表明燃油牌號的符合性。對于燃油牌號的符合性驗證工作，美國聯邦航空局（FAA）發(fā)布了指導文件AC 20-24D[3]，給出了表明燃油牌號與發(fā)動機兼容性所需滿足的CCAR 33部條款以及額外要求，但對于多種燃油牌號批準時的符合性并沒有提及。國內局方也沒有發(fā)布任何相關的指導文件。另外，國內的發(fā)動機制造商正處于起步階段，對各種燃油牌號（及其添加劑）與發(fā)動機適應性的驗證缺乏經驗，尚未形成系統(tǒng)的、規(guī)范的適航驗證及管控流程。

上述幾方面造成燃油牌號的符合性工作以及局方的審定工作面臨很大的挑戰(zhàn)。本文通過對適航規(guī)章的實質要求進行梳理，針對每一條實質要求提出建議的符合性方法，形成表明航空渦輪發(fā)動機燃油牌號批準的一般流程，并根據燃油牌號的不同使用情況給出相應的符合性方法。

1 條款要求及符合性方法

CCAR 33部航空發(fā)動機適航規(guī)定中對于渦輪發(fā)動機的燃油牌號的最直接要求是“33.7 發(fā)動機額定值和使用限制”，具體為“（c）對于渦輪發(fā)動機，額定值和使用限制的確定與下列因素有關：

（2）燃油牌號或規(guī)格” 。

1.1 實質要求

上述條款的實質要求是需要申請人表明聲明的燃油牌號與對應標準的一致性以及聲明的燃油牌號與發(fā)動機的兼容性。

1.2 符合性方法

1）燃油牌號與標準的一致性

通過開展實驗室試驗，對燃油進行理化特性分析，按照相應標準要求的特性檢測方法對燃油特性進行檢測，表明其特性值滿足相應的標準要求。例如，對于3號航煤，需要按照GB6537-2018標準進行檢測。如果向燃油中增加添加劑，還需表明燃油與添加劑之間的兼容性。實驗室試驗可以由申請人自行開展，也可以由燃油供應商或第三方機構進行試驗，并給出燃油牌號的鑒定結果。

值得注意的是，對應的燃油標準必須是最新版的燃油標準。

2）燃油與發(fā)動機的兼容性

申請人在表明燃油與發(fā)動機的兼容性時需要考慮以下五方面的要求。

a. 表明在聲明的燃油溫度和壓力限制下發(fā)動機能正常工作

開展發(fā)動機整機試驗，驗證在聲明的燃油最低和最高溫度限制下以及在最低和最高壓力限制下發(fā)動機能正常工作，并將經驗證的燃油最低和最高溫度限制以及最低和最高壓力限制寫入型號合格證數據單中。申請人可以結合CCAR 33.87持久試驗驗證燃油在最高溫度限制以及最低和最高壓力限制下發(fā)動機正常工作，結合CCAR 33.89工作試驗中的低溫起動，驗證燃油在最低溫度限制下發(fā)動機能正常工作。

b. 表明燃油與發(fā)動機燃油系統(tǒng)和液壓作動系統(tǒng)（如適用）材料之間的相容性

開展系統(tǒng)和部件試驗結合相容性試驗，驗證燃油系統(tǒng)和液壓作動系統(tǒng)（如適用）中的金屬部件和非金屬部件（橡膠部件以及密封件等）與燃油之間的相容性。系統(tǒng)和部件試驗可以參考DO-160規(guī)定的各個環(huán)境試驗的試驗流程和試驗方法進行驗證。相容性試驗可以參考ASTM D4054標準規(guī)定的試驗流程和試驗方法進行驗證。

c. 表明發(fā)動機在長時間內運行時燃油特性不會造成不安全狀態(tài)

開展發(fā)動機整機試驗，驗證發(fā)動機在使用相關燃油下的耐久性?？梢越Y合CCAR 33.85校準試驗和CCAR 33.87持久試驗，驗證發(fā)動機長時運行下的燃油特性不會對整個轉速、壓力、溫度和高度工作范圍內發(fā)動機的功率特性產生影響，不會對發(fā)動機造成不安全的狀態(tài)。結合CCAR 33.90 初始維修檢查的TBO（大修間隔時間）試驗，驗證發(fā)動機翻修間隔期內燃油特性不會對發(fā)動機造成不安全的狀態(tài)。

d. 表明燃油的燃燒特性不會對發(fā)動機熱端部件冷卻造成影響

發(fā)動機的冷卻包括對發(fā)動機內部熱端部件的冷卻、對滑油的冷卻以及對外部附件的冷卻。燃油的燃燒特性會對發(fā)動機內部熱端部件的冷卻效果有影響，因此申請人需要考慮燃油的燃燒特性對熱端部件冷卻的影響。開展整機試驗，驗證發(fā)動機在使用計劃批準的燃油下內部熱端部件的溫度在允許的溫度范圍之內?？梢越Y合發(fā)動機持久試驗和超溫試驗，驗證發(fā)動機在極限溫度下熱端部件的技術狀態(tài)良好、可繼續(xù)運行，以表明在選用的燃油牌號下發(fā)動機內部冷卻的合理性。

e. 表明發(fā)動機燃油系統(tǒng)和液壓作動系統(tǒng)（如適用）在飛行包線內正常工作

開展發(fā)動機整機試驗，驗證燃油系統(tǒng)和液壓作動系統(tǒng)（如適用）在飛行包線內能正常工作。需要考慮包線內高度、馬赫數以及環(huán)境溫度對燃油系統(tǒng)及液壓作動系統(tǒng)的影響，選擇合適的包線內試驗點進行試驗，并考慮發(fā)動機起動、穩(wěn)態(tài)運行和加減速運行等工況。可結合CCAR 33.89工作試驗，驗證包線內不同的發(fā)動機運行工況下燃油系統(tǒng)和液壓作動系統(tǒng)（如適用）都能正常工作。

綜上所述，申請人在表明CCAR 33.7（c）（2）的符合性時，需要開展實驗室試驗、系統(tǒng)和部件試驗、相容性試驗以及校準試驗、持久試驗、超溫試驗、工作試驗（包括低溫起動）、TBO試驗等整機試驗。燃油牌號批準的一般符合性流程如圖1所示。

2 不同燃油牌號的符合性方法

一般用于渦輪發(fā)動機使用的燃油為航空煤油（3號燃油、Jet A1、JP4等）或含合成烴的航空煤油（FT-SPK、HEFA-SPK等）。申請人在發(fā)動機型號合格取證時，可以選擇批準上述的燃油牌號或者其他的燃油牌號，也可以選擇批準一種燃油牌號或者多種燃油牌號。

2.1 新的燃油牌號

新的燃油牌號指沒有在航空渦輪發(fā)動機上使用過的燃油，或曾經使用過但對應的燃油特性發(fā)生重大變化的燃油。對于這類新的燃油牌號（無論是航空煤油還是含合成烴的航空煤油），申請人必須按照圖1所示的一般符合性流程開展相應的符合性驗證工作。除此之外，還需要開展以下相關的實驗項目。

1）實驗室試驗時需要評估燃油碳氫化合物的化學組成，以及痕量物質的含量，至少包括銅、鋅、鐵、釩、鈣、鋰、鉛、磷、鈉、錳、鎂、鉀、鎳等。

2）實驗室試驗時評估燃油的性能特性，包括自燃點、沸點、熱穩(wěn)定性破點、蒸氣壓-溫度的關系、黏度-溫度的關系、比熱容-溫度的關系、密度-溫度的關系、表面張力-溫度的關系、體積彈性模量-溫度的關系、導熱率-溫度的關系、水溶性-溫度的關系、介電常數-密度的關系、電導率-抗靜電劑含量的關系等。

3）需要通過合適的試驗表明新的燃油牌號與其他計劃批準的燃油牌號之間的兼容性（如適用）。

4）需要通過合適的試驗評估燃油的使用特性，包括對黏土過濾的影響，毒性，儲存穩(wěn)定性（驗證時考慮潛在的膠質形成、水反應和微生物污染等情況），自燃溫度以及熱表面引燃溫度。

2.2 歷史使用過的燃油牌號

歷史使用過的燃油牌號指已在國內外航空渦輪發(fā)動機上使用過的燃油，包括航空煤油和含合成烴的航空煤油。針對這類燃油牌號，申請人在表明符合性時應根據計劃批準的燃油數量和燃油的種類采取合適的符合性驗證思路。

1）單一牌號批準的符合性驗證思路

如果申請人在型號取證過程中，只計劃選擇批準一種燃油牌號，則需要按照圖1 所示的一般符合性流程表明其符合性。

2）多牌號批準的符合性驗證思路

申請人如果選擇多燃油牌號批準，一般不會針對每一種燃油進行所有的符合性驗證試驗，可以選擇以下三種可接受的方式表明符合性。

第一種方式，申請人選擇其中的一種歷史使用過的燃油，按照圖1所示的一般符合性流程開展所有的符合性工作，其他歷史使用過的燃油牌號與試驗驗證過的燃油牌號進行特性對比，對于不能包含的特性差異需要通過分析或試驗進行符合性說明。

第二種方式，申請人選擇兩種或多種歷史燃油牌號進行符合性驗證工作，但必須保證所選燃油牌號進行的系統(tǒng)和部件試驗、浸潤試驗、整機試驗的集合滿足圖1所示的符合性流程中的全部工作，并且進行試驗的燃油必須進行實驗室試驗以表明符合對應的燃油標準。之后其他燃油牌號與試驗驗證過的燃油進行特性對比。對于不能包含的特性差異需要通過分析或試驗進行符合性說明。

第三種方式，申請人如果計劃批準新的燃油牌號，則其他的歷史使用過的燃油牌號都可以與新的燃油牌號進行對比，對于不能包含的特性差異需要通過分析或試驗進行符合性說明。

需要注意的是，航空煤油和含合成烴的航空煤油之間不能直接進行對比。另外，考慮到含合成烴的航空煤油其制作和合成的方式都不相同，因此不同的合成烴的航空煤油之間也不能直接進行對比。

3 結論

本文從CCAR 33.7（c）（2）條款出發(fā)，梳理條款的實質要求，提出滿足條款要求的符合性方法及一般流程。針對燃油牌號的不同使用情況，對新的燃油牌號和國內外已經使用過的歷史燃油牌號兩種情況分別給出相應的符合性驗證思路。通過本文的研究，為國內航空渦輪發(fā)動機適航審定過程中批準適用的燃油牌號提供了明確的指導，填補了國內航空渦輪發(fā)動機適航審定指導文件的空白。

參考文獻

[1] 楊智淵，曾萍，楊曉奕，等.生物航煤的管理、驗證標準及驗證流程[J].航空動力學報，20，33（2）：440-447.

[2] CCAR 33R2 航空發(fā)動機適航規(guī)定[Z].

[3] AC 20-24D Change1 Approval of Propulsion Fuels，Additives，and Lubricating Oils [Z].

[4] GB6537-2018 3號噴氣燃料[S].

[5] ASTM D4054-16 Standard Practice for Qualification and Approval of New Aviation Turbine Fuelsand Fuel Additives [S].

[6] ASTM D7566 Standard Practice for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons [S].

[7] RTCA DO160G Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment [S].

作者簡介

車巍巍，工程師，主要從事系統(tǒng)審定工作。