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燃燒加溫器利用飛機燃油在燃燒室內燃燒，通過熱交換方式將燃燒產生的熱能傳遞給流經燃燒室外壁的空氣，實現加溫。燃燒加溫器主要應用于搭載活塞發動機的輕型通用飛機，如BeechcraftBaronG58、PiperSeminole、Bell206LT等飛機。不同于國外燃燒加溫器在汽車和航空領域的成熟應用，國內燃燒加溫器僅在汽車行業進行了小范圍應用，在航空領域的應用尚數空白。隨著近年來國內通用航空的蓬勃發展，輕型通用飛機的市場保有量逐年增加，其中活塞類飛機占比過半，航空燃燒加溫器的應用情景良好。本文以某輕型通用飛機為應用平臺，該飛機升限為3000m，加溫功率需求為5kW，試制了一臺航空燃燒加溫器試驗樣機，并開展了地面和高空加溫性能試驗研究。

試驗樣機

試驗樣機包括航空燃燒加溫器本體和獨立控制器，沒有配置助燃風扇和通風風扇，其基本結構見圖1所示，燃油噴嘴為霧化噴嘴，點火裝置為火花塞。試驗裝置為了滿足高空試驗要求，試驗臺搭建于直徑3m、長6m的高空模擬艙中。本試驗臺由助燃供氣裝置、通風供氣裝置、供油裝置、數據采集系統組成，助燃空氣由可調節壓力、溫度的氣源系統提供，通風空氣由高空模擬艙內的變頻高壓風機提供，供油裝置通過燃油泵向高空模擬艙內的加溫器供油，供油流量和點火時間由控制器單獨控制，數據采集系統對試驗數據進行采集和處理。試驗原理見圖2。由于試驗選用的燃油流量計精度問題，對小流量的變化無法測量，故本試驗中的燃油流量值是采用量杯讀取燃油消耗量及對應的工作時間計算出來的。由于量杯的讀數誤差和計時誤差，對燃油流量的計算存在一定影響。

試驗內容及分析

高度對性能的影響某輕型通用飛機的使用升限為3000m，故本試驗項目中高空模擬艙的高度調節范圍為0～3000m。助燃空氣的供氣壓力和供氣溫度按對應高度進行調節，供氣流量和燃油流量保持不變。不同高度下的熱功率和熱效率測試結果分別見圖3。從上述試驗結果可知，隨著高度的增加，燃燒加溫器的熱功率和熱效率分別下降了18%和25%，導致性能下降的因素包括：隨著高度增加，空氣中氧氣質量濃度降低，燃燒效率及產生的熱能降低；為了提高燃燒室內氧氣濃度，需增加助燃空氣體積流量，導致燃燒排氣量增加，增加了排氣熱損失。

過量空氣系數對性能的影響

該試驗項目分別在地面和3000m高度進行，燃油流量均維持在1.1L/min左右，通風空氣流量維持在200kg/h，通過調節助燃空氣流量改變過量空氣系數，地面和3000m的助燃空氣溫度分別控制在28℃和－20℃左右。不同的過量空氣系數對熱功率和熱效率的影響測試結果見圖4。從上述試驗結果和相關試驗現象可知：不論是在地面或3000m高度下，熱功率和熱效率隨過量空氣系數的變化規律是一致的。當過量空氣系數較小時，燃燒室內處于富油燃燒狀態，燃油沒有完全燃燒，排氣存在較大濃煙，熱功率和熱效率較低。隨著過量空氣系數的提高，燃燒室內油氣混合充分，燃燒狀態充分穩定，排氣無煙霧，熱功率和熱效率達到最佳。當過量空氣系數繼續增加時，燃燒室內處于貧油燃燒狀態，混合氣在燃燒室內停留的時間變短，排氣溫度明顯升高，熱功率和熱效率明顯降低。在各相同的過量空氣系數下，3000m高度的熱功率和熱效率比地面狀態下降較多，與4.1節的試驗結果一致。對地面試驗狀態，使熱功率和熱效率最高的過量空氣系數約在1.3左右，熱功率約7kW。3000m試驗狀態，使熱功率和熱效率最高的過量空氣系數約在1.7左右，熱功率約5.5kW。

燃油流量對性能的影響

該試驗項目分別在地面和3000m高度進行，通風空氣流量維持在200kg/h，通過控制器和油泵調節供油流量，并通過氣源系統匹配對應的助燃空氣流量，使過量空氣系數維持在1.5左右，地面和3000m的助燃空氣溫度分別控制在28℃和－20℃左右。供油流量對性能的影響測試結果見圖5。從試驗結果可知：不論是在地面或3000m高度，熱功率和熱效率隨燃油流量變化的趨勢完全一樣，只是3000m高度存在一定程度的熱功率和熱效率衰減，與前文試驗結果一致。對于該試驗樣機而言，存在一個最佳地燃油流量值，使熱功率和熱效率達到最佳。試驗初始階段，熱功率和熱效率隨著燃油流量的增加而增加，當燃油流量達到1.05L/min時，熱功率和熱效率均達到最大值，繼續增加燃油流量后，熱功率基本保持不變，熱效率則開始下降。導致該現象的原因可能是一方面受限于燃燒室的結構型式和尺寸，燃燒效率下降；另一方面受限于熱交換器的翅片型式和面積，換熱效率無法進一步提升。

結語

本文對航空燃燒加溫器的試驗樣機進行了地面和高空狀態下的性能摸底試驗，初步研究了工作高度、燃油流量、過量空氣系數等參數對加溫性能的影響，標定出了適用于地面和3000m高度的最佳過量空氣系數和燃油流量，且對應的熱功率均能滿足該輕型通用飛機5kW的加溫需求。根據試驗樣機的試驗結論，后續計劃對試驗樣機匹配合適的助燃風扇和通風風扇，完善兩個風扇的控制程序后，進一步開展附件匹配和性能試驗。

作者：劉登程 林劍 王川 單位：珠海通用航空研發制造基地