琚印超 徐國強(qiáng) 郭 雋 王英杰

(北京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191)

壓力對(duì)航空煤油 RP-3結(jié)焦的影響

琚印超 徐國強(qiáng) 郭 雋 王英杰

(北京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191)

實(shí)驗(yàn)研究航空煤油 RP-3在流動(dòng)狀態(tài)下的結(jié)焦分布情況,并分析了壓力對(duì)于氧化結(jié)焦的影響.實(shí)驗(yàn)中采用恒定熱流的方式將流經(jīng)長 2m的單通道不銹鋼管(Ф2.2×0.2,1Cr18Ni9Ti)中的航空煤油由 127℃加熱到 427℃,質(zhì)量流量 4g/s,并利用“稱重法”獲得 RP-3結(jié)焦數(shù)據(jù).通過改變系統(tǒng)壓力 3,4,5,6,7MPa,研究了壓力對(duì) RP-3壁面結(jié)焦速率的影響規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓力的提高,對(duì)管壁的結(jié)焦有一定的抑制作用,結(jié)焦峰值位置也有沿實(shí)驗(yàn)段往下游移動(dòng)的趨勢(shì),不同壓力情況下的管壁結(jié)焦速率分布曲線的形狀大致相當(dāng).

壓力;航空煤油;結(jié)焦;熱氧化

在冷氣用量不能大幅增加且冷卻結(jié)構(gòu)無法大幅改變的前提下,使用高熱沉的航空燃料對(duì)冷氣進(jìn)行冷卻[1-2]不僅可以提高冷氣的冷卻品質(zhì),還有利于燃料的霧化和燃燒.但當(dāng)燃料溫度達(dá)到一定值后,便會(huì)開始結(jié)焦,影響供油系統(tǒng)與空油換熱器的可靠性.

當(dāng)航空煤油的溫度達(dá)到約 150℃將會(huì)產(chǎn)生氧化結(jié)焦,燃料與其中的溶解氧開始反應(yīng),通過自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理[3],形成氫過氧化物.隨著反應(yīng)的加深,這些復(fù)雜的產(chǎn)物增加了燃料的粘度,進(jìn)而經(jīng)過聚合、縮合、凝結(jié),形成膠狀固體沉積物.溫度達(dá)到約 450℃時(shí)開始裂解結(jié)焦.

影響航空燃料在管內(nèi)氧化結(jié)焦的因素很多,除了燃料本身以外,主要有操作條件如溫度、壓力、質(zhì)量流速和反應(yīng)時(shí)間等.文獻(xiàn)[4]研究了溫度,壓力以及駐留時(shí)間等因素對(duì)煤油結(jié)焦的影響,結(jié)果表明物理因素主要通過傳質(zhì)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)結(jié)焦產(chǎn)生作用,其中溫度是最主要影響因素,壓力影響不明顯.文獻(xiàn)[5]研究 JP-5得到了當(dāng)?shù)乇诿鏈囟仁怯绊懡Y(jié)焦形成的關(guān)鍵因素,流速和實(shí)驗(yàn)時(shí)間其次,而油溫和壓力(超臨界)影響最小的結(jié)論.

本文結(jié)合實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況,建立了一套超臨界碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)結(jié)焦測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置,研究了 RP-3從 127℃等熱流加熱至 427℃時(shí),壓力變化對(duì)于氧化結(jié)焦在管壁分布情況的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

圖1為超臨界流動(dòng)結(jié)焦測(cè)試裝置示意圖.整個(gè)裝置可分為 4個(gè)系統(tǒng):供油系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和冷卻分離系統(tǒng).供油系統(tǒng)中煤油從油箱經(jīng)高壓泵加壓先后流經(jīng)閥門、過濾器、流量計(jì)和阻燃閥,為便于流量的調(diào)節(jié)在油泵出口還設(shè)置了回油旁路.

為模擬未來先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)換熱器中的換熱情況,實(shí)驗(yàn)中采用了長為 2m,內(nèi)徑 1.8mm、外徑2.2mm的不銹鋼管(1Cr18Ni9Ti),并采用低電壓大電流以恒定熱流的交流電方式加熱.管外包裹用于絕熱的玻璃棉.沿著加熱管長方向布置了 15對(duì) 0.1mm標(biāo)準(zhǔn) K型熱電偶監(jiān)測(cè)壁溫.進(jìn)出口油溫使用 K型鎧裝熱電偶測(cè)量,壓力由 CJY-113壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),在預(yù)熱段前的 DMF-1-2型科氏力質(zhì)量流量計(jì)用于測(cè)量質(zhì)量流量.溫度、壓力和流量信號(hào)經(jīng) ADAM-4018模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后輸入電腦并實(shí)時(shí)記錄.采樣系統(tǒng)從收集腔引出,用于實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采樣.加熱后的煤油經(jīng)冷卻分離系統(tǒng)冷卻至室溫,并進(jìn)行產(chǎn)物分離收集.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

預(yù)熱段模擬了煤油冷卻潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及航空電子設(shè)備的過程,實(shí)驗(yàn)段模擬了煤油與冷氣的換熱過程.煤油經(jīng)過預(yù)熱段后溫度達(dá)到約127℃,經(jīng)實(shí)驗(yàn)段后將達(dá)到 427℃.

本研究中所選定的壓力范圍為 3～7MPa.實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口油溫 127℃,出口油溫427℃,質(zhì)量流速4g/s,實(shí)驗(yàn)加熱時(shí)間 60min.以進(jìn)出口溫度平均作為定性溫度,確定物性值后,計(jì)算求得的停留時(shí)間約 0.7 s.實(shí)驗(yàn)段前后裝有背壓閥,能保證實(shí)驗(yàn)過程中流量和壓力的穩(wěn)定,進(jìn)出口油溫也基本不變.

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

國產(chǎn)航空煤油 RP-3是單一直餾餾分或直餾組分與精制組分混合組成,以直鏈烷烴和環(huán)烷烴為主,二者共占 70%～90%,碳數(shù)分布從 C10～C15,密度(15℃)0.775～0.830g· cm-3(臨界溫度為 372.35℃,臨界壓力為 2.390MPa,5MPa下的起始裂解溫度為 471.8℃[6]).實(shí)驗(yàn)前在煤油中通入足夠量的空氣,保證煤油中的溶解氧飽和.減少因溶解氧濃度不同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響.

1.3 測(cè)焦方法

本實(shí)驗(yàn)采用稱重法測(cè)量結(jié)焦[7]儀器有 BT224S電子天平(最大量程為 220g,d=0.1mg)、超聲波清洗機(jī).首先將實(shí)驗(yàn)后待處理的管子切成 5 cm長的小管段.用酒精擦拭管外壁后在 80℃的環(huán)境下烘干 1h,取出使用微量天平稱重.然后將小管段置于加入了堿性清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗3h,再次放入電爐中烘干 1h,接著取出擦拭后進(jìn)行稱重.通過對(duì)比清洗前后管段減重變化獲得管壁結(jié)焦分布情況.其中,烘干和清洗的時(shí)長是經(jīng)過重復(fù)性驗(yàn)證而確定的(見圖 2).

圖2 結(jié)焦量測(cè)量方案圖

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)中研究航空煤油氧化結(jié)焦特性,主要是針對(duì)不同工作壓力的情況下,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)段的總結(jié)焦量、截?cái)嗪蟮母餍《蔚钠骄Y(jié)焦速率以及結(jié)焦速率/結(jié)焦量分布曲線的比對(duì),得到相應(yīng)結(jié)論.

總結(jié)焦量是指所有切成的小段所測(cè)得的結(jié)焦量的總和,其單位為 mg.平均結(jié)焦速率是指單位時(shí)間、單位面積上的結(jié)焦量,其單位為 μg/(cm2·min).結(jié)焦速率/結(jié)焦量分布曲線上每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)為(每小段中心在實(shí)驗(yàn)段中的軸向位置,每小段的結(jié)焦速率/結(jié)焦量),由所有這些點(diǎn)連接得到分布曲線.

2.2 結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)采用了兩批次的 RP-3,成分略有不同,故分組進(jìn)行處理.第 1組壓力分別為 3,5,7MPa,第 2組為 4MPa和 6MPa,見圖 3～圖 6.圖 3和圖5為不同壓力下結(jié)焦速率分布沿管長方向的分布曲線比較.圖 4和圖 6分別為不同壓力下結(jié)焦總量的比較.

圖3 P=3,5,7MPa的結(jié)焦速率分布曲線比較

圖4 P=3,5,7MPa時(shí)結(jié)焦總量的比較

從圖 3和圖 5上可以看出,結(jié)焦速率沿管長先增大后減小,在 80～140 cm處形成一個(gè)峰值區(qū)域,此處結(jié)焦速率受溫度和氧濃度綜合影響的結(jié)果[8].在實(shí)驗(yàn)段前半部分(0～80cm),溫度是影響結(jié)焦反應(yīng)的主導(dǎo)因素,結(jié)焦速率隨管壁和煤油溫度的升高不斷增大,但是隨著結(jié)焦反應(yīng)進(jìn)行,煤油中的溶解氧不斷消耗,自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)減弱,伴隨著氫過氧化物的不斷消耗,結(jié)焦速率也逐漸降低,從而出現(xiàn)結(jié)焦峰值.實(shí)驗(yàn)段出口處 (140～200 cm),管壁溫度較高,RP-3發(fā)生輕微裂解反應(yīng),結(jié)焦速率略高于進(jìn)口部分(0～80 cm).文獻(xiàn)[9]等研究飛行器燃料的沉積形式和緩解,認(rèn)為燃料溫度是氧化結(jié)焦的主要原因,在 600℉(約316℃)的時(shí)候氧化造成的氧化結(jié)焦接近頂峰,超過這個(gè)值后由于氧的消耗開始下降,在接近800℉(約 427℃)的時(shí)候熱分解沉積開始.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合此規(guī)律.

圖5 P=4,6MPa的結(jié)焦速率分布曲線比較

圖6 P=4,6MPa時(shí)結(jié)焦總量的比較

由于兩批次煤油組分的略微不同,且由于氧化反應(yīng)機(jī)理的復(fù)雜性,故有可能出現(xiàn)結(jié)焦峰值分布形態(tài)和結(jié)焦總量的差異性,但從圖 3和圖 5中明顯可以看出,同批次實(shí)驗(yàn)中,不同壓力情況下,煤油結(jié)焦速率的分布形狀具有較好的相似特性,在圖 5中表現(xiàn)的尤為突出.實(shí)驗(yàn)結(jié)果中均具備了煤油氧化結(jié)焦的雙波峰形態(tài),并且壓力從 4MPa增加到 6MPa及 5MPa增加到 7MPa的兩種情況下,RP-3管壁結(jié)焦峰值出現(xiàn)的位置均有沿實(shí)驗(yàn)段往下游后移 5 cm的現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在 3MPa情況下,結(jié)焦速率峰值區(qū)域整體水平較高,且范圍大.當(dāng)壓力逐漸升高的過程中,結(jié)焦速率峰值區(qū)域不斷縮短,同時(shí)結(jié)焦峰值處的速率也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),并且在實(shí)驗(yàn)段出口處(140～200 cm)整體結(jié)焦速率顯著下降.當(dāng)壓力增加到 7MPa后,結(jié)焦峰值處和實(shí)驗(yàn)段出口處的結(jié)焦速率僅僅是 3MPa情況下的一半.

分析原因,實(shí)驗(yàn)段中的油溫達(dá)到超臨界溫度之前,壓力變化主要影響的是煤油的運(yùn)動(dòng)粘度和密度.近壁處的煤油由于過熱變?yōu)榉序v態(tài),與主流的液體形成類似于兩相流的擾流,隨著壓力的升高,Re略微減小,降低了煤油擾動(dòng)的能力,進(jìn)而降低了結(jié)焦的反應(yīng)速率.在達(dá)到超臨界溫度后,壓力升高,煤油的溶解度增加,其萃取性增加,且輸運(yùn)能力略微下降,而管內(nèi)壁結(jié)焦主要是由于煤油中的膠狀物輸運(yùn)并附著于管壁長時(shí)間沉積所致.故液體空間中的結(jié)焦膠狀物更多的游離于煤油中,并且輸運(yùn)到管壁的能力下降.在實(shí)驗(yàn)中,擴(kuò)散性與萃取性對(duì)管壁結(jié)焦的影響占主導(dǎo),即使壓力升高導(dǎo)致密度變大,相應(yīng)的停留時(shí)間增加,但是它們與停留時(shí)間三者共同作用仍使得附著在管壁的結(jié)焦大大減少,使得結(jié)焦峰值區(qū)域的結(jié)焦降低了.這與文獻(xiàn)[10]針對(duì) 3種不同的燃料進(jìn)行了壓力范圍為 0.017～4.24MPa的實(shí)驗(yàn)中得到隨著壓力的增加,結(jié)焦總量和局部的結(jié)焦量都減少了,并且結(jié)焦峰值在往下游移動(dòng)的結(jié)論基本吻合.

從圖 4和圖 6可以看出,在本組實(shí)驗(yàn)中,隨著壓力的升高 RP-3管內(nèi)壁總的結(jié)焦量逐漸降低,即壓力的升高對(duì)壁面結(jié)焦有一定的抑制作用.但在本實(shí)驗(yàn)研究中,僅僅通過提高壓力,并沒有實(shí)現(xiàn)徹底抑制超臨界煤油結(jié)焦的目的.高壓力情況下的結(jié)焦情況有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究.

3 結(jié) 論

本文針對(duì)未來先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的工作情況,在保證質(zhì)量流速與進(jìn)口溫度相同的條件下研究了壓力對(duì) RP-3氧化結(jié)焦生成規(guī)律的影響.在本實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi),結(jié)果如下:

1)不同壓力下,RP-3管壁結(jié)焦速率分布曲線的形狀基本相同.

2)隨著壓力的升高,RP-3管壁結(jié)焦峰值有略微往下游移動(dòng)的趨勢(shì).

3)隨著壓力的升高,RP-3管壁結(jié)焦總量逐漸降低,即增大壓力對(duì)管壁結(jié)焦有一定的抑制作用.

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(編 輯 :張 嶸)

Effects of pressure on the coking characteristic of jet fuel RP-3

Ju Yinchao Xu Guoqiang Guo Jun Wang Yingjie

(National Key Laboratory on Aero-Engines,Beijing University ofAeronauticsand Astronautics,Beijing 100191,China)

The influences of pressure on the surface coke deposition of RP-3 were studied by experiments.The flowing RP-3 is heated up to supercritical state in a 2m long single-pass stainless steel tube(Ф2.2×0.2,1Cr18Ni9Ti)with con st ant heat flux.The mass flow is 4 g/s.The mount of surface coke deposition was obtained by weighting method.The influences of pressure on RP-3 surface coke deposition rate were investigated by changing the pressure.The result shows that the greater pressure can suppress coke deposition to a certain extent;the location of coking peak value tends to move backwards along the experimental segment;the shapes of surface coke deposition distribution curve under different pressure are the same.

pressure;jet fuel;coke deposition;thermal oxidation

V 312+.1

A

1001-5965(2010)03-0257-04

2009-04-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Grant NO.50676005/E 060303)

琚印超(1985-),男,浙江龍游人,碩士生,woshixiaoju@yahoo.com.cn.