超临界压力下航空煤油结焦换热综述及实验

综述了航空发动机CCA(cooled cooling air)冷却方式,对利用航空发动机外涵空气和航空煤油作为冷源两种不同技术路线的技术效能进行了对比,结果表明后者具有明显的优势.对国内外超临界压力下航空煤油结焦机理、结焦影响因素、结焦抑制以及换热、流动特性研究现状进行了综述,结果表明煤油温度、压力、表面材料对结焦有影响作用,加入相应添加剂可以有效抑制结焦,流动不稳定的影响因素以及浮升力对换热影响的判据.针对国内燃油RP-3进行了超临界流动结焦、静态结焦、以及流动换热的初步实验研究,结果表明压力、进口温度、材料表面特性影响煤油热氧化结焦,质量流量、流动方向、实验段弯曲对煤油换热有所影响.     

进口温度影响航空煤油结焦特性实验

实验研究了超临界压力下航空煤油RP-3的氧化结焦特性.实验系统压力5 MPa,RP-3质量流速4 g/s,实验段为外径2.2 mm、内径1.8 mm不锈钢管(材质:1Cr18Ni9Ti).通过改变进口温度80,100,127℃和150℃,研究了进口油温对RP-3氧化结焦的影响.实验采用近似等热流加热方式,管内壁面结焦通过称质法测量.实验结果表明:随进口温度的升高,结焦速率峰值位置大都向上游推移,且峰值高度有所增加;管内结焦总量随进口油温的升高先增加,当进口油温超过127℃后,管内结焦总量基本保持不变.      

冷却通道预氧化处理抑制碳氢燃料热裂解结焦的研究

主动冷却超燃冲压发动机用吸热碳氢燃料应用过程中不可避免产生裂解结焦,这是制约燃料热沉能力和过程可靠性的重要因素。冷却通道表面进行预处理,是减少裂解结焦的重要途径之一。系统研究了预氧化321不锈钢管(Φ3 mm×0.5 mm)的元素迁移和微观结构。利用超临界航空煤油RP-3的热裂解反应为探针,研究预氧化处理对结焦的影响。实验发现,高温氧化后(900℃),管表面形成一层致密的Cr2O3膜,能减少碳沉积,几乎不生成纤维碳;较低温(600~800℃)氧化时,虽然Cr元素不断向金属表面迁移,Fe,Ni元素向金属内部迁移,但同时产生了大量空缺位提供渗碳通道,最终导致结焦量高于空管。     

增材制造螺旋圆管航空煤油热氧化结焦特性的试验研究

为得到环境温度、入口雷诺数和磨粒流处理工艺对RP?3航空煤油氧化结焦特性的影响,针对增材制造（3D打印）螺旋圆管,采用了恒定环境温度的试验方法,开展了RP?3航空煤油热氧化结焦试验研究。试验结果表明:当入口雷诺数和试验时间保持恒定时,无论燃油处于静止还是流动状态,燃油结焦速率和总结焦量都随着环境温度的增加而增大;当试验件壁温和试验时间保持不变时,燃油处于流动状态下,燃油结焦速率和总结焦量随着入口雷诺数的增大呈现先增加后减少的变化趋势。采用磨粒流处理后,燃油在试验件内的结焦速率大于基准工况,总结焦量是基准工况下的1.17倍。对试验件内表面进行磨粒流处理不利于抑制结焦沉积。      

流动方式对航空煤油RP-3结焦的影响

实验研究了航空煤油RP-3在不同流动方式下的结焦分布情况.实验中采用恒定热流的方式将流经单通道不锈钢管中的溶解氧饱和的航空煤油由127℃加热到427℃,系统压力5MPa,质量通量780kg/(m2·s),并利用“称质法”获得煤油结焦数据.实验结果表明,不同流动方式下,结焦速率随着温度升高先增大后减小,存在峰值区域;虽然结焦速率峰值点出现对应的外壁温不同,但是结焦速率分布曲线相似,呈现单波峰形态;结焦总量大体相当;重力的影响体现在结交峰值位置的偏移上.      

进口油温影响RP-3结焦特性实验研究

实验研究了超临界压力下RP-3的氧化结焦特性。实验系统压力5Mpa,质量流速4g/s,实验段为外径2.2mm、内径1.8mm不锈钢管（材质：1Cr18Ni9Ti）。通过改变进口温度80℃、100℃、127℃、150℃,研究了进口油温对RP-3氧化结焦的影响。实验采用等热流加热方式,管内壁面结焦通过称重法测量。实验结果表明：RP-3结焦速率随温度的升高沿管长先升高,然后随着溶解氧的消耗降低,在实验段中后部形成结焦速率峰值;随进口温度的升高,结焦速率峰值位置大都向上游推移,且峰值高度有所增加;管内结焦总量随进口油温的升高先增加,当进口油温超过127℃后,管内结焦总量基本保持不变。     

高温条件下RP-3航空煤油的结焦特性

为了解和掌握航空煤油在高温条件下的结焦性能,通过试验分别研究了RP-3航空煤油在静止状态下的结焦边界温度与结焦特性,以及不同燃油进口条件、壁温对结焦特性的影响。试验结果表明:燃油静止时其结焦边界温度介于437~450 K之间,且随着试验时间的增加,结焦速率呈下降趋势。增加流速,降低进口油温和壁温均可有效降低结焦的生成,且降低进口油温的影响最大。从时间尺度上来看,结焦在前期的累积较慢,但在形成一定量的结焦后结焦速率会明显提升,以400 K进口油温、800 K壁温、05 m/s燃油流速工况为例,8 h和12 h试验件的结焦量分别达到4 h试验件的约15倍和7倍。     

小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧作用的数值研究

为研究小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧的影响,选择合理的RP-3航空煤油替代燃料详细燃烧模型开展工作,该模型能够精确预测RP-3航空煤油和小分子燃料的燃烧特性。以六种重要的小分子燃料H2,CH4,C2H4,C2H6,C3H6和C3H8分别与RP-3航空煤油按1:5的比例(摩尔分数)掺混形成的六种混合燃料(Blended Fuel)为研究对象。在当量比为1.0,压力分别为0.1 MPa和1 MPa下系统模拟了RP-3航空煤油及六种混合燃料在高温下的燃烧特性,分析了各种混合燃料的自点火、燃尽时间、绝热火焰温度、熄火温度、组分浓度变化,并结合ROP(Rate of Production)分析方法,分析了小分子燃料对OH自由基生成速率的影响。结果表明,C2H4将RP-3航空煤油的点火延迟时间缩短了近4.6%;C3H6则将RP-3航空煤油的点火延迟时间推后了8.4%;C2H4和H2对RP-3航空煤油的快速点火和稳定燃烧有着积极的作用,其中C2H4的作用最为突出。     

超临界压力下正癸烷在多孔介质中结焦实验研究

发散冷却是高超声速飞行器热部件防护的关键技术之一。为了研究碳氢燃料结焦性对其作为冷却流体在发散冷却技术中安全性的影响,对超临界压力下正癸烷在烧结青铜球形颗粒多孔介质中的结焦特性进行实验研究,获得了正癸烷在压力3MPa,温度350~638℃和质量流量2~4kg/h下的焦碳表面沉积规律。研究表明:温度是正癸烷在多孔介质中结焦产物生成的主导因素,并发现正癸烷存在热氧化结焦与热裂解结焦两种结焦行为,导致其焦碳表面沉积速率呈现双峰结构。一定温度下,质量流量决定正癸烷在流道中驻留时间,热氧化结焦受驻留时间与溶解氧浓度两个因素制约,焦碳表面沉积速率随质量流量增加先增大后减小;热裂解结焦则只受到驻留时间的影响,焦碳表面沉积速率随质量流量增大而单调减小。     

RP-3航空煤油与藻基燃油在层流扩散火焰中碳烟生成对比研究

为了促进藻基生物质航空替代燃料在实际发动机中的应用,得到更多它与传统航空煤油在基础燃烧性能方面差异的实验数据,对比研究了藻基燃油与RP-3航空煤油,两种燃油在相同的工况下形成层流扩散火焰,采用直接采样法采集碳烟颗粒和中间气体成分进行分析。研究结果表明,在本研究工况下,RP-3航空煤油与藻基燃油的火焰高度分别为33.5mm和34.5mm;RP-3航空煤油的表观亮度高;藻基燃油在各个火焰测点的温度都高于RP-3航空煤油,两者的最高温度分别为1453.6K和1405.3K,其数值都与对应的绝热火焰温度相差较多,其原因主要为大量碳烟的辐射和氮气载气吸热;同一火焰位置测点,藻基燃油形成的层流扩散火焰中碳烟颗粒的粒径、碳烟数密度都比RP-3航空煤油少。中间气体的GC/MS分析结果表明,RP-3航空煤油火焰中易形成环芳香烃的短链烃类,如C_4H_2,C_3H_4小分子烃类含量比藻基燃料多,进而更加容易生成碳烟。     

航空煤油RP-3结焦产物的物性

在环境温度为800K和900K条件下,获取RP-3航空煤油结焦产物,通过试验获得表观形貌及物性,拟合了结焦产物的比热容和导热系数随温度变化的经验关系式。结果表明:航空煤油结焦产物的微观结构为球状颗粒堆积且表面存在可见孔隙,表观密度约为1 049kg/m~3,真密度约为1 498kg/m~3,孔隙率约为29.9%,环境温度为800K下生成的油焦真密度较900K下生成的小;通过闪光法测得油焦比热容约为1.1~2.2J/(g·K),导热系数约为0.19~0.28W/(m·K),比热容和导热系数均随着温度的升高而增加,环境温度为800K下生成的油焦比热容和导热系数较在900K条件下生成的略大。     

氢气添加对RP-3航空煤油燃烧特性的影响

为了阐明氢气添加对国产RP-3航空煤油燃烧特性的影响,在定容燃烧反应器中实验测量了初始压力为0.1MPa、初始温度分别为390,420K、当量比范围为0.8～1.5时RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度与马克斯坦长度,分析了掺氢比对火焰发展结构、层流燃烧速度及马克斯坦长度的影响.结果表明:随着掺氢比的提高,在火焰发展过程中,火焰前锋面逐渐出现裂纹或褶皱,火焰的不稳定性逐渐增强;随着混合气当量比或掺氢比的升高,RP-3航空煤油/氢气混合气的马克斯坦长度逐渐减小;当混合气当量比从0.8升高至1.5时,RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度呈现先增加后降低的趋势,当量比为1.2时混合气的层流燃烧速度达到最大;同时,随着初始温度或掺氢比的升高,RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度逐渐升高。      

RP-3航空煤油不同替代模型的空化流动特性

为研究RP-3航空煤油空化流动特性,采用GERG-2004方程构建了4种RP-3航空煤油的物理替代模型并给出其主要物性参数,对收缩扩张流道内航空煤油替代模型、正十二烷(C12H26)和水体的空化流动进行了数值计算研究,计算时考虑了饱和蒸汽压修正及航空煤油物性参数随流场温度变化。结果表明:由45％正十二烷、25%正十烷、5%辛烷、5%甲基环己烷和20%甲苯(摩尔比)组成的替代模型能够较好拟合RP-3的物质属性,可用来替代RP-3进行空化流动计算。常温下航空煤油的初生空化数小于水体,相同空化数下(σ=1.5),水体的空穴长度约为航空煤油的1.4倍,航空煤油的空化强度更弱,液汽交界面较模糊。随着温度的升高,航空煤油空化热力学效应增强,但其在煤油泵工作温度区域内空化热力学效应不显著,在煤油泵空化性能预测时可以忽略煤油空化热力学效应的影响。     

航空煤油饱和蒸气压测量及其在飞行试验中的应用

航空煤油饱和蒸气压对飞机燃油系统供油、发动机燃烧室的工作有着重要影响。本文选取RP-3航空煤油为研究对象,利用一套航空煤油饱和蒸气压测量设备对飞行前后的RP-3燃料的饱和蒸气压进行了测量,分析了影响饱和蒸气压测量结果的因素;结合飞行试验,分析了燃料饱和蒸气压对吸力供油高度确定的影响。     

RP-3航空煤油与其模型燃料雾化特性的对比试验

为了获得RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化特性,在燃油喷嘴雾化激光测试平台上对相对喷射压力分别为200、400、600、800 kPa时,RP-3航空煤油及由14%正癸烷/10%正十二烷/30%异十六烷/36%甲基环己烷/10%甲苯（摩尔分数）组成的模型燃料的雾化特性（雾化锥角、雾化粒度、油滴速度）进行了试验测试,并完成了两者的对比分析。结果表明:随着相对喷射压力的升高,RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化锥角与油滴速度逐渐增大,索太尔平均直径（SMD）逐渐减小;随着离喷嘴出口轴向距离的增加,RP-3航空煤油与其模型燃料的SMD值与油滴速度逐渐减小;在各相对喷射压力下,模型燃料的雾化锥角与油滴速度要略高于RP-3航空煤油,SMD值则要略低;但是,两者之间差异较小,说明该模型燃料的雾化特性与RP-3航空煤油有较高的相似性。      

燃油结焦影响因素及抑制方法综述

燃油温度升高会导致燃油结焦,而燃油结焦对飞行器会带来极大危害,因而抑制燃油结焦是亟待解决的问题。在实际应用中,针对不同的结焦机理,可采取不同的抑制方法。介绍了燃油结焦的机理,综述了国内外关于航空煤油特性的影响因素的相关试验情况。结果表明:温度对燃油结焦影响最大,由于温度的不同,结焦机理也会发生变化;而压力、流动方式对结焦的影响很小。故通常采用溶解氧含量、材料表面处理及使用添加剂来抑制结焦。     

航空煤油热裂解结焦实验

为了避免航空煤油在高热流条件下主动热防护过程中的结焦沉积,需要对航空煤油的热裂解和结焦沉积反应规律进行研究.通过考察航空煤油在不同反应条件下气液相产物以及结焦量,对航空煤油的热裂解结焦反应规律展开实验研究.结果表明:航空煤油中的烯烃组分的二聚反应和芳香烃的缩聚反应是导致结焦的重要反应.随着温度的升高,航空煤油的热裂解程度加剧,且主要结焦反应速率加快,因此航空煤油的结焦量随之上升,甲烷、乙烯等小分子气相产物体积分数也随之升高,液相产物中烷烃质量分数明显下降,芳香烃质量分数上升.压力的升高会导致工质在板内的停留时间增加,从而使得结焦反应更多的朝正反应移动,所以液相产物中芳香烃质量分数随压力的升高而明显增多.      

CH_4/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的实验研究

为研究甲烷添加对RP-3航空煤油燃烧特性的影响,在定容燃烧弹中获得初始温度420K,初始压力0.1MPa,当量比0.8~1.5和甲烷含量0~0.8工况下CH_4/RP-3航空煤油混合燃料火焰发展特性图片、火焰半径扩散速率、拉伸火焰传播速度、马克斯坦长度、无拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度等燃烧特性,并分析了甲烷添加对混合燃料马克斯坦长度及层流燃烧速度等的影响。结果表明,CH_4/RP-3航空煤油混合燃料在当量比1.3,甲烷含量0工况时燃烧稳定性较差,但随着混合燃料中甲烷含量的增加,火焰前锋面逐渐趋于稳定;混合燃料当量比分别为0.8,1.0和1.2时,甲烷含量的增加对火焰半径扩散速率和拉伸火焰传播速度分别起促进、无明显影响和抑制作用;混合燃料马克斯坦长度曲线在当量比0.9~1.2交叉,当量比为0.8时,混合燃料马克斯坦长度随甲烷含量增加而减小,而当量比为1.3时,混合燃料马克斯坦长度接近于0,燃烧变得极不稳定;混合燃料层流燃烧速度峰值出现在当量比1.0~1.1内,当量比在0.9~1.1,甲烷添加对RP-3航空煤油层流燃烧速度影响较小,当量比大于1.1时,混合燃料层流燃烧速度随甲烷含量增加显著减低。     

小球藻油/RP-3航空煤油混合燃料的层流燃烧特性

在初始压力0.1 MPa、初始温度450 K和当量比范围0.8~1.2工况下,进行小球藻油及其与RP-3航空煤油混合燃料的层流燃烧特性研究。研究结果表明:随着当量比增加,小球藻油着火滞燃期缩短,拉伸火焰传播速度增加。与RP-3航空煤油相比,小球藻油无拉伸火焰传播速度峰值更偏向于浓混合气区域,且对当量比较为敏感,随着当量比增加,其无拉伸火焰传播速度变化显著。随着小球藻油含量增加,混合燃料无拉伸火焰传播速度峰值右移,50%小球藻油/50%RP-3航空煤油混合燃料无拉伸火焰传播速度峰值出现在当量比Φ=1.4附近。研究发现,与小球藻油和RP-3航空煤油单组分燃料相比,50%小球藻油/50%RP-3航空煤油混合燃料马克斯坦长度值变大,混合燃料具有较好的燃烧稳定性。      

RP-3航空煤油燃烧特性及其反应机理构建综述

目前耦合航空煤油多步燃烧反应机理的数值模拟计算已引起学者们的重视,燃烧反应机理的构建已成为研究热点。详细介绍了国内外关于航空煤油模拟替代燃料的选取、化学反应动力学模型构建和简化、着火延迟时间和层流燃烧速度等的实验规律。依据国外研究进展,指出了中国在国产RP-3航空煤油燃烧反应机理研究方面应从基础研究做起,全方位、多维、立体地合作开展相关研究,主要包括:国产RP-3航空煤油化学动力学模型的建立、低温高压工况条件下航空煤油与模拟替代燃料的基础实验研究与模型燃烧室研究,以期丰富相关研究成果,推进航空发动机的高质量发展。