第三节-喷气燃料

第三节喷气燃料•一、喷气发动机的工作过程及其对燃料的要求•近几十年来，喷气发动机在航空上得到越来越广泛的应用。目前，不仅在军用上而且在民用上已基本取代了点燃式航空发动机。点燃式航空发动机受高空空气稀薄及螺旋桨效率所限，只能在10000m以下的空域飞行，时速也无法超过900km。喷气发动机是借助高温燃气从尾喷管喷出时所形成的反作用力推动前进的，它的突出优点是可以在20000m以上高空以2马赫(马赫数即为速度与音速的比数，通常用M表示。音速约为1190km／h)以上高速飞行。图1喷气发动机1．涡轮喷气发动机的工作过程•涡轮发动机主要是由离心式压缩器、燃烧室、燃气涡轮和尾喷管等部分构成。•(1)压缩器•因高空的空气稀薄，需将迎面进入发动机的空气用离心式压缩器压缩至0.3～0.5MPa，温度达150～200℃，然后再进入燃烧室。空气压力越高，燃料的热能利用程度也越高，从而可提高发动机的经济性，增强发动机的推力。•(2)燃烧室•在燃烧室中，经压缩的空气与燃料混合，形成混合气，在起动时需要用电点火，随后即可连续不断地进行燃烧。燃烧室中心温度可高达1900～2200℃，为防止因高温使涡轮中的叶片受损，需通入部分冷空气，使燃气的温度降至750～800℃左右。•(3)燃气涡轮•燃气推动涡轮高速旋转，将热能转化为机械能。燃气涡轮在同一轴上带动离心式压缩器日旋转，旋转的速度为8000～16000r／min。•(4)尾喷管•从涡轮中排出的高温高压燃气在尾喷管中膨胀加速，尾气在500～600℃下高速喷出，•由此产生反作用推动力以推动飞机前进。•由此可见，喷气发动机与活塞式发动机(汽油机及柴油机)是有很大的区别的，其特点是：•首先，在喷气发动机中，燃料与空气同时连续进入燃烧室，一经点燃，其可燃混合气的燃烧过程是连续进行的。而活塞式发动机的燃料供给和燃烧则是周期性的。•其次，活塞式发动机燃料的燃烧在密闭的空间进行，而喷气发动机燃料的燃烧是在35～40m/s的高速气流中进行的，所以燃烧速度必须大于气流速度，否则会造成火焰中断。•2．喷气发动机对燃料的要求•喷气发动机的推力是借助燃料的热能转变为燃气的动能产生的。这个能量的转换过程是在高空飞行条件下实现的，所以对燃料的质量要求非常严格，以保证安全可靠。对喷气发动机燃料质量的主要要求如下：•①良好的燃烧性能。•②适当的蒸发性。•③较高的热值和密度。•④良好的安定性。•⑤良好的低温性。•⑥无腐蚀性。•⑦良好的洁净性。•⑧较小的起电性。•⑨适当的润滑性二、喷气燃料的燃烧性能•喷气燃料的燃烧性能良好，是指它的热值要高，燃烧要稳定，不易因工作条件变化而熄火，一旦高空熄火后能容易再起动，燃烧要完全，产生积炭要少。•1.喷气燃料的启动性、燃烧稳定性及燃烧完全度•喷气发动机燃料不仅应保证发动机在严寒冬季能迅速启动，而且使发动机在高空一旦熄火时也能迅速再点燃，恢复正常飞行，以保证飞行安全。•燃料的启动性取决于燃料的自燃点、着火延滞期、燃烧极限、可燃混合气发火所需的最低点火能量、燃料的蒸发性大小和粘度等。•燃料在喷气发动机中能连续而稳定地燃烧有意义重大。如果燃烧不稳定，不仅会使发动机的功率降低，严重时还会因熄火而酿成事故。燃料燃烧的稳定性除与燃烧室结构及操作条件有关外，还和燃料的烃类组成及馏分轻重有密切关系。研究结果表明，正构烷烃和环烷烃的燃烧极限较芳香烃的宽，特别是在温度较低的情况下更为明显。所以，从燃烧的稳定性角度看，烷烃和环烷烃是较理想的组分，而芳香烃的燃烧极限较窄，容易熄火。此外，燃料的馏分组成对燃烧稳定性也有影响，如果馏分太轻，燃烧极限也会太窄。所以，喷气燃料一般采用燃烧极限较宽、燃烧比较稳定的煤油馏分。•喷气燃料燃烧时，首要的是易于起动和燃烧稳定其次是要求燃烧完全。所谓燃烧完全度是指单位质量燃料燃烧时实际放出的热量占燃料净热值的百分率，它直接影响到飞机的动力性能、航程远近和经济性能。•燃料燃烧的完全度一方面受进气压力、进气温度和飞行高度等工作条件的影响，另一方面也受燃料的粘度、蒸发性和化学组成的影响，现将后者分述如下：•（1）粘度•燃料的粘度与其雾化的质量有直接联系。燃料的雾化程度越好，越能加快可燃混合气的形成，因而也就加快了燃烧速度，有利于燃烧的稳定和完全。如果粘度过大，则燃料的喷射角小、液滴大、射程远而雾化不良，从而使燃烧完全度下降。粘度较小的燃料一般燃烧完全度较高，但粘•度也不能太小，否则会由于燃料的喷射角大、射程短而引起燃烧室的局部过热。•(2)蒸发性•燃料的蒸发性对燃烧完全度的影响也很大。馏分较轻、蒸发性较好的喷气燃料，能较快地与空气形成可燃混合气，其燃烧完全度较高。馏分过重的燃料不易挥发，形成可燃混合气的速度较慢，其燃烧完全度也就较低。因此，现代一般喷气燃料的终馏点都控制在300℃以下。•（3）化学组成•研究表明，各种烃类的燃烧完全度高低顺序是：正构烷烃异构烷烃单环环烷烃双环环烷烃单环芳烃双环芳烃。由此可见，燃料中芳烃含量越高，其燃烧完全度越差，这是在喷气燃料中限制芳烃体积分数不大于20%的重要原因之一。2．喷气燃料生成积炭的倾向、•喷气燃料在燃烧过程中会产生炭质微粒，炭质微粒积聚在喷嘴、火焰筒壁上就形成积炭。喷嘴上的积炭会恶化燃料的雾化质量，使燃烧过程变坏。积炭附在火焰筒的部分壁上，会使火焰筒因受热不均匀而变形，甚至产生裂纹。此外，在发动机工作时，火焰筒壁上剥落下来的积炭碎片会进入涡轮，擦伤叶片。•喷气燃料燃烧时在发动机中生成积炭的倾向，与燃烧室的构造、发动机工作条件及燃料的性质都有关系。就燃料而言，其化学组成对生成积炭的影响最大。由表4—13可见，在喷气发动机中最容易生成积炭的成分是芳香烃，尤其是双环芳香烃。为此，在喷气燃料的质量标准中除限制芳香烃含量外，还规定萘系烃的体积分数不大于3.0%。•(1)烟点•又称无烟火焰高度，是指油料在一标准灯具内，于规定条件下作点灯试验所能达到的无烟火焰的最大高度，单位为毫米。燃料的烟点取决于其化学组成，烟点与芳烃含量有一定的对应关系，其芳烃含量越多，则其烟点就越低。喷气燃料的烟点与发动机中生成积炭量之间也有密切关系，烟点越低，生成的积炭就越多。我国的喷气燃料要求烟点不小于25mm。•2)辉光值•当燃料的生炭性强时，其燃气流中的炭粒就多，炽热的炭粒能使火焰的亮度增加，热辐射加强。辉光值是在一定的火焰辐射强度(相当于四氢萘烟点时的辐射强度)下，将试验燃料和两个标准燃料分别在灯中燃烧，比较火焰的温度升高(温升)多•少而得出的。生炭性强的燃料，达到同样辐射强度的火焰温升小，辉光值也小；生炭性小的燃料，火焰温升大，辉光值也大。对于碳数相同的烃类而言，烷烃的辉光值最大，环烷烃的居中，芳烃的最小。在测定时，人为地规定一种标准燃料四氢萘的辉光值为零，另一种标准燃料异辛烷的辉光值为100。试样的辉光值是与四氢萘、异辛烷两者相比较而得到的。其计算式如下：辉光值=───x100式中△T1、△T2、△T3分别表示燃烧四氢萘、异辛烷及试样时火焰的温升(℃)。我国规定喷气燃料的辉光值不小于45。△T3-△T1△T2-△T1•3．热值和密度•喷气发动机的推力取决于所用燃料的热值。如使用热值低的燃料，必然导致耗油率的增大。•对于喷气燃料，不仅要求有较高的质量热值(kJ／kg)，而且也要求有较高的体积热值(kJ／dm3)。质量热值越大，发动机的推力越大，耗油率越低。由于喷气飞机上油箱的体积是有限的，为了使航程能尽可能长些，这就还要求燃料有尽可能高的体积热值。换言之，即要求喷气燃料除有较高的质量热值外，还要有较大的密度，这样，在一定容量的油箱中可装有更多的燃料，储备更多的热量。我国喷气燃料的质量标准中规定其净热值不小于42.8或42.9MJ／kg，20℃密度不小于0.750或0.775g／cm3。•喷气燃料的热值和密度与其化学组成和馏分组成有关。由于氢的质量热值比碳大得多，因此，氢碳比越高的燃料的质量热值也越大。三、喷气燃料的安定性•喷气燃料的安定性包括储存安定性和热安定性。•(1)储存安定性•喷气燃料在储存过程中容易变化的质量指标有胶质，酸度及颜色等。胶质和酸度增加的原因是由于其中含有少量不安定的成分，如烯烃、带不饱和侧链的芳烃以及非烃等。喷气燃料质量指标标准中对实际胶质、碘值以及硫、硫醇含量都作了严格的规定。•储存条件对喷气燃料的质量变化有很大影响，其中最重要的是温度。当温度升高时，燃料氧化的速度加快，使胶质增多及酸度增大，同时也使燃料的颜色变深。此外，与空气的接触、与金属表的接触以及水分的存在，都能促进喷气燃料氧化变质。•（2）热安定性•当飞行速度超过音速以后，由于与空气摩擦生热，使飞机表面温度上升，油箱内燃料的温度也上升，可达100℃以上。在这样高的温度下，燃料中的不安定组分更容易氧化而生成胶质和沉淀物。这些胶质沉积在热交换器表面上，导致冷却效率降低；沉积在过滤器和喷嘴上，则会使过滤器和喷嘴堵塞，并使喷射的燃料分配不均，引起燃烧不完全等。因此，对长时间作超音速飞行的喷气燃料，要求具有良好的热安定性。•喷气燃料的热安定性只要取决于其化学组成。研究表明，喷气燃料中的饱和烃生成的沉淀物很少，而加入芳香烃后沉淀物就成十倍地增多；而燃料中的所含胶质和含硫化合物也会使其热安定性显著变差，使产生的沉淀物量大大增加。四、喷气燃料的低温性能•喷气燃料的低温性能，是指在低温下燃料在飞机燃料系统中能否顺利的泵送和过滤的性能，即不能因产生烃类结晶体或所含水分结冰而堵塞过滤器，影响供油。喷气燃料的低温性能是用结晶点或冰点来表示的，结晶点是燃料在低温下出现肉眼可辨的结晶时的最高温度；冰点是在燃料出现结晶后，再升高温度至原来的结晶消失时的最低温度。•对喷气燃料低温性能的要求，决定于地面的最低温度和在高空中油箱里燃料可以达到的最低温度。我国1、2号喷气燃料的结晶点相应要求不高于﹣60℃。﹣50℃和，3号喷气燃料则要求冰点不高于﹣47℃。五、喷气燃料的腐蚀性•喷气燃料的腐蚀主要是指喷气燃料对储运设备和发动机燃料系统产生的腐蚀。对技术材料有腐蚀作用的主要是燃料中的含氧、含硫化合物和水分。需要注意的是，喷气发动机的高压燃料油泵一般采用了镀银机件，而银对于硫化物的腐蚀极为敏感。因此，喷气燃料质量标准中除规定了酸度、水溶性酸或碱、含硫量、硫醇硫含量、铜片腐蚀等指标外，还增加了银片腐蚀试验。六、喷气燃料的洁净度•喷气发动机燃料系统机件的精密度很高，因而，即使较细的颗粒物质也会造成燃料系统的故障。引起燃料脏污的物质主要是水、表面活性物质、固体杂质及微生物。•水的存在，除了对燃料的腐蚀性、低温性产生不良影响外，还会破坏燃料在系统部件中所起的润滑作用，并能导致絮状物的生成和微生物的滋长。•燃料中的表面活性物质会增强油水乳化，使油中的水不易分离，并且会促使一些细微的杂质聚集在过滤器上，使过滤器的使用周期大大缩短。•在喷气燃料储运过程中，带入燃料的固体颗粒主要是腐蚀产生的氧化铁及外界进入的尘土等。它们对于燃料系统中的高压油泵和喷油嘴等精密部件危害极大。因此，喷气燃料的质量指标中规定不能含有机械杂质。•喷气燃料中若含有细菌不但那会加速油料容器的腐蚀和使涂层松软，如果条件有利，还会大量繁殖，以致堵塞过滤器。•我国喷气燃料质量指标中，用外观和水反应试验等技术指标来保证喷气燃料的洁净度。水反应试验的目的是检查喷气燃料中的表面活性物质及其对燃料和水的界面的影响。七、喷气燃料的起电性•喷气发动机的耗油量很大，在机场往往采用高速加油。在泵送燃料时，燃料和管壁、阀门、过滤器等高速摩擦，油面就会产生和积累大量的静电荷，其电势可达到数千伏甚至上万伏。这样，到一定程度就会产生火花放电，如果遇到可燃混合气，就会引起爆炸失火，往往酿成重大灾害。•影响静电荷积累的因素很多，其中之一是燃料本身的导电率。电荷率小的燃料，在相同的条件下，静电荷的消失慢而积累快；反之，电导率大的燃料，静电荷消失速度快而不易积累。质量标准中要求喷气燃料的电导率（20℃）为50～450pS/m。八、喷气燃料的润滑性•在喷气发动机中，燃料泵的润滑依靠的是自身泵送的燃料。当燃料的