3號噴氣燃料加速老化實驗中性能指標變化趨勢研究

趙英,黨曉勇,鄒吉軍

(1.北京動力機械研究所,北京100074;2.天津大學,天津300072)

3號噴氣燃料加速老化實驗中性能指標變化趨勢研究

趙英1,黨曉勇1,鄒吉軍2

(1.北京動力機械研究所,北京100074;2.天津大學,天津300072)

目的研究作為導彈用渦輪發動機貯存壽命薄弱環節之一的油封燃料的貯存穩定性。方法借鑒國外燃料加速老化試驗方法,開展不同狀態燃料的加速老化實驗。結果掌握了3號噴氣燃料加速老化實驗中性能指標變化趨勢,評價了不同狀態的3號噴氣燃料的貯存穩定性。結論脫水脫氧噴氣燃料的貯存穩定性優于普通噴氣燃料,貯存16年后變質仍程度較低。

燃氣渦輪發動機;燃料;貯存性;加速老化

燃氣渦輪發動機燃油系統中的燃油供給調節機構屬于高精度控制機構,對燃油的清潔度要求極高。當燃油中的膠質、固體顆粒物超標,極易造成調節機構卡澀、運動不到位,導致發動機工作異常。燃料與燃油系統中活潑的金屬接觸,長期貯存后變質會引起實際膠質和沉淀量超標,最終產生大量的固體顆粒物。因此,發動機燃油系統的油封工作十分重要,油封燃油的貯存穩定性直接關系到發動機的貯存壽命。

航空發動機燃油系統油封有專門的標準和規范,GJB 1284《航空燃氣渦輪發動機的封存包裝》中規定航空發動機燃油系統采用8號潤滑油填充,啟封時,地面通燃油置換出潤滑油,油封期為3年[1]。若充滿噴氣燃料存放,存放期最長不超過1個月。據了解,燃油系統采用潤滑油填充主要是避免活潑金屬制造的精密偶件對燃油變質的催化作用。由于彈用渦輪發動機直接點火飛行,無法實現航空發動機地面通油置換,不能采用潤滑油對燃油系統的封存,只能采用以噴氣燃料為主的油封介質封存。某型彈用發動機將普通噴氣燃料經脫水脫氧處理(降低水含量和氧含量)后封存在燃油管路中,以期改善其貯存性能[2]。

美國對于石油基碳氫燃料加速貯存試驗方法有深入研究,制訂了ASTM D-5304-06《采用氧過壓評價中餾程燃油儲存安定性的標準方法》[3]。該標準采用加速貯存試驗方法評定燃油的貯存安定性,適用對象為中餾分燃油。方法是:在試驗溫度為90℃,壓力為800 kPa(純氧)條件下,測試試驗油品中生成的不溶物。標準討論了測試方法的等效性問題,在溫度影響方面,40℃常壓貯存1個月的油品中不溶物生成量與20℃常壓貯存4個月油品基本一致;壓力影響方面,從常壓空氣增加到800 kPa純氧,試驗油品中不溶物生成量增加10倍。1995年,美國海軍實驗室提出了《一種可靠實用的基于過氧化物生成評價航空渦輪機燃油長期貯存安定性的加速試驗方法》[4]。該方法以航空煤油為研究對象,設定試驗溫度為100℃,實驗操作與ASTM D-5304-06基本相同。對6組不同來源的JP-5燃油進行了加速貯存試驗,測試油品的過氧化物含量。文中所列的高溫(100℃)加速試驗時間與評定的常溫(20℃)貯存時間之間服從反應溫度升高10℃,反應速率提高1倍的規律,即加速試驗的溫度系數為2。國產3號航空噴氣燃料與美國JP-5航煤的組成和性質非常接近,3號燃料屬于石油基中餾分燃油,與文獻中的燃油本質一樣,屬于碳氫燃油,貯存過程中的氧化變質反應機理相同,因此文獻中的加速試驗方法和溫度系數可適用于國產3號航空噴氣燃料。

為了掌握噴氣燃料在燃油系統中的貯存變質情況,借鑒美國石油基碳氫燃料加速貯存實驗成果,對國產噴氣燃料開展了加速老化實驗,獲得了普通燃料和脫水脫氧燃料貯存過程中各項性能指標的變化情況,最終得出脫水脫氧燃料有利于改善發動機燃油系統貯存穩定性[5—6]。

1 實驗

1.1 方法

借鑒美國石油基碳氫燃料加速貯存實驗成果:在40～100℃范圍內,溫度每升高10℃,達到同樣老化程度的時間減少一半,即加速實驗的溫度系數為2[3—4]。通過檢測對比燃料加速老化后的過氧化物濃度、酸值、膠質、固體顆粒物和運動黏度等性能指標,獲得噴氣燃料的老化變質情況。

1.2 設備

由于燃料貯存過程中接觸金屬材料和非金屬材料會受到一定程度的催化作用[7—8],因此,加速老化試驗模擬燃油裝機狀態,采用不銹鋼容器,在容器中添加1枚銅片和2個橡膠圈,如圖1所示。

圖1 加速老化實驗使用的容器Fig.1 Containers used in accelerated aging tests

1.3 條件及對象

加速老化實驗溫度為90℃,分別加速老化275,550,820,1095,1070,1650 h(對應20℃下貯存4,8,12,16,20,24年)。實驗油樣包括:普通3號噴氣燃料未裝滿,裝填率90%,空氣氣氛;普通3號噴氣燃料裝滿,裝填率約100%;脫水脫氧3號噴氣燃料未裝滿,裝填率90%,氮氣氣氛。

1.4 分析測試

對加速老化后油品的各項性能指標進行測試分析:采用色譜-質譜(GC-MS)和紅外光譜(FTIR)分析燃油的組分;根據GB/T 12574《噴氣燃料總酸值測定法》測試燃油的酸性物質含量;根據SH/T 0176《噴氣燃料過氧化值測定法》測試燃油的過氧化物含量;根據SH/T 0093《噴氣燃料固體顆粒污染物測定法》測試燃油的顆粒物含量;根據GB/T 8019《車用汽油和航空燃料實際膠質測定法》測試燃油中的膠質含量;根據GB/T 3555《石油產品賽波特顏色測定法(賽波特比色計法)》測試燃油色度;根據GB/T 265《石油產品運動粘度測定法和動力粘度計算法》測試燃油的粘度。

2 實驗結果及討論

2.1 外觀

加速老化后的脫水脫氧噴氣燃料和普通噴氣燃料略帶淡黃色,但保持清澈透明,未見固體不溶物和顆粒物,老化油樣在過濾前后未見顏色變化。

2.2 組成變化

加速老化前后譜圖基本相同,如圖2所示。未見氧化物的特征峰,燃料組成未發生變化。

圖2 噴氣燃料加速老化前后的紅外譜Fig.2 Infrared spectra of Jet fuel No.3 before and after accelerated aging

2.3 過氧化值和酸值

加速老化過程中燃料的過氧化值和酸值變化曲線如圖3所示。初始燃料不含過氧化物,酸值為0.0056 mgKOH/g。老化初期(4年)過氧化物的含量較高,其中普通噴氣燃料未裝滿時最高達到18 mg/kg,然后急劇降低,保持在4 mg/kg以下,滿足美國JP-5/JP-4燃料標準中過氧化物濃度上限值8 mg/kg的規定[3]。燃料的酸值始終在 0.012 mgKOH/g以下,滿足GB 6537—2006《3號噴氣燃料》規定的上限值0.015 mgKOH/g[9]。

圖3 加速老化過程中燃料的過氧化值和酸值Fig.3 Values of peroxidation and acidicity of fuel during accelerated aging

實驗初始階段,燃料的過氧化值和酸值均有明顯的增加,之后緩慢下降維持在一水平,說明燃料老化初期反應產物為過氧化物和酸類,符合自由基反應機理。比較脫水脫氧燃料與普通3號噴氣燃料的加速老化數據,脫水脫氧燃料的過氧化值和酸值均低于或等于普通燃料,說明脫氧脫水燃料老化變質程度低于普通燃料。

2.4 黏度

加速老化過程中,燃料在20℃和-40℃下的運動粘度保持恒定,與初始燃料基本相同,滿足3號噴氣燃料的標準要求,說明加速老化后燃料的輸送性能未發生變化。

2.5 膠質和顆粒物

加速老化過程中燃料的膠質和固體顆粒物含量變化曲線如圖4所示。初始燃料不含膠質,加速老化23.9年的膠質含量最高為6.4 mg/100 mL,滿足GB 6537—2006規定的上限值7 mg/100 mL[9],其中,脫水脫氧燃料的膠質含量最低。

圖4 加速老化過程中燃料的膠質和固體顆粒物含量Fig.4 Contents of gelatinous materials and solid particles in fuel during accelerated aging

初始燃料不含固體顆粒物,加速老化4.1年時,脫水脫氧燃料的固體顆粒物的質量濃度為1 mg/L,滿足GB 6537—2006規定的上限值1 mg/L[9]。隨著加速老化時間的增加,固體顆粒物的含量緩慢增加,加速老化8年時為1.5 mg/L,加速老化16年時為2 mg/L,23.9年時達到2.5 mg/L。普通噴氣燃料產生的固體顆粒物較多,加速老化4.1年時固體顆粒物的質量濃度超過1.5 mg/L,加速老化16年時超過5 mg/L。

實驗初始階段,燃料的固體顆粒物和膠質含量增加較為緩慢,一定時間后,固體顆粒物和膠質含量有大幅增加,說明燃料老化后期反應產物為固體顆粒物和膠質[10]。從燃料加速老化實驗中各參數的變化規律可以看出,燃料的老化變質過程基本符合以下機理過程:烴分子→過氧化物→醇、酮→酸→酯→膠質(固體顆粒物)[11—14]。老化試驗中模擬了真實貯存環境中的接觸介質,對燃料的老化起到了催化作用,老化產物主要是燃料變質產物。由于接觸介質含量較少,其老化產物可以忽略不計。

2.6 顆粒物粒徑

在加速老化過程中,脫水脫氧燃料中生成的顆粒物粒徑變化不大,始終小于1 μm。未裝滿的普通噴氣燃料出現了部分粒徑大于1 μm的顆粒物,20年時出現少量4 μm的顆粒物。裝滿的普通噴氣燃料老化20年時,出現了較多5 μm的顆粒物,在實驗罐底部出現了明顯的結垢,是較大顆粒物沉積生成的。

3 結論

三種狀態下的加速老化實驗結果表明:3號噴氣燃料脫水脫氧噴氣燃料未裝滿貯存穩定性優于普通噴氣燃料裝滿,更優于普通噴氣燃料未裝滿。脫水脫氧噴氣燃料老化后發生一定程度變質,除顆粒物含量指標外,其他指標變化不明顯,仍在標準值范圍內。加速老化8年時,顆粒物含量指標超過標準規定值的0.5倍;加速老化16年時,顆粒物含量指標超過標準規定值的1倍。通過檢測顆粒物粒徑,燃料變質后的顆粒物粒徑仍較小(小于1 μm)。

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Research on Changes in Behavior Data of No.3 Jet Fuel in Accelerated Aging Test

ZHAO Ying1,DANG Xiao-yong1,ZOU Ji-jun2

(1.Beijing Power Machinery Institute,Beijing 100074,China;2.Tianjin University,Tianjin 300072,China)

ObjectiveTo research the storage stability of oil-seal fuel,which is a key problem affecting the storage life of engines.MethodsReferring to methods of fuel accelerated aging tests in foreign countries,the accelerated aging test of fuel under different conditions were performed.ResultsThe results gave the changing trends of jet fuel No.3 performance during the accelerated aging test,And the storage stability of Jet fuel No.3 at three different states were evaluated.ConclusionThe storage stability of dehydrated and deoxygenated fuel was better than that of conventional fuel,with low metamorphic grade after 16 years of storage.

gas turbine engine;fuel;storage;accelerated aging

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.007

TG156.99

:A

1672-9242(2014)04-0032-05

2014-06-24;

2014-07-01

Received:2014-06-24;Revised:2014-07-01

趙英(1975—),女,陜西商洛人,高級工程師,主要研究方向為航空發動機總體性能及貯存性。

Biography:ZHAO Ying(1975—),Female,from Shangluo,Shaanxi,Senior engineer,Research focus:overall performance of aero engines and engine storage.