航空燃油類型對催化惰化系統性能的影響

馮詩愚， 邵壘， 李超越， 陳悟， 劉衛華

南京航空航天大學 航空宇航學院， 南京　210016

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航空燃油類型對催化惰化系統性能的影響

馮詩愚*， 邵壘， 李超越， 陳悟， 劉衛華

南京航空航天大學 航空宇航學院， 南京210016

在設計了一種催化惰化系統流程并描述其工作原理的基礎上，以從油箱中抽吸氣體的摩爾流量為基準，推導了流經催化反應器后各氣體組分的流量關系，通過質量守恒方程及氣體平衡溶解關系，建立了油箱氣相空間氣體濃度變化的數學模型。選擇了RP-3、RP-5和RP-6燃油作為對象，用所建立的數學模型計算了不同載油率和催化反應器效率下的氣相空間氧濃度變化關系。研究顯示，由于3種燃油的蒸汽壓不同，造成從外界環境補氣及進入油箱的混合惰氣流量不同，從而導致氣相空間氧濃度的變化規律差異遠大于采用中空纖維膜的機載惰化系統。因此，在設計催化惰化系統時要充分考慮燃油類型對惰化系統性能的影響。

航空燃油； 惰氣； 催化； 反應器； 模擬

飛機燃油箱上部空間充滿可燃的油氣混合物，其易燃易爆特點嚴重威脅著飛機安全，必須采取有效措施以減少燃爆發生概率，降低其危害程度。從20世紀50年代起，美國軍方就開始采用氮氣、Halon1301(哈龍)氣體惰化油箱的研究工作[1-2]，采用中空纖維膜制取富氮氣體(Nitrogen Enriched Air， NEA)的機載制氮惰化技術(Hollow Fiber Membrane based On-Board Inert Gas Generation System, HFM-OBIGGS)是目前最經濟和實用的飛機油箱燃爆抑制技術，國內外軍機、民機廣泛采用該技術[3]。但HFM-OBIGGS 技術仍存在很多問題，例如分離膜效率低導致飛機代償損失大、分離膜入口需求壓力高導致在很多機型上應用困難(如直升機)、細小的膜絲和滲透孔徑逐漸堵塞及氣源中臭氧導致膜性能衰減嚴重、富氮氣體填充油箱時導致燃油蒸汽外泄污染環境等[4-5]。

美國懷特-帕特森空軍基地、Honeywell和Phyre公司從2006年開始聯合開展一種新型的催化惰化技術的研究工作[6-9]，也稱之為“綠色惰化技術”(Green On-Board Inert Gas Generation System, GOBIGGS)。其基本原理是將油箱上部氣相空間燃油蒸汽和其他氣體導入一催化反應器，并補充一定的外部空氣進行可控的無焰催化燃燒，燃燒后碳氫物被氧化為二氧化碳和水蒸氣，水蒸氣通過降溫被分離，而剩余的二氧化碳、未參與反應的氮氣和未完全反應的燃油蒸汽及氧氣被再次送入油箱上部，從而降低氧含量達到惰化的目的。此研究在A-3攻擊機、UH-60直升機和波音737客機上完成了地面和少量飛行實驗[10-11]。

初步實驗研究表明，這種催化惰化技術具有幾個重要優勢：① 無需從發動機引氣，可應用于無合適氣源的場合(例如直升機)；② 基本無需預熱，啟動速度快，加之氧氣在反應器中被消耗，因此惰化效率高、時間短；③ 設備尺寸小、重量輕。如Phyre公司對容積為4.7 m3的A-3攻擊機燃油箱進行地面實驗，在2 min內將油箱上部氣相空間氧濃度從21%惰化至9%，反應器最高溫度低于250 ℃，樣機的催化反應器尺寸為38 cm×30.5 cm×30.5 cm，換熱器尺寸為23.5 cm×17.8 cm×12.7 cm[12]。由于 GOBIGGS明顯的技術優勢和誘人的應用前景，中國從2011年開始追蹤該技術[13]，目前主要集中在文獻收集、可行性研究、原理樣機構建等一系列前期工作。

在GOBIGGS系統中，油箱上部氣體濃度變化關系是催化器的入口邊界條件，而它又受到催化器出口反應產物的影響，同時出口反應產物與入口氣體的組成又直接相關，這些因素相互耦合，顯然與HFM-OBIGGS存在很大差別。在HFM-OBIGGS中分離膜產生的富氮氣體充入油箱后，并不會返回分離膜入口造成相互耦合，因此各部分的研究可獨立進行，例如可首先通過理論和實驗方法獲取分離膜特性[14-15]，然后針對不同的油箱采用工程、CFD計算或實驗方法來分析富氮氣體充入后對油箱上部氣相空間氧濃度的影響[16-18]，最終評價油箱的安全性[19]。

國內外不同燃油的理化特性存在差異，會對HFM-OBIGGS產生一定的影響，主要的影響來自于：① 不同燃油的蒸汽壓存在差異，因此氣相空間氣體的分壓也會有所不同；② 燃油密度差異造成溶解在燃油中的氣體量不同；③ 燃油組分差異造成閃點和燃點不同，進而影響可燃極限。文獻[20]中分析了不同燃油蒸汽壓和密度差異對油箱上部空間氧濃度隨高度變化的影響，文獻[21]中分析了國產燃油與國外燃油在可燃極限方面的差異。這些研究均顯示，燃油類型在一定程度上影響HFM-OBIGGS的性能，但是該影響不大。

本文基于文獻[22]中的模型，在按照平衡溶解關系考慮燃油中氧氮溶解和逸出現象的基礎上，選擇了表1中的3種燃油(大慶RP-3，管輸RP-5和孤島RP-6)，計算采用含氧濃度為5%的NEA5富氮氣體填充油箱中燃油蒸汽時HFM-OBIGGS的惰化效果，如圖1所示。從圖中可發現，在兩種載油率下，3種燃油達到12%安全氧濃度所需時間有一定差異，其中RP-6燃油所需時間最長，而RP-5燃油所需時間最短，其原因主要在于RP-5蒸汽壓高，在油箱氣相空間所占據的分體積大，因此所需要排出的氧氣量相對小。但是，從計算中也可以發現，當惰化時間足夠長時，3種燃油最終達到的氧濃度差異并不大。

表1　3種燃油的理化特性數據

圖1　燃油類型對HFM-OBIGGS惰化系統的影響Fig.1　Effect of type of fuels on HFM-OBIGGS inerting system

但是，在GOBIGGS系統中，進入催化反應器的被氧化物是燃油蒸汽，假設不存在燃油蒸汽或不考慮蒸汽壓，則催化反應器中氧化過程不可能進行，氧氣也不會被消耗，催化反應器出口氣體的組成與入口完全一致，因此不可能對油箱進行惰化；而如果由于燃油類型不同，燃油蒸汽壓高，則按分壓關系，從油箱所抽吸的單位質量流量混合氣體中燃油蒸汽所占比例高，氧氣可能會被完全消耗，因此惰化效果相對上述情況肯定有很大差異。

本文首先設計了一種催化惰化系統流程，在一些合理的假設的基礎上，建立了惰化數學模型，選擇了與圖1相同的3種燃油對模型進行求解，并分析了兩種載油率下，不同催化反應器效率對惰化過程的影響。

1　催化惰化系統流程和基本假設

催化惰化系統流程如圖2所示，從油箱氣相空間抽取混合氣，然后與外界環境的補氣混合后流入回熱器冷側通道，由來自于催化反應器出口并流經回熱器熱側通道的混合惰氣加熱升溫，升溫不足的混合氣由電加熱器進一步加熱后進入催化反應器反應，反應后形成主要由氮氣和二氧化碳構成的混合惰氣，混合惰氣流經熱交換器脫除水分后被注入油箱與上部空間氣體混合，從而降低氧濃度，達到惰化保護的目的。

圖2　催化惰化系統流程Fig.2　Flowchart of catalytic inerting system

當燃油蒸汽分壓較高或者隨著惰化過程進行，油箱上部空間氧含量降低，即使催化反應器性能足夠優良，但是從油箱抽吸的混合氣中氧濃度也可能仍不足以支持燃油蒸汽催化氧化，因此本文認為需要從外界環境進行補氣，并與所抽吸的氣體混合后，再進入催化反應器。

研究中做以下幾個基本假設：

1) 燃油由復雜的碳氫化合物組成，但是本文認為其分子式可統一表示為CaHb，不考慮燃油分子中存在的氧、硫和氮等微量元素。

2) 不考慮油箱與外界及氣體與燃油的傳熱影響，認為油箱中溫度恒定為40 ℃。

3) 基于自持式催化燃燒特點，認為進入催化反應器混合氣體的溫度為150 ℃，反應后溫度為200 ℃。

4) 熱交換器面積足夠大且冷卻介質足夠將回熱器熱側通道流出的混合惰氣溫度降低至40 ℃，且認為水蒸氣在熱交換器中能被完全脫除，不考慮未脫除的少量水蒸氣對惰化過程的影響。

5) 氣體與氣體混合及氣體在燃油中逸出和溶解過程瞬間完成，且滿足平衡溶解關系。

6) 惰化過程在地面進行，油箱總壓與外界環境壓力一致，燃油蒸汽分壓按飽和蒸汽壓考慮，且飽和蒸汽壓按照里德蒸汽壓計算，忽略低氣液比時真實蒸汽壓與里德蒸汽壓的差異。

7) 選擇某直升機油箱，其容積為2 m3。

2　數學模型

在催化反應器中，反應滿足以下關系：

(1)

但是，考慮到即使氧氣量足夠，在催化反應器中也并非所有的燃油均可轉換為二氧化碳和水，因此定義催化反應器效率ηcat為

(2)

(3)

式中：xU,F為油箱中燃油的濃度。

(4)

進入催化反應器的氣體總摩爾流量為

(5)

流出催化反應器的氧氣、氮氣、二氧化碳、水蒸氣和燃油蒸汽的摩爾流量分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：xU,O、xU,N和xU,C為油箱中氧氣、氮氣和二氧化碳的濃度。

本文認為在熱交換器中可脫除所有水蒸氣，則進入油箱的混合惰氣中氧濃度為

(11)

第1節假設已經說明，燃油分壓力簡化為燃油飽和蒸汽壓，其只與溫度相關，因此該分壓始終保持不變，但是氧氣、氮氣和二氧化碳的分壓隨時間會發生變化，因此對除燃油蒸汽以外的各氣體組分建立質量平衡方程，即

(12)

(13)

(14)

由于氣體從燃油中逸出或向燃油中溶解的量滿足亨利定律，可按照平衡關系計算，因此

(15)

(16)

(17)

式中：βO、βN和βC為氧氣、氮氣和二氧化碳在燃油中的阿斯特瓦爾德系數，具體計算方法可參見文獻[23]；VF和TF為燃油體積和溫度。同時，油箱中壓力pU與外界環境壓力pt相同，滿足

(18)

(19)

(20)

式中：MO、MN和MC分別為氧氣、氮氣和二氧化碳的分子量。

3　計算結果及分析

選取圖1中所采用的3種燃油，根據其氫含量得到分子式中的a和b，如表2所示。用第2節模型進行求解，首先給出在3種不同催化反應器效率下氣相空間氧濃度隨時間的變化關系，如圖3 所示。

以惰化至氧濃度為12%為例，首先從圖3可以發現，與HFM-OBIGGS一樣，在催化惰化系統中，RP-5號燃油所需的時間最短，但是對比圖1也可發現，在GOBIGGS中，不同燃油所需時間差異十分大，以10%載油率為例，RP-6和RP-5燃油達到12%氧濃度的時間差別為6 min，而HFM-OBIGGS中僅為2 min。此外，對于HFM-OBIGGS而言，載油率越大，不同燃油所需惰化時間差別越大，而在GOBIGGS中則相反。其原因除了燃油蒸汽所占氣相空間體積有差異外，最重要的原因是采用不同燃油時，油箱抽吸氣中氧氣和油箱燃油蒸汽之比差異很大，而該比例決定了從外界環境的補氣量，因此不同燃油所需的補氣量也有很大差別，雖然從油箱所抽吸的氣體流量恒定為8 kg/h，但是從圖4可以看到，RP-6號燃油由于燃油蒸汽壓很低，因此在初始的5 min左右無需從外界環境補氣，抽吸氣中的氧氣就足以支持催化反應過程進行，當大于5 min后，由于油箱中氧濃度下降，這時需要逐步從外界補氣，而RP-5燃油與之相反，從惰化一開始就需要大量的外界補氣，以提供足夠的氧氣量。補氣量越大，通過催化反應器產生的混合惰氣進入油箱的流量也越大，因此這是造成各種燃油惰化過程差別很大的主要原因。

表23種燃油的氫含量及分子式中的系數

Table 2Hydrogen content and coefficients of molecular formula in three jet fuels

JetfuelHydrogenconc?entration/%abMolecularmass/(kg·mol-1)RP?314．487．1214．460．141RP?513．527．2013．520．155RP?613．677．1913．670．163

圖3　3種燃油在不同載油率和反應器效率下的惰化效果Fig.3　Inerting effects using three jet fuels under various fuel loads and efficiencies of catalytic reactor

從圖3還可以發現，除了催化反應器效率為100%外，在其他反應器效率下，惰化最終能達到的氣相空間氧濃度與燃油類型及反應器效率均有關。將式(3)和式(4)及式(6)～式(10)代入式(11)后也可以發現，催化反應器產生的混合惰氣中的氧濃度與從油箱抽吸的氣體流量及載油率無關。

圖5中給出了3種燃油在不同催化反應器效率下惰化油箱時氣相空間可達到的最終氧濃度。從圖中可見，燃油終了氧濃度與反應器效率基本呈線性關系，隨著反應器效率提升，可達到的最終氧濃度降低。RP-6燃油雖然惰化速度較慢，但是在同樣反應器效率下，終了氧濃度較RP-3和RP-5 燃油低。

圖6中給出了3種燃油中，不同反應器效率及從油箱抽吸氣體流量下將油箱惰化至12%所需的時間對比，顯然從油箱抽氣氣體流量越大，則由催化反應器產生的惰氣流量也越大，惰化所需的時間越短，而催化反應器效率越高，所需的時間也越短。從圖中還可以看到，在催化反應器效率從50%～100%的范圍內，對于RP-6燃油而言，在任何抽氣流量下，惰化所需時間與催化反應器效率基本呈線性關系，而其他兩種燃油當效率低于65%時，所需時間明顯增加。

圖4　3種燃油通過反應器產生惰氣及外界補氣流量Fig.4　Flow rates of inert gas produced by catalytic reactor and supplemental air using three jet fuels

圖5　3種燃油終了氧濃度與反應器效率的關系Fig.5　Relationship between final oxygen concentration and efficiency of catalytic reactor using three jet fuels

圖6　3種燃油達到12%氧濃度時間與反應器效率的關系Fig.6　Relationship between time to oxygen concentration of 12% and efficiency of catalytic reactor using three jet fuels

4　結　論

采用催化氧化方法，將油箱上部氣相空間的燃油蒸汽在催化反應器中轉換成二氧化碳和水蒸氣，同時將反應器出口由氮氣和二氧化碳組成的混合惰氣充入油箱，可以有效控制油箱氧濃度，減少燃燒爆炸風險。由于不同燃油的密度和蒸汽壓存在差異，本文通過設計催化惰化的流程和建立其數學模型進行研究。

1) 燃油蒸汽壓直接影響到進入催化反應器中的燃油蒸汽和氧氣的比例，因此研究顯示燃油類型對催化惰化系統的性能影響遠大于中空纖維膜惰化系統。

2) RP-6燃油蒸汽壓很低，因此所需要補充并參與反應的外界環境空氣流量最小，但是通過催化反應器生成的混合惰氣流量也最低，因此惰化效果最差，而RP-5燃油與之相反。

3) 所有燃油將油箱氣相空間惰化至終了氧濃度與催化反應器的效率相關，且基本呈線性關系，催化反應器效率越高，可達到的終了氧濃度越低，且與從油箱中抽吸的氣體流量及載油量無關。在同樣的催化反應器效率下， RP-6燃油可達到的終了氧濃度最低，而RP-5燃油最高。

4) 從油箱中抽吸的氣體流量越大，則達到12%安全氧濃度所需的時間越少，且RP-5燃油所需時間最短，而RP-6燃油最長。

本文研究所做的一個重要假設是外界環境補氣量剛好能使燃油蒸汽在催化反應器中被完全氧化，造成離開催化反應器并進入油箱的混合惰氣流量有很大差異，這與實際情況不同。未來的研究中要進一步分析無外界環境補氣情況下燃油類型對惰化性能的影響，同時需要通過實驗確定催化反應器在不同入口條件下的實際效率。

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馮詩愚男， 博士， 副教授。主要研究方向： 油箱惰性化和飛機燃油系統。

Tel: 025-84892105

E-mail: shiyuf@nuaa.edu.cn

邵壘男， 博士研究生。主要研究方向： 飛機油箱惰性化技術。

Tel: 025-84892105

E-mail: 165617594@qq.com

李超越男， 博士研究生。主要研究方向： 飛機燃油系統中的傳熱傳質問題。

Tel: 025-84892105

E-mail: 810301978@qq.com

陳悟女， 碩士研究生。主要研究方向： 燃油惰化及強化傳熱技術。

Tel: 025-84892105

E-mail: 1771792949@qq.com

劉衛華男， 博士， 教授。主要研究方向： 飛行器油箱安全防護技術。

Tel: 025-84892105

E-mail: liuwh@nuaa.edu.cn

Performance of catalytic inerting system affected by various aviation jet fuels

FENG Shiyu*, SHAO Lei, LI Chaoyue, CHEN Wu, LIU Weihua

College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing210016, China

A novel catalytic inerting system is designed and its working principle is described in detail. The outflow rates of each gas component passing through the catalytic reactor are derived in which the molar flow rate of suction gas is used as a baseline. A mathematical model to calculate the concentrations of all gas components on ullage of the fuel tank is set up via the mass conservation equations. Three different aviation jet fuels including RP-3, RP-5 and RP-6 are chosen to calculate the variation of the oxygen concentration on ullage under various fuel loads and efficiencies of the catalytic reactor via the given mathematical model. The study reveals that owning to the disparate vapor pressure of the chosen aviation jet fuels, the flow rates of the supplemental air from the atmospheric environment and the produced mixed inerting gas entering into the fuel tank are extremely different. Hence, the difference of the variation of the oxygen concentration on ullage adopting these there jet fuels in the catalytic inerting system is larger than that in the hollow fiber membrane based on-board inert gas generation system. It is suggested that the influence of the type of aviation jet fuels should be considered carefully during the design of a catalytic inerting system.

aviation jet fuel; inert gas; catalysis; reactor; simulation

2015-06-25； Revised： 2015-11-27； Accepted： 2015-12-18； Published online： 2016-04-0514:31

s： Aeronautical Science Foundation of China (20132852040)； Open Foundation of Graduate Innovation Center in NUAA (kfjj20150107); the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Jiangsu Innovation Program for Graduate Education (KYLX15_0231); Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

. Tel.： 025-84892105E-mail: shiyuf@nuaa.edu.cn

2015-06-25； 退修日期： 2015-11-27； 錄用日期： 2015-12-18；

時間： 2016-04-0514:31

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160405.1431.002.html

航空科學基金 (20132852040)； 南京航空航天大學研究生創新基地(實驗室)開放基金 (kfjj20150107)； 中央高?；究蒲袠I務費專項資金； 江蘇省普通高校研究生科研創新計劃 ( KYLX15_0231); 江蘇高校優勢學科建設工程基金

.Tel.： 025-84892105E-mail: shiyuf@nuaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0344

V228； TQ032.4

A

1000-6893(2016)06-1819-08

引用格式： 馮詩愚， 邵壘， 李超越， 等． 航空燃油類型對催化惰化系統性能的影響[J]． 航空學報, 2016, 37(6): 1819-1826. FENG S Y, SHAO L, LI C Y, et al. Performance of catalytic inerting system affected by various aviation jet fuels[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(6): 1819-1826.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160405.1431.002.html