A320飛機燃油系統惰化氣體除水模型研究

雷桃

摘 要：隨著機載惰化系統越來越多的引入商用飛機，美國國家航空航天局（NASA）提出了使用惰化氣體除去燃油系統中水的設想。美國機械工程師協會（ASME）就這一想法開展了初步驗證的實驗。實驗顯示，由于油箱內冷凝作用，惰化氣體除水效率極低。本文以空中客車A320飛機燃油箱為基礎，建立了飛機典型飛行任務下的熱力學模型，提出了解決冷凝問題的方法，并通過計算機程序進行了模擬驗證。

關鍵詞：航空燃油;惰化系統;蒸汽壓;導熱系數

1 特性分析

1.1水在燃油中的特性

一般來說水在燃油中有三種存在形式，一是以溶質形式溶解于燃油中的水分子;二是以細小水滴或冰晶形式存在的懸浮水;三是沉降在油箱底部的游離水。一般來講，對飛機產生危害的主要是懸浮水和游離水。

1.2惰化系統特性

惰化系統工作模式可分為低流量模式和高流量模式。以空中客車A320飛機為例，低流量模式下，系統每分鐘產生5立方英尺含氧量為5%的富氮空氣，高流量模式下為15立方英尺含氧量為11%。水蒸汽分子會穿過膜纖維，排放到廢氣管中，因而富氮空氣極為干燥。

2 可行性論證

一般情況下，惰化氣體從飛機油箱的頂部注干燥的惰化氣體降低了油箱內水蒸汽的分壓，從而使得燃油表面的水分子蒸發到燃油箱內的空氣中。如果將惰化氣體從油箱底部直接以氣泡的形式注入燃油中可以大幅提升蒸發效率。美國汽車工程師協會的實驗中，惰化空氣從裝有潮濕航空煤油的玻璃管的底部注入。氣壓環境和溫度環境也根據飛機飛行剖面變化。結果顯示，燃油中水的含量迅速下降到物理干燥的極限。

3 存在的問題

在飛機爬升過程中，油箱內空氣溫度下降比燃油溫度下降快得多。通過模擬計算發現水蒸汽在接觸到冰冷的燃油箱內壁時基本全部凝結并以游離水的形式墜落回燃油中。根據美國機械工程師協會的研究，最多只有不超過15%的水蒸氣可以排放到大氣中。

4 解決水冷凝的潛在可行方案

水在燃油中和空氣中的溶解度都是溫度的函數。熱力學過程對水沖燃油中析出和蒸發到空氣中有絕對影響。增加惰化氣體除水效率有如下幾種方式：

a.使用加熱裝置提升油箱和通氣系統內空氣溫度。

b.提升惰化氣體流量

c.防止濕潤的惰性氣體在郵箱內接觸冷空氣

加裝加熱裝置提升惰化系統流量都會增加系統重量和飛機維護成本。如果能通過對現有惰化系統合理布局提升惰化系統排水的效率，對飛機的安全性、可靠性和經濟性有較大意義。

4.1關于氣模型隔熱法的應用

在航空發動機中，為確保渦輪葉片處于相對低溫的運行環境，一般使用氣膜法在渦輪葉片表面形成一層1到2mm厚度的空氣薄膜隔絕冷高溫燃氣與渦輪葉片。于是本文嘗試使用類似辦法隔絕低溫油箱壁。

4.2解決問題的方法

將注入燃油箱的惰化空氣分為兩路，其中一路直接從燃油箱底部注入，另外一路從中央翼油箱頂部四周向中央部位注入，在油箱頂部形成穩定的氣膜，防止油箱內熱量向機翼上表面傳導，則可以徹底解決水蒸汽冷凝的問題。

5 基于A320飛機的熱力學模型

空中客車A320飛機的中央翼燃油箱接近一個長3.35米、寬2.74米、高0.91米的長方體盒子。為簡化計算，可以將A320的燃油箱簡化為以下模/型。

通過推導，燃油溫度、低溫區溫度、高溫區溫度的變化可分別通過以下迭代公式進行計算。

其中Tif表示燃油箱溫度，Tiu2表示低溫氣膜溫度，Tiu1表示高溫空氣溫度。

以英國航空2016年8月18日飛行剖面數據為樣本，通過計算機程序計算可得到燃油溫度、低溫區溫度、高溫區溫度的變化情況。

可以看到，燃油的溫度隨著飛機高度的增加不斷降低，在飛機開始下降的階段，溫度快速回升只275K左右;氣膜溫度迅速下降;高溫區的溫度在初始階段躍升后緩慢下降。在飛機下降階段又快速上升至310k左右。這些數據和空中客車公司公布的燃油溫度飛行試驗數據基本一致。選取通氣系統末端溫度曲線計算排放空氣的絕對濕度，可得以下曲線。

6 結論

在中央翼油箱內部形成一層隔熱氣膜，利用空氣的不良熱傳導性質，可以有效提升惰化系統吸收燃油中的水分并排放至大氣中的能力。運用這一方法，可以將惰化氣體除水的效率大幅提升。

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