基于HEFA-SPK工藝的可持續航空燃料與傳統航空煤油霧化特性對比研究

摘 要：通過霧化實驗對HEFA-SPK工藝的可持續航空燃料（SAF）與傳統航空煤油（RP-3）的霧化特性差異進行了深入對比研究，探討了0.1～4.5 MPa供油壓差下兩種燃料的霧化特性變化規律。實驗結果表明，兩者總體流量差異較小，供油壓差在1 MPa以下，兩者無明顯差異；1 MPa之后，SAF的流量會稍大于RP-3。供油壓差在0.1～1.2 MPa時，SAF的索太爾平均直徑（SMD）均比RP-3大，最大差值為5.2 μm，供油壓差從0.1 MPa升至1.2 MPa的過程中，SMD差異會逐漸減小，在供油壓差升至1.2 MPa及之后，兩者無明顯差異，最后兩者SMD均穩定在17 μm?？傮w來看，SAF在低供油壓差下的霧化效果比RP-3差，在1.2 MPa的供油壓差之上，兩種燃料霧化特性無明顯差異。該研究可為HEFA-SPK工藝的SAF在航空發動機上的應用提供支撐。

關鍵詞：可持續性航空燃料；SAF；航空煤油；RP-3；霧化特性；索太爾平均直徑；SMD

中圖分類號：V312" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0077-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.020

0" " 引言

近年來，全球碳排放問題日益嚴峻，航空運輸業的溫室氣體排放是各個國家著力監管控制的重要領域之一。減少溫室氣體排放對實現航空運輸業可持續發展尤為迫切。國際民航組織（ICAO）自2020年為確保航空運輸業實現碳中和采取了許多措施。國際航空運輸協會（IATA）也在第77屆年會上通過了全球航空運輸業于2050年實現凈零碳排放的決議。碳中和對于正逐步擁有全球最大民用航空市場的中國也同樣意義重大[1-5]?，F有研究表明，僅靠航空器技術創新和燃油效率提升最多可實現碳排放減少30%，已有技術無法平衡運輸需求所帶來的碳排放增量，若要實現這一要求，解決途徑之一就是增加可持續航空燃料（SAF）的應用[6]。SAF作為解決航空能源危機和減少航空碳排放的重要手段，已經受到業界的高度重視。

SAF是一種由各種可持續重復獲得的生物質原料經過化學反應生成的航空煤油理想替代品，能實現航空能源可持續利用，它的原料來源多樣，如農林廢物、動植物油脂、藻類等均可作為制備原料[7-8]。SAF的物理、化學特性與傳統航空煤油存在差異，其中燃料的霧化特性是研究發動機燃燒室兩相燃燒現象的基礎，它會直接影響燃料的蒸發和傳熱過程，對燃燒室的點/熄火性能、燃燒效率和燃燒穩定性有至關重要的影響，同時也會影響燃燒室出口溫度分布、排氣污染和燃燒室壽命等[9-13]。因此，霧化特性是決定燃料與發動機兼容程度的重要因素。霧化特性的評價指標一般包括流量特性、霧化錐角、霧化粒徑[14]。

目前，與SAF相關的霧化特性研究較少，而生物質燃料的霧化特性研究主要集中在生物柴油方面。在生物質燃料霧化特性研究方面，Nihasigaye等[15]利用相位多普勒風速儀對比研究了費托燃料與國產3號噴氣燃料（RP-3）的霧化特性，實驗結果表明兩種燃料的霧化特性差異較小，驗證了生物質燃料替代傳統航空煤油的可行性。Erazo等[16]利用雙組分多普勒粒子分析儀研究了油菜籽甲酯生物燃料和石油基柴油的噴霧霧化特性，研究發現油菜籽甲酯生物燃料的索太爾平均直徑（SMD）更小、汽化速度更快，表明油菜籽甲酯生物燃料的霧化效果比石油基柴油更好。Suh等[17]研究了生物柴油的基本特性，并對比了生物柴油與柴油在內燃機中的霧化特性和排放特性，發現生物柴油粘度較高，霧化過程能量需求增高，液滴難以進一步破碎，導致霧化效果變差。

本文對加氫酯和脂肪酸合成石蠟煤油工藝（HEFA-SPK）SAF的霧化特性開展了進一步研究，探索SAF與RP-3在0.1～4.5 MPa供油壓差下的霧化特性變化規律，并進行對比分析，可為后續可持續航空燃料的發動機兼容性研究提供數據參考。

1" " 實驗方法

1.1" " 實驗對象

實驗使用的噴嘴為單油路離心噴嘴，實驗研究對象分別為HEFA-SPK工藝SAF和傳統航空煤油RP-3，物理特性如表1所示。HEFA-SPK工藝是以動植物油、脂肪、廢油為原料，通過氫化加工提煉成燃油的工藝，也是國內唯一經過認證的SAF制備工藝。常見原料為可食用與不食用的植物油、動物油脂、廢棄油脂，如地溝油和工業廢油[18-19]。從可持續的角度來說，HEFA-SPK工藝最理想的原料為餐飲廢油，本文選用的SAF為餐飲廢油制成的。

1.2" " 實驗系統

實驗系統包含兩部分：流量實驗系統與霧化粒徑實驗系統。

流量實驗系統主要由電氣控制系統、燃油系統、噴霧圖像采集系統、排氣系統等組成，如圖1所示。電氣控制系統主要由人機交互界面、數字光源控制器、伺服電機驅動器等組成，燃油系統主要由燃油油箱、燃油泵和比例調節閥等組成，噴霧圖像采集處理系統主要由電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機、圖像卡、數字光源和計算機等組成，排氣系統則由回油管路、排氣風機、過濾裝置等組成。

采用馬爾文激光粒度儀對燃油的索太爾平均直徑（SMD）進行測試，實驗系統如圖2所示，主要由計算機、馬爾文激光粒度儀、燃油系統、排氣系統等組成。測試原理為：馬爾文激光粒度儀的光電探測器上有35個半環，每個環面上的光能量轉換輸出電信號，電信號經放大和模數轉換后一起送入計算機，計算機根據測得的各環上的光能量值進行計算，得出被測霧滴的尺寸分布、SMD等參數。其中本文的SMD是在常溫常壓、噴嘴豎直向下條件下，在出口處下游30 mm處測得的。

1.3" " 實驗條件

通過對SAF與RP-3進行全面、系統的研究，獲取其主要霧化特性。供油壓差范圍選擇在0.1～4.5 MPa內。壓力點的選取原則為低壓狀態時點數密集，高壓狀態時點數相對稀疏。噴嘴供油壓差ΔPf如表2所示。燃油溫度為20 ℃，環境壓力為101 kPa。

2" " 實驗結果與分析

2.1" " 流量特性

圖3是通過擬合得出的SAF與RP-3在供油壓差下的實驗燃油流量Wf變化曲線，可以看到，SAF與RP-3的燃油流量均會隨供油壓差增大而增大，且流量增長速度會隨供油壓差的增大逐漸趨于平緩，SAF與RP-3的流量特性總體變化趨勢符合流量公式（1）中的平方根倍增長規律。

式中：Wf為燃油流量；Cd為噴嘴流量系數；A為噴嘴截面積；ρ為燃油密度；ΔPf為供油壓差。

供油壓差ΔPf在1 MPa以下時，兩者在相同壓差下的流量相差不大。從圖3可以發現，盡管兩種燃料在成分上存在差異，但供油壓差在1 MPa以下時，兩者的流量差在±1%左右波動，而實驗測量誤差控制在±1%以內。

供油壓差升高到1 MPa以上時，RP-3的流量Wf均比SAF稍大，流量差在0.5 g/min左右。供油壓差持續增加到4 MPa以上時，兩種燃料之間的流量差異變大，RP-3與SAF的流量差增大到了1.1 g/min。分析發現，流量特性的差異是由兩種燃料的粘度與密度差異引起的（表1）。常溫20 ℃下，SAF與RP-3相比，粘度偏大但密度偏小。根據流量公式（1），并利用實驗數據進行推導研究，發現受黏性影響的噴嘴流量系數Cd差異較小，且對流量的影響有限，而兩種燃料密度ρ差異對流量的影響較大。因此，推斷是密度的差異直接導致了兩者系數不同形成流量差異，且隨著供油壓差的增大，RP-3與SAF的流量差距會越來越大。盡管供油壓差升至1 MPa以上兩者流量差會變大，但兩種燃料的流量差異均穩定在1.1 g/min以內，因此，兩種燃料的流量特性總體差異仍屬于較小范疇。

2.2" " 霧化粒徑

圖4展示了SAF和RP-3的SMD隨供油壓差上升的霧化特性變化曲線，可以看到，在1 MPa以前，霧錐處于發展階段，受黏性與表面張力的影響較大，液膜破碎不完全，霧化效果較差，兩種燃料的SMD均較大，處于20～60 μm。隨著供油壓差的上升，燃油的動能增大、噴射速度增大，克服表面張力與黏性阻礙的能力增強，油膜破碎更完全，SMD迅速下降。這與Shin等[20]和Dafsari等[21]利用相位多普勒風速測量法測得的實驗結果一致。1 MPa以后，燃油已形成穩定霧錐，霧化接近完全，增大供油壓差所增加的動能無法使液滴進一步破碎，SMD的降低速度明顯放緩，SMD減小趨勢逐漸放平，最終穩定保持在17 μm。

從圖5中可以看到，小狀態供油壓差時，SAF的SMD比RP-3最大增大了10.6個百分點，SMD相差約5.2 μm。這是因為SAF粘度比RP-3大，燃油分子間的內部作用力大，難以在外力影響下破碎成細小液滴。隨著供油壓差逐漸上升，兩者之間的SMD差值越來越小，增幅由10.6%減少至0，當供油壓差升至1.2 MPa時，兩者SMD相同。在此過程中，隨供油壓差的升高，供油壓差逐漸成為決定SMD的主要因素，燃油黏性對霧化的影響較次要，因此，兩種燃油的SMD逐漸趨于一致。當供油壓差升至1.2 MPa以上時，兩種燃料之間的SMD差異均穩定在0.2 μm以內，在2.8%以內波動，小于實驗測量誤差的±5%，可認為SMD無明顯差異。

3" " 結論

通過研究不同供油壓差下HEFA-SPK工藝的SAF與RP-3兩種燃料的霧化特性變化規律，并針對兩種燃料的流量特性與具體霧化特性參數SMD進行對比分析，得出以下結論：

1）兩種燃料的總體流量特性差異較小，相同供油壓差下，RP-3的流量比SAF略大。流量差異會隨供油壓差的升高而增大，但總體流量差異仍較小。

2）在0.1～1.2 MPa供油壓差下，SAF的SMD均比RP-3大，最大差值為5.2 μm。在供油壓差從0.1 MPa升高至1.2 MPa的過程中，兩者之間的SMD差異會逐漸減小。在供油壓差升至1.2 MPa以上時，兩種燃料的SMD無明顯差異。

綜上，在低供油壓差下，SAF霧化特性比RP-3差；在高供油壓差下，兩者差異并不明顯，總體差異較小。因此，SAF對燃燒室穩態性能影響較小。

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收稿日期：2025-01-06

作者簡介：余坤懋（1998—），男，四川自貢人，工程師，研究方向：航空發動機熱力、氣動性能。