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上海羽通推荐参考:喷气燃料燃烧性能概述

发布时间:2013-08-04      点击次数:2661

    1.涡轮喷气发动机中混合气的形成过程
    涡轮喷气发动机使用的燃料是喷气燃料。只有当燃料汽化并与空气适当混合后才能进行有效的燃烧,所以在喷气发动机中也有一个混合气形成过程,它对燃烧过程有重大影响。然而,喷气发动机的工作原理与汽油机或柴油机工作原理有很大的区别,它们的混合气形成过程也不相同。在喷气发动机中。燃料在5.07MPa或更高的压力下,连续喷入高速(30m/s)的空气流中。在一次点燃后,燃料连续喷入燃烧室。整个雾化、蒸发并形成混合气的过程是连续进行的。在喷气发动机中,决定混合气形成质量的因素主要是燃料雾化质量、燃料本身的蒸发性以及燃烧室内空气流的扰动强度。

    燃料浓度必须在一定的范围内时混合气才能燃烧,而在喷气发动机燃烧室中,燃料的燃烧是在伴随着高速气流的条件下进行的。燃料随着气流在火焰筒内迅速流动、滞留的时间不过几毫秒。因此,能否在短时间内迅速形成混合良好的可燃混合气,对燃烧过程有很大影响。例如对起动点火,特别是对高空再点火,由于发动机处于冷状态,气流的温度和压力都不高,混合气如果形成不良(燃料蒸发性差),发动机便不能点火起动,造成事故。因而有的喷气发动机采用汽油作为起动燃料,就是因为汽油的蒸发性较煤油好,有利于混合气的形成。混合气形成良好与否也影响燃烧效率。如果燃料雾化不良生成的大颗粒油滴来不及在燃烧室燃尽,便会使火焰伸长,往往使油滴尚未燃尽便随废气排出燃烧室,因而降低燃烧效率,增大燃料的消耗量,也影响发动机动力性能。喷气发动机中混合气形成的好坏决定于燃料的物化质量和燃料自身的蒸发性好坏。

    2.喷气燃料雾化对混合气形成的影响
    在喷气发动机燃烧室中,混合气形成过程的关键在于雾化。雾化颗粒愈细,单位体积燃料形成的油滴数量愈多,总蒸发表面就愈大,蒸发速度也愈大。一般油滴直径减小到原米的1/10时,每个油滴的表面积将减少到原来的1/100,但油滴总数将增大为原来的1000倍,因此,油滴束的总表面积将增大为原来的10倍。

    在发动机构造等雾化条件一定的情况下,雾化质量主要决定于喷气燃料的雾化性,即喷气燃料的粘度和表面张力,其中粘度的影响更为突出。 喷气燃料粘度过大,降低雾化质量,增大燃料的消耗量。粘度过小,雾化过细,也不利于形成均匀混合气。粘度大小还影响到供油量和油泵磨损。过去一般认为喷气燃料适当的粘度是在-40℃时不宜超过60mm2/s。由于飞机速度越来越大,使用的燃料有逐渐加重的倾向。研究资料表明,-40℃时粘度达到200-250mm2/s的燃料在使用上并不产生太大困难。

    我国1号、2号和3号喷气燃料均规定20℃时的粘度不小于1.25mm2/s,-20℃时粘度不大于8mm2/s。高闪点喷气燃料-20℃粘度不大于8.5 mm2/s,国外喷气燃料规定-40℃(或-34.4℃)时的粘度应低于16mm2/s,前苏联产T-5煤油则规定不超过60mm2/s。表面张力愈大的燃料,雾化愈困难。经验证明,现代航空发动机广泛使用离心式喷嘴,当采用喷气燃料工作时,在各种情况下,包括温度低达-40℃的情况,燃油的表面张力都能保证燃料有良好的雾化质量。因此,喷气燃料对表面张力大小没有特别要求。

    3.燃料蒸发性对混合气形成的影响
    雾化了的燃油滴在燃烧室中一面运动,一面蒸发为蒸气,并与空气混合,这就是燃油的蒸发过程。在燃油蒸发过程中,由于燃烧室气体温度一般比油滴温度高很多,所以油滴不断受热,油温逐渐升高,而气体与油滴之间的温度差减小,于是油滴升温的速度减慢。另一方面,随着油滴温度升高,蒸发过程加快,蒸发过程中的油滴所吸收的汽化潜热也增多,这是使油滴温度降低的因素。这样,油滴在不断升温和不断蒸发的过程中zui终达到某一平衡温度,在这以后,油滴在不变的温度下继续蒸发直到全部气化,这个温度就叫等温蒸发平衡温度。

    在喷气发动机中,影响燃料蒸发的因素很多,主要为:①燃料的雾化质量;②燃料本身的蒸发性;③外界气体对油滴的传热过程,包括空气的温度和油滴温度之差,油滴及空气的相对运动速度等;④燃油蒸汽向周m环境的扩散过程。由于蒸汽不断向外扩散,降低了油滴表而附近燃油蒸汽的浓度(或蒸气压),才能创造继续蒸发的有利条件。扩散过程越迅速,燃油的蒸发也就越迅速。下面着重从燃料的蒸发性方面进行阐述。

    在喷气发动机中,除起动情况外,燃料是在压力下通过旋流室,再经喷嘴喷射到已点燃的高温燃烧室中。由于喷嘴的设计使燃油一般能保证良好的雾化质量,所以在剧烈扰动的高温气流中能迅速蒸发。从理论上看,正常工作时点火以后,喷气发动机可以使用从轻质的汽油、煤油以及轻柴油,直到重质油料作为喷气发动机的工作燃料,它们都可以使发动机正常运转。实际上也曾使用过40-350℃的各种馏分的燃料进行试验。不过,当使用重质燃料时,必须携带少zui的轻质燃料(如汽油)作为起动点火或高空熄火时再点火之用。使用过重燃料就会给发动机带来不安全的因素。

    实践证明,使用轻质馏分燃料有利于发动机的地面和高空起动,不仅能改善燃烧的条件,而且可以增强火焰的稳定性,也可以改善燃料的低温性能。但是馏分过轻会增加供油系统中产生气阻的危险,使燃油泵的磨损增大,同时,还会使燃料的体积发热量降低。如使燃料馏分加重,虽能增加燃料的体积发热量,扩大燃料的来源,但燃烧时容易产生积炭,燃烧不完全,特别是燃料的低温性能会降低。

    基于上述考虑,作为喷气发动机的燃料既不宜过重,也不宜过轻。目前各国普遍采用150-300℃范围内的煤油馏分作为标准燃料,但为了扩大油品来源,也使用了部分馏分较宽的燃料(例如60-300℃等)。使用煤油馏分作为涡轮喷气发动机燃料的另一个主要原因,就是因为它既可以在工作条件下保证良好的雾化和蒸发,又具有较好的高空性能。喷气燃料的高空性能是指飞机高空飞行时,燃油在燃料系统中不易产生气阻和引起损失的倾向。喷气燃料高空性能的质量指标通常以燃料的饱和蒸气压表示(推荐采用上海羽通仪器仪表厂生产的YT-8017系列雷德法饱和蒸汽压测定仪)。蒸气压越大,表明燃料中含轻组分多,飞机在高空容易产生气阻,而且燃料的蒸发损失也大。因此,对喷气燃料的饱和蒸气压常加以限制。规格中对1号及2号喷气燃料未加限制,这是因为对该燃料的初馏点及10%馏出温度有严格的限制,含轻组分很少。对含轻质成分较多的4号宽馏分燃料,则规定其38℃时的饱和蒸气压不得超过20kPa.飞机燃料系统在高空容易产生气阻的原因,除燃料的蒸发性外,主要是高空大气压力降低。当高度达到15000m时,大气压力只有12kPa。由于喷气飞机上升速度很快,到达高空后,燃油箱因有绝缘材料的保护,降温很少,这时燃油在低压下很易蒸发。如蒸气压过大,则可以引起沸腾,燃料中溶解的空气也大量逸出,促使形成气阻,使供油中断,严重影响发动机的工作。同时,由于大量蒸发也造成燃料的损失。

    由上述可知,燃油的蒸气压实际上限制了飞机飞行的高度。国内曾用几种蒸汽压为7.5-10.5kPa的宽馏分煤油在某些国产军用飞机上试验,起飞前油温为38℃,飞行到16000m以上未产生气阻。根据试验,当油温达到48℃时,其产生气阻的高度约为14000m。可见,若起飞前油温超过40℃时,使用宽馏分煤油,其飞行高度将受到一定限制。关于国产喷气燃料高空蒸发损失,也曾用几种煤油按不同机种的条件作过模拟试验。燃料的初馏点与10%馏出温度愈低,(检测方法为羽通公司生产的YT-6536系列蒸馏测定仪)蒸气压愈大,则高空中的蒸发损失愈大。蒸发性相同的燃料,油温愈高,蒸发损失愈大。从模拟试验及实践表明,目前我国使用的喷气燃料在现有机种上使用,不会影响高空性能及航程,也不会因燃料的少量损失而影响其他使用性能。至于目前所用燃料具体的保证飞行高度,一般资料认为在油箱不密封或无增压装置的飞机上使用140-280℃馏分的喷气燃料,由于其蒸气压较低(低于13.3kPa),可保证燃料系统在12000-14000m以上的高度正常工作。60-280℃宽馏分燃料的蒸气压较高,在油箱不密封或无增压装置情况下,飞行高度达10000-12000m时仍可保证燃料系统正常工作。为保证飞机高空飞行,目前采用的方法是将飞机油箱增压并采用中介泵或增压油泵,对燃料则限制其蒸气压不得超过20.OkPa。

 

相关检测仪器:YT-6536系列蒸馏测定仪  YT-8019系列雷德法饱和蒸汽压测定

 

注册商标:羽通仪器

 

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