航空燃油类型对催化惰化系统性能的影响

冯诗愚， 邵垒， 李超越， 陈悟， 刘卫华

南京航空航天大学 航空宇航学院， 南京　210016



航空燃油类型对催化惰化系统性能的影响

冯诗愚*， 邵垒， 李超越， 陈悟， 刘卫华

南京航空航天大学 航空宇航学院， 南京210016

在设计了一种催化惰化系统流程并描述其工作原理的基础上，以从油箱中抽吸气体的摩尔流量为基准，推导了流经催化反应器后各气体组分的流量关系，通过质量守恒方程及气体平衡溶解关系，建立了油箱气相空间气体浓度变化的数学模型。选择了RP-3、RP-5和RP-6燃油作为对象，用所建立的数学模型计算了不同载油率和催化反应器效率下的气相空间氧浓度变化关系。研究显示，由于3种燃油的蒸汽压不同，造成从外界环境补气及进入油箱的混合惰气流量不同，从而导致气相空间氧浓度的变化规律差异远大于采用中空纤维膜的机载惰化系统。因此，在设计催化惰化系统时要充分考虑燃油类型对惰化系统性能的影响。

航空燃油； 惰气； 催化； 反应器； 模拟

飞机燃油箱上部空间充满可燃的油气混合物，其易燃易爆特点严重威胁着飞机安全，必须采取有效措施以减少燃爆发生概率，降低其危害程度。从20世纪50年代起，美国军方就开始采用氮气、Halon1301(哈龙)气体惰化油箱的研究工作[1-2]，采用中空纤维膜制取富氮气体(Nitrogen Enriched Air， NEA)的机载制氮惰化技术(Hollow Fiber Membrane based On-Board Inert Gas Generation System, HFM-OBIGGS)是目前最经济和实用的飞机油箱燃爆抑制技术，国内外军机、民机广泛采用该技术[3]。但HFM-OBIGGS 技术仍存在很多问题，例如分离膜效率低导致飞机代偿损失大、分离膜入口需求压力高导致在很多机型上应用困难(如直升机)、细小的膜丝和渗透孔径逐渐堵塞及气源中臭氧导致膜性能衰减严重、富氮气体填充油箱时导致燃油蒸汽外泄污染环境等[4-5]。

美国怀特-帕特森空军基地、Honeywell和Phyre公司从2006年开始联合开展一种新型的催化惰化技术的研究工作[6-9]，也称之为“绿色惰化技术”(Green On-Board Inert Gas Generation System, GOBIGGS)。其基本原理是将油箱上部气相空间燃油蒸汽和其他气体导入一催化反应器，并补充一定的外部空气进行可控的无焰催化燃烧，燃烧后碳氢物被氧化为二氧化碳和水蒸气，水蒸气通过降温被分离，而剩余的二氧化碳、未参与反应的氮气和未完全反应的燃油蒸汽及氧气被再次送入油箱上部，从而降低氧含量达到惰化的目的。此研究在A-3攻击机、UH-60直升机和波音737客机上完成了地面和少量飞行实验[10-11]。

初步实验研究表明，这种催化惰化技术具有几个重要优势：① 无需从发动机引气，可应用于无合适气源的场合(例如直升机)；② 基本无需预热，启动速度快，加之氧气在反应器中被消耗，因此惰化效率高、时间短；③ 设备尺寸小、重量轻。如Phyre公司对容积为4.7 m3的A-3攻击机燃油箱进行地面实验，在2 min内将油箱上部气相空间氧浓度从21%惰化至9%，反应器最高温度低于250 ℃，样机的催化反应器尺寸为38 cm×30.5 cm×30.5 cm，换热器尺寸为23.5 cm×17.8 cm×12.7 cm[12]。由于 GOBIGGS明显的技术优势和诱人的应用前景，中国从2011年开始追踪该技术[13]，目前主要集中在文献收集、可行性研究、原理样机构建等一系列前期工作。

在GOBIGGS系统中，油箱上部气体浓度变化关系是催化器的入口边界条件，而它又受到催化器出口反应产物的影响，同时出口反应产物与入口气体的组成又直接相关，这些因素相互耦合，显然与HFM-OBIGGS存在很大差别。在HFM-OBIGGS中分离膜产生的富氮气体充入油箱后，并不会返回分离膜入口造成相互耦合，因此各部分的研究可独立进行，例如可首先通过理论和实验方法获取分离膜特性[14-15]，然后针对不同的油箱采用工程、CFD计算或实验方法来分析富氮气体充入后对油箱上部气相空间氧浓度的影响[16-18]，最终评价油箱的安全性[19]。

国内外不同燃油的理化特性存在差异，会对HFM-OBIGGS产生一定的影响，主要的影响来自于：① 不同燃油的蒸汽压存在差异，因此气相空间气体的分压也会有所不同；② 燃油密度差异造成溶解在燃油中的气体量不同；③ 燃油组分差异造成闪点和燃点不同，进而影响可燃极限。文献[20]中分析了不同燃油蒸汽压和密度差异对油箱上部空间氧浓度随高度变化的影响，文献[21]中分析了国产燃油与国外燃油在可燃极限方面的差异。这些研究均显示，燃油类型在一定程度上影响HFM-OBIGGS的性能，但是该影响不大。

本文基于文献[22]中的模型，在按照平衡溶解关系考虑燃油中氧氮溶解和逸出现象的基础上，选择了表1中的3种燃油(大庆RP-3，管输RP-5和孤岛RP-6)，计算采用含氧浓度为5%的NEA5富氮气体填充油箱中燃油蒸汽时HFM-OBIGGS的惰化效果，如图1所示。从图中可发现，在两种载油率下，3种燃油达到12%安全氧浓度所需时间有一定差异，其中RP-6燃油所需时间最长，而RP-5燃油所需时间最短，其原因主要在于RP-5蒸汽压高，在油箱气相空间所占据的分体积大，因此所需要排出的氧气量相对小。但是，从计算中也可以发现，当惰化时间足够长时，3种燃油最终达到的氧浓度差异并不大。

表1　3种燃油的理化特性数据

图1　燃油类型对HFM-OBIGGS惰化系统的影响Fig.1　Effect of type of fuels on HFM-OBIGGS inerting system

但是，在GOBIGGS系统中，进入催化反应器的被氧化物是燃油蒸汽，假设不存在燃油蒸汽或不考虑蒸汽压，则催化反应器中氧化过程不可能进行，氧气也不会被消耗，催化反应器出口气体的组成与入口完全一致，因此不可能对油箱进行惰化；而如果由于燃油类型不同，燃油蒸汽压高，则按分压关系，从油箱所抽吸的单位质量流量混合气体中燃油蒸汽所占比例高，氧气可能会被完全消耗，因此惰化效果相对上述情况肯定有很大差异。

本文首先设计了一种催化惰化系统流程，在一些合理的假设的基础上，建立了惰化数学模型，选择了与图1相同的3种燃油对模型进行求解，并分析了两种载油率下，不同催化反应器效率对惰化过程的影响。

1　催化惰化系统流程和基本假设

催化惰化系统流程如图2所示，从油箱气相空间抽取混合气，然后与外界环境的补气混合后流入回热器冷侧通道，由来自于催化反应器出口并流经回热器热侧通道的混合惰气加热升温，升温不足的混合气由电加热器进一步加热后进入催化反应器反应，反应后形成主要由氮气和二氧化碳构成的混合惰气，混合惰气流经热交换器脱除水分后被注入油箱与上部空间气体混合，从而降低氧浓度，达到惰化保护的目的。

图2　催化惰化系统流程Fig.2　Flowchart of catalytic inerting system

当燃油蒸汽分压较高或者随着惰化过程进行，油箱上部空间氧含量降低，即使催化反应器性能足够优良，但是从油箱抽吸的混合气中氧浓度也可能仍不足以支持燃油蒸汽催化氧化，因此本文认为需要从外界环境进行补气，并与所抽吸的气体混合后，再进入催化反应器。

研究中做以下几个基本假设：

1) 燃油由复杂的碳氢化合物组成，但是本文认为其分子式可统一表示为CaHb，不考虑燃油分子中存在的氧、硫和氮等微量元素。

2) 不考虑油箱与外界及气体与燃油的传热影响，认为油箱中温度恒定为40 ℃。

3) 基于自持式催化燃烧特点，认为进入催化反应器混合气体的温度为150 ℃，反应后温度为200 ℃。

4) 热交换器面积足够大且冷却介质足够将回热器热侧通道流出的混合惰气温度降低至40 ℃，且认为水蒸气在热交换器中能被完全脱除，不考虑未脱除的少量水蒸气对惰化过程的影响。

5) 气体与气体混合及气体在燃油中逸出和溶解过程瞬间完成，且满足平衡溶解关系。

6) 惰化过程在地面进行，油箱总压与外界环境压力一致，燃油蒸汽分压按饱和蒸汽压考虑，且饱和蒸汽压按照里德蒸汽压计算，忽略低气液比时真实蒸汽压与里德蒸汽压的差异。

7) 选择某直升机油箱，其容积为2 m3。

2　数学模型

在催化反应器中，反应满足以下关系：

(1)

但是，考虑到即使氧气量足够，在催化反应器中也并非所有的燃油均可转换为二氧化碳和水，因此定义催化反应器效率ηcat为

(2)

(3)

式中：xU,F为油箱中燃油的浓度。

(4)

进入催化反应器的气体总摩尔流量为

(5)

流出催化反应器的氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气和燃油蒸汽的摩尔流量分别为

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：xU,O、xU,N和xU,C为油箱中氧气、氮气和二氧化碳的浓度。

本文认为在热交换器中可脱除所有水蒸气，则进入油箱的混合惰气中氧浓度为

(11)

第1节假设已经说明，燃油分压力简化为燃油饱和蒸汽压，其只与温度相关，因此该分压始终保持不变，但是氧气、氮气和二氧化碳的分压随时间会发生变化，因此对除燃油蒸汽以外的各气体组分建立质量平衡方程，即

(12)

(13)

(14)

由于气体从燃油中逸出或向燃油中溶解的量满足亨利定律，可按照平衡关系计算，因此

(15)

(16)

(17)

式中：βO、βN和βC为氧气、氮气和二氧化碳在燃油中的阿斯特瓦尔德系数，具体计算方法可参见文献[23]；VF和TF为燃油体积和温度。同时，油箱中压力pU与外界环境压力pt相同，满足

(18)

(19)

(20)

式中：MO、MN和MC分别为氧气、氮气和二氧化碳的分子量。

3　计算结果及分析

选取图1中所采用的3种燃油，根据其氢含量得到分子式中的a和b，如表2所示。用第2节模型进行求解，首先给出在3种不同催化反应器效率下气相空间氧浓度随时间的变化关系，如图3 所示。

以惰化至氧浓度为12%为例，首先从图3可以发现，与HFM-OBIGGS一样，在催化惰化系统中，RP-5号燃油所需的时间最短，但是对比图1也可发现，在GOBIGGS中，不同燃油所需时间差异十分大，以10%载油率为例，RP-6和RP-5燃油达到12%氧浓度的时间差别为6 min，而HFM-OBIGGS中仅为2 min。此外，对于HFM-OBIGGS而言，载油率越大，不同燃油所需惰化时间差别越大，而在GOBIGGS中则相反。其原因除了燃油蒸汽所占气相空间体积有差异外，最重要的原因是采用不同燃油时，油箱抽吸气中氧气和油箱燃油蒸汽之比差异很大，而该比例决定了从外界环境的补气量，因此不同燃油所需的补气量也有很大差别，虽然从油箱所抽吸的气体流量恒定为8 kg/h，但是从图4可以看到，RP-6号燃油由于燃油蒸汽压很低，因此在初始的5 min左右无需从外界环境补气，抽吸气中的氧气就足以支持催化反应过程进行，当大于5 min后，由于油箱中氧浓度下降，这时需要逐步从外界补气，而RP-5燃油与之相反，从惰化一开始就需要大量的外界补气，以提供足够的氧气量。补气量越大，通过催化反应器产生的混合惰气进入油箱的流量也越大，因此这是造成各种燃油惰化过程差别很大的主要原因。

表23种燃油的氢含量及分子式中的系数

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

图3　3种燃油在不同载油率和反应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

从图3还可以发现，除了催化反应器效率为100%外，在其他反应器效率下，惰化最终能达到的气相空间氧浓度与燃油类型及反应器效率均有关。将式(3)和式(4)及式(6)～式(10)代入式(11)后也可以发现，催化反应器产生的混合惰气中的氧浓度与从油箱抽吸的气体流量及载油率无关。

图5中给出了3种燃油在不同催化反应器效率下惰化油箱时气相空间可达到的最终氧浓度。从图中可见，燃油终了氧浓度与反应器效率基本呈线性关系，随着反应器效率提升，可达到的最终氧浓度降低。RP-6燃油虽然惰化速度较慢，但是在同样反应器效率下，终了氧浓度较RP-3和RP-5 燃油低。

图6中给出了3种燃油中，不同反应器效率及从油箱抽吸气体流量下将油箱惰化至12%所需的时间对比，显然从油箱抽气气体流量越大，则由催化反应器产生的惰气流量也越大，惰化所需的时间越短，而催化反应器效率越高，所需的时间也越短。从图中还可以看到，在催化反应器效率从50%～100%的范围内，对于RP-6燃油而言，在任何抽气流量下，惰化所需时间与催化反应器效率基本呈线性关系，而其他两种燃油当效率低于65%时，所需时间明显增加。

图4　3种燃油通过反应器产生惰气及外界补气流量Fig.4　Flow rates of inert gas produced by catalytic reactor and supplemental air using three jet fuels

图5　3种燃油终了氧浓度与反应器效率的关系Fig.5　Relationship between final oxygen concentration and efficiency of catalytic reactor using three jet fuels

图6　3种燃油达到12%氧浓度时间与反应器效率的关系Fig.6　Relationship between time to oxygen concentration of 12% and efficiency of catalytic reactor using three jet fuels

4　结　论

采用催化氧化方法，将油箱上部气相空间的燃油蒸汽在催化反应器中转换成二氧化碳和水蒸气，同时将反应器出口由氮气和二氧化碳组成的混合惰气充入油箱，可以有效控制油箱氧浓度，减少燃烧爆炸风险。由于不同燃油的密度和蒸汽压存在差异，本文通过设计催化惰化的流程和建立其数学模型进行研究。

1) 燃油蒸汽压直接影响到进入催化反应器中的燃油蒸汽和氧气的比例，因此研究显示燃油类型对催化惰化系统的性能影响远大于中空纤维膜惰化系统。

2) RP-6燃油蒸汽压很低，因此所需要补充并参与反应的外界环境空气流量最小，但是通过催化反应器生成的混合惰气流量也最低，因此惰化效果最差，而RP-5燃油与之相反。

3) 所有燃油将油箱气相空间惰化至终了氧浓度与催化反应器的效率相关，且基本呈线性关系，催化反应器效率越高，可达到的终了氧浓度越低，且与从油箱中抽吸的气体流量及载油量无关。在同样的催化反应器效率下， RP-6燃油可达到的终了氧浓度最低，而RP-5燃油最高。

4) 从油箱中抽吸的气体流量越大，则达到12%安全氧浓度所需的时间越少，且RP-5燃油所需时间最短，而RP-6燃油最长。

本文研究所做的一个重要假设是外界环境补气量刚好能使燃油蒸汽在催化反应器中被完全氧化，造成离开催化反应器并进入油箱的混合惰气流量有很大差异，这与实际情况不同。未来的研究中要进一步分析无外界环境补气情况下燃油类型对惰化性能的影响，同时需要通过实验确定催化反应器在不同入口条件下的实际效率。

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冯诗愚男， 博士， 副教授。主要研究方向： 油箱惰性化和飞机燃油系统。

Tel: 025-84892105

E-mail: shiyuf@nuaa.edu.cn

邵垒男， 博士研究生。主要研究方向： 飞机油箱惰性化技术。

Tel: 025-84892105

E-mail: 165617594@qq.com

李超越男， 博士研究生。主要研究方向： 飞机燃油系统中的传热传质问题。

Tel: 025-84892105

E-mail: 810301978@qq.com

陈悟女， 硕士研究生。主要研究方向： 燃油惰化及强化传热技术。

Tel: 025-84892105

E-mail: 1771792949@qq.com

刘卫华男， 博士， 教授。主要研究方向： 飞行器油箱安全防护技术。

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

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

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10.7527/S1000-6893.2015.0344

V228； TQ032.4

A

1000-6893(2016)06-1819-08

引用格式： 冯诗愚， 邵垒， 李超越， 等． 航空燃油类型对催化惰化系统性能的影响[J]． 航空学报, 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