趙英,黨曉勇,鄒吉軍

(1.北京動力機械研究所,北京100074;2.天津大學(xué),天津300072)

3號噴氣燃料加速老化實驗中性能指標(biāo)變化趨勢研究

趙英1,黨曉勇1,鄒吉軍2

(1.北京動力機械研究所,北京100074;2.天津大學(xué),天津300072)

目的研究作為導(dǎo)彈用渦輪發(fā)動機貯存壽命薄弱環(huán)節(jié)之一的油封燃料的貯存穩(wěn)定性。方法借鑒國外燃料加速老化試驗方法,開展不同狀態(tài)燃料的加速老化實驗。結(jié)果掌握了3號噴氣燃料加速老化實驗中性能指標(biāo)變化趨勢,評價了不同狀態(tài)的3號噴氣燃料的貯存穩(wěn)定性。結(jié)論脫水脫氧噴氣燃料的貯存穩(wěn)定性優(yōu)于普通噴氣燃料,貯存16年后變質(zhì)仍程度較低。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機;燃料;貯存性;加速老化

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃油系統(tǒng)中的燃油供給調(diào)節(jié)機構(gòu)屬于高精度控制機構(gòu),對燃油的清潔度要求極高。當(dāng)燃油中的膠質(zhì)、固體顆粒物超標(biāo),極易造成調(diào)節(jié)機構(gòu)卡澀、運動不到位,導(dǎo)致發(fā)動機工作異常。燃料與燃油系統(tǒng)中活潑的金屬接觸,長期貯存后變質(zhì)會引起實際膠質(zhì)和沉淀量超標(biāo),最終產(chǎn)生大量的固體顆粒物。因此,發(fā)動機燃油系統(tǒng)的油封工作十分重要,油封燃油的貯存穩(wěn)定性直接關(guān)系到發(fā)動機的貯存壽命。

航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)油封有專門的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,GJB 1284《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的封存包裝》中規(guī)定航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)采用8號潤滑油填充,啟封時,地面通燃油置換出潤滑油,油封期為3年[1]。若充滿噴氣燃料存放,存放期最長不超過1個月。據(jù)了解,燃油系統(tǒng)采用潤滑油填充主要是避免活潑金屬制造的精密偶件對燃油變質(zhì)的催化作用。由于彈用渦輪發(fā)動機直接點火飛行,無法實現(xiàn)航空發(fā)動機地面通油置換,不能采用潤滑油對燃油系統(tǒng)的封存,只能采用以噴氣燃料為主的油封介質(zhì)封存。某型彈用發(fā)動機將普通噴氣燃料經(jīng)脫水脫氧處理(降低水含量和氧含量)后封存在燃油管路中,以期改善其貯存性能[2]。

美國對于石油基碳?xì)淙剂霞铀儋A存試驗方法有深入研究,制訂了ASTM D-5304-06《采用氧過壓評價中餾程燃油儲存安定性的標(biāo)準(zhǔn)方法》[3]。該標(biāo)準(zhǔn)采用加速貯存試驗方法評定燃油的貯存安定性,適用對象為中餾分燃油。方法是:在試驗溫度為90℃,壓力為800 kPa(純氧)條件下,測試試驗油品中生成的不溶物。標(biāo)準(zhǔn)討論了測試方法的等效性問題,在溫度影響方面,40℃常壓貯存1個月的油品中不溶物生成量與20℃常壓貯存4個月油品基本一致;壓力影響方面,從常壓空氣增加到800 kPa純氧,試驗油品中不溶物生成量增加10倍。1995年,美國海軍實驗室提出了《一種可靠實用的基于過氧化物生成評價航空渦輪機燃油長期貯存安定性的加速試驗方法》[4]。該方法以航空煤油為研究對象,設(shè)定試驗溫度為100℃,實驗操作與ASTM D-5304-06基本相同。對6組不同來源的JP-5燃油進(jìn)行了加速貯存試驗,測試油品的過氧化物含量。文中所列的高溫(100℃)加速試驗時間與評定的常溫(20℃)貯存時間之間服從反應(yīng)溫度升高10℃,反應(yīng)速率提高1倍的規(guī)律,即加速試驗的溫度系數(shù)為2。國產(chǎn)3號航空噴氣燃料與美國JP-5航煤的組成和性質(zhì)非常接近,3號燃料屬于石油基中餾分燃油,與文獻(xiàn)中的燃油本質(zhì)一樣,屬于碳?xì)淙加?貯存過程中的氧化變質(zhì)反應(yīng)機理相同,因此文獻(xiàn)中的加速試驗方法和溫度系數(shù)可適用于國產(chǎn)3號航空噴氣燃料。

為了掌握噴氣燃料在燃油系統(tǒng)中的貯存變質(zhì)情況,借鑒美國石油基碳?xì)淙剂霞铀儋A存實驗成果,對國產(chǎn)噴氣燃料開展了加速老化實驗,獲得了普通燃料和脫水脫氧燃料貯存過程中各項性能指標(biāo)的變化情況,最終得出脫水脫氧燃料有利于改善發(fā)動機燃油系統(tǒng)貯存穩(wěn)定性[5—6]。

1 實驗

1.1 方法

借鑒美國石油基碳?xì)淙剂霞铀儋A存實驗成果:在40～100℃范圍內(nèi),溫度每升高10℃,達(dá)到同樣老化程度的時間減少一半,即加速實驗的溫度系數(shù)為2[3—4]。通過檢測對比燃料加速老化后的過氧化物濃度、酸值、膠質(zhì)、固體顆粒物和運動黏度等性能指標(biāo),獲得噴氣燃料的老化變質(zhì)情況。

1.2 設(shè)備

由于燃料貯存過程中接觸金屬材料和非金屬材料會受到一定程度的催化作用[7—8],因此,加速老化試驗?zāi)M燃油裝機狀態(tài),采用不銹鋼容器,在容器中添加1枚銅片和2個橡膠圈,如圖1所示。

圖1 加速老化實驗使用的容器Fig.1 Containers used in accelerated aging tests

1.3 條件及對象

加速老化實驗溫度為90℃,分別加速老化275,550,820,1095,1070,1650 h(對應(yīng)20℃下貯存4,8,12,16,20,24年)。實驗油樣包括:普通3號噴氣燃料未裝滿,裝填率90%,空氣氣氛;普通3號噴氣燃料裝滿,裝填率約100%;脫水脫氧3號噴氣燃料未裝滿,裝填率90%,氮氣氣氛。

1.4 分析測試

對加速老化后油品的各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試分析:采用色譜-質(zhì)譜(GC-MS)和紅外光譜(FTIR)分析燃油的組分;根據(jù)GB/T 12574《噴氣燃料總酸值測定法》測試燃油的酸性物質(zhì)含量;根據(jù)SH/T 0176《噴氣燃料過氧化值測定法》測試燃油的過氧化物含量;根據(jù)SH/T 0093《噴氣燃料固體顆粒污染物測定法》測試燃油的顆粒物含量;根據(jù)GB/T 8019《車用汽油和航空燃料實際膠質(zhì)測定法》測試燃油中的膠質(zhì)含量;根據(jù)GB/T 3555《石油產(chǎn)品賽波特顏色測定法(賽波特比色計法)》測試燃油色度;根據(jù)GB/T 265《石油產(chǎn)品運動粘度測定法和動力粘度計算法》測試燃油的粘度。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 外觀

加速老化后的脫水脫氧噴氣燃料和普通噴氣燃料略帶淡黃色,但保持清澈透明,未見固體不溶物和顆粒物,老化油樣在過濾前后未見顏色變化。

2.2 組成變化

加速老化前后譜圖基本相同,如圖2所示。未見氧化物的特征峰,燃料組成未發(fā)生變化。

圖2 噴氣燃料加速老化前后的紅外譜Fig.2 Infrared spectra of Jet fuel No.3 before and after accelerated aging

2.3 過氧化值和酸值

加速老化過程中燃料的過氧化值和酸值變化曲線如圖3所示。初始燃料不含過氧化物,酸值為0.0056 mgKOH/g。老化初期(4年)過氧化物的含量較高,其中普通噴氣燃料未裝滿時最高達(dá)到18 mg/kg,然后急劇降低,保持在4 mg/kg以下,滿足美國JP-5/JP-4燃料標(biāo)準(zhǔn)中過氧化物濃度上限值8 mg/kg的規(guī)定[3]。燃料的酸值始終在 0.012 mgKOH/g以下,滿足GB 6537—2006《3號噴氣燃料》規(guī)定的上限值0.015 mgKOH/g[9]。

圖3 加速老化過程中燃料的過氧化值和酸值Fig.3 Values of peroxidation and acidicity of fuel during accelerated aging

實驗初始階段,燃料的過氧化值和酸值均有明顯的增加,之后緩慢下降維持在一水平,說明燃料老化初期反應(yīng)產(chǎn)物為過氧化物和酸類,符合自由基反應(yīng)機理。比較脫水脫氧燃料與普通3號噴氣燃料的加速老化數(shù)據(jù),脫水脫氧燃料的過氧化值和酸值均低于或等于普通燃料,說明脫氧脫水燃料老化變質(zhì)程度低于普通燃料。

2.4 黏度

加速老化過程中,燃料在20℃和-40℃下的運動粘度保持恒定,與初始燃料基本相同,滿足3號噴氣燃料的標(biāo)準(zhǔn)要求,說明加速老化后燃料的輸送性能未發(fā)生變化。

2.5 膠質(zhì)和顆粒物

加速老化過程中燃料的膠質(zhì)和固體顆粒物含量變化曲線如圖4所示。初始燃料不含膠質(zhì),加速老化23.9年的膠質(zhì)含量最高為6.4 mg/100 mL,滿足GB 6537—2006規(guī)定的上限值7 mg/100 mL[9],其中,脫水脫氧燃料的膠質(zhì)含量最低。

圖4 加速老化過程中燃料的膠質(zhì)和固體顆粒物含量Fig.4 Contents of gelatinous materials and solid particles in fuel during accelerated aging

初始燃料不含固體顆粒物,加速老化4.1年時,脫水脫氧燃料的固體顆粒物的質(zhì)量濃度為1 mg/L,滿足GB 6537—2006規(guī)定的上限值1 mg/L[9]。隨著加速老化時間的增加,固體顆粒物的含量緩慢增加,加速老化8年時為1.5 mg/L,加速老化16年時為2 mg/L,23.9年時達(dá)到2.5 mg/L。普通噴氣燃料產(chǎn)生的固體顆粒物較多,加速老化4.1年時固體顆粒物的質(zhì)量濃度超過1.5 mg/L,加速老化16年時超過5 mg/L。

實驗初始階段,燃料的固體顆粒物和膠質(zhì)含量增加較為緩慢,一定時間后,固體顆粒物和膠質(zhì)含量有大幅增加,說明燃料老化后期反應(yīng)產(chǎn)物為固體顆粒物和膠質(zhì)[10]。從燃料加速老化實驗中各參數(shù)的變化規(guī)律可以看出,燃料的老化變質(zhì)過程基本符合以下機理過程:烴分子→過氧化物→醇、酮→酸→酯→膠質(zhì)(固體顆粒物)[11—14]。老化試驗中模擬了真實貯存環(huán)境中的接觸介質(zhì),對燃料的老化起到了催化作用,老化產(chǎn)物主要是燃料變質(zhì)產(chǎn)物。由于接觸介質(zhì)含量較少,其老化產(chǎn)物可以忽略不計。

2.6 顆粒物粒徑

在加速老化過程中,脫水脫氧燃料中生成的顆粒物粒徑變化不大,始終小于1 μm。未裝滿的普通噴氣燃料出現(xiàn)了部分粒徑大于1 μm的顆粒物,20年時出現(xiàn)少量4 μm的顆粒物。裝滿的普通噴氣燃料老化20年時,出現(xiàn)了較多5 μm的顆粒物,在實驗罐底部出現(xiàn)了明顯的結(jié)垢,是較大顆粒物沉積生成的。

3 結(jié)論

三種狀態(tài)下的加速老化實驗結(jié)果表明:3號噴氣燃料脫水脫氧噴氣燃料未裝滿貯存穩(wěn)定性優(yōu)于普通噴氣燃料裝滿,更優(yōu)于普通噴氣燃料未裝滿。脫水脫氧噴氣燃料老化后發(fā)生一定程度變質(zhì),除顆粒物含量指標(biāo)外,其他指標(biāo)變化不明顯,仍在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。加速老化8年時,顆粒物含量指標(biāo)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的0.5倍;加速老化16年時,顆粒物含量指標(biāo)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的1倍。通過檢測顆粒物粒徑,燃料變質(zhì)后的顆粒物粒徑仍較小(小于1 μm)。

[1] GJB 1284—91,航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的封存包裝[S]. GJB 1284—91,Engines,Aircraft,Gas Turbine,Preservation and Packaging[S].

[2] 南國枝,范維玉,李水平,等.微量水分對噴氣燃料中懸浮物形成的影響[J].中國石油大學(xué)學(xué)報,2007,30 (2):139—142. NAN Guo-zhi,FAN Wei-yu,LI Shui-ping,et al.Influence of Trace Water on Formation of Suspended Matter in Jet Fuel[J].Joumal of China Univercity of Petrolem,2007, 30(2):139—142.

[3] ASTM D-5304-06,Standard Test Method for Assessing Middle Distillate Fuel Storage Stability by Oxygen Overpressure [S].

[4] PANDE G S,BLACK H B,HARDY R D.A Reliable and Practical Accelerated Test Method for Predicting the Long-term Storage Stabilities of Aviation Turbine Fuels Based on Hydroperoxide Foramaiton[J].Energy Fuels, 1995(9):183—187.

[5] 米鎮(zhèn)濤,周震寰,張香文,等.合成高密度燃料的氧化安定性及貯存壽命預(yù)測[J].推進(jìn)技術(shù),2001,22(6):514—517. MI Zhen-tao,ZHOU Zhen-huan,ZHANG Xiang-wen,et al.Oxidative Stability of Synthetic High Energy Density Fuel and Storage Life Pridiction[J].Journal of Propulsion Technology,2001,22(6):514—517.

[6] 范啟明,米鎮(zhèn)濤,張香文,等.提高航空燃料熱安定性的研究進(jìn)展[J].石化技術(shù)與應(yīng)用,2002,20(4):261—263. FAN Qi-ming,MI Zhen-tao,ZHANG Xiang-wen,et al. Researching Progress of Improving the Heat Stability of Jet Fuel[J].Petrochemical Industry Application,2002,20 (4):261—263.

[7] 古玲,張香文,米鎮(zhèn)濤.金屬對高密度噴氣燃料的催化氧化作用[J].大同職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005,19(2): 71—73. GU Ling,ZHANG Xiang-wen,MI Zhen-tao.The Catalytic Activity of Metals on Oxidation of High-Density Jet Fuels [J].Journal of Datong Rocotional College,2005,19(2): 71—73.

[8] 張香文,米鎮(zhèn)濤,周震寰,等.高能量密度燃料HDF-1與金屬材料的相容性[J].推進(jìn)技術(shù),2002,23(3): 161—163. ZHANG Xiang-wen,MI Zhen-tao,ZHOU Zhen-huan,et al.Compatibility of High Energy Density Fuel(HDF-1) and Metal Material[J].Journal of Propulsion Technology,2002,23(3):161—163.

[9] GB 6537—2006,3號噴氣燃料[S]. GB 6537—2006,No.3 Jet Fuel[S].

[10]王紅,張穎,陳立波.噴氣燃料中膠質(zhì)化合物的質(zhì)譜分析[J].分析測試學(xué)報,2007(9):314—316. WANG Hong,ZHANG Ying,CHEN Li-bo.Analysis of Gum Compoundin Jet Fuel by Mass Spectromet[J].Journal of lnstrumental Analysis,2007,9:314—316.

[11]梁文杰,闕國和,劉晨光,等.石油化學(xué)[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2009. LIANG Wen-jie,QUE Guo-he,LIU Chen-guang,et al.Petroleum Chemistry[M].Dongying:China University Petroleum Press,2009.

[12]許世海,熊云,劉曉.液體燃料的性質(zhì)及應(yīng)用[M].北京:中國石化出版社,2010. XU Shi-hai,XIONG Yun,LIU Xiao.The Properties and Applications of Liquid Fuels[M].Beijing:Sinopec Press, 2010.

[13]劉濟(jì)瀛.中國噴氣燃料[M].北京:中國石化出版社, 1991. LIU Ji-ying.Jet Fuel of China[M].Beijing:Sinopec Press,1991.

[14]王世光.改善彈用渦輪發(fā)動機噴氣燃料低溫性和貯存性的措施研究[J].裝備環(huán)境工程,2012,9(3):94—98. WANG Shi-guang.Research on Improvement of Low Temperature Behavior and Storage Capability of Jet Fuels for Turbine Engines[J].Equipment Environmental Engineering,2012,9(3):94—98.

Research on Changes in Behavior Data of No.3 Jet Fuel in Accelerated Aging Test

ZHAO Ying1,DANG Xiao-yong1,ZOU Ji-jun2

(1.Beijing Power Machinery Institute,Beijing 100074,China;2.Tianjin University,Tianjin 300072,China)

ObjectiveTo research the storage stability of oil-seal fuel,which is a key problem affecting the storage life of engines.MethodsReferring to methods of fuel accelerated aging tests in foreign countries,the accelerated aging test of fuel under different conditions were performed.ResultsThe results gave the changing trends of jet fuel No.3 performance during the accelerated aging test,And the storage stability of Jet fuel No.3 at three different states were evaluated.ConclusionThe storage stability of dehydrated and deoxygenated fuel was better than that of conventional fuel,with low metamorphic grade after 16 years of storage.

gas turbine engine;fuel;storage;accelerated aging

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.007

TG156.99

:A

1672-9242(2014)04-0032-05

2014-06-24;

2014-07-01

Received:2014-06-24;Revised:2014-07-01

趙英(1975—),女,陜西商洛人,高級工程師,主要研究方向為航空發(fā)動機總體性能及貯存性。

Biography:ZHAO Ying(1975—),Female,from Shangluo,Shaanxi,Senior engineer,Research focus:overall performance of aero engines and engine storage.