馮詩愚， 邵壘， 李超越， 陳悟， 劉衛(wèi)華

南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 南京　210016

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航空燃油類型對(duì)催化惰化系統(tǒng)性能的影響

馮詩愚*， 邵壘， 李超越， 陳悟， 劉衛(wèi)華

南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 南京210016

在設(shè)計(jì)了一種催化惰化系統(tǒng)流程并描述其工作原理的基礎(chǔ)上，以從油箱中抽吸氣體的摩爾流量為基準(zhǔn)，推導(dǎo)了流經(jīng)催化反應(yīng)器后各氣體組分的流量關(guān)系，通過質(zhì)量守恒方程及氣體平衡溶解關(guān)系，建立了油箱氣相空間氣體濃度變化的數(shù)學(xué)模型。選擇了RP-3、RP-5和RP-6燃油作為對(duì)象，用所建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算了不同載油率和催化反應(yīng)器效率下的氣相空間氧濃度變化關(guān)系。研究顯示，由于3種燃油的蒸汽壓不同，造成從外界環(huán)境補(bǔ)氣及進(jìn)入油箱的混合惰氣流量不同，從而導(dǎo)致氣相空間氧濃度的變化規(guī)律差異遠(yuǎn)大于采用中空纖維膜的機(jī)載惰化系統(tǒng)。因此，在設(shè)計(jì)催化惰化系統(tǒng)時(shí)要充分考慮燃油類型對(duì)惰化系統(tǒng)性能的影響。

航空燃油； 惰氣； 催化； 反應(yīng)器； 模擬

飛機(jī)燃油箱上部空間充滿可燃的油氣混合物，其易燃易爆特點(diǎn)嚴(yán)重威脅著飛機(jī)安全，必須采取有效措施以減少燃爆發(fā)生概率，降低其危害程度。從20世紀(jì)50年代起，美國軍方就開始采用氮?dú)狻alon1301(哈龍)氣體惰化油箱的研究工作[1-2]，采用中空纖維膜制取富氮?dú)怏w(Nitrogen Enriched Air， NEA)的機(jī)載制氮惰化技術(shù)(Hollow Fiber Membrane based On-Board Inert Gas Generation System, HFM-OBIGGS)是目前最經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的飛機(jī)油箱燃爆抑制技術(shù)，國內(nèi)外軍機(jī)、民機(jī)廣泛采用該技術(shù)[3]。但HFM-OBIGGS 技術(shù)仍存在很多問題，例如分離膜效率低導(dǎo)致飛機(jī)代償損失大、分離膜入口需求壓力高導(dǎo)致在很多機(jī)型上應(yīng)用困難(如直升機(jī))、細(xì)小的膜絲和滲透孔徑逐漸堵塞及氣源中臭氧導(dǎo)致膜性能衰減嚴(yán)重、富氮?dú)怏w填充油箱時(shí)導(dǎo)致燃油蒸汽外泄污染環(huán)境等[4-5]。

美國懷特-帕特森空軍基地、Honeywell和Phyre公司從2006年開始聯(lián)合開展一種新型的催化惰化技術(shù)的研究工作[6-9]，也稱之為“綠色惰化技術(shù)”(Green On-Board Inert Gas Generation System, GOBIGGS)。其基本原理是將油箱上部氣相空間燃油蒸汽和其他氣體導(dǎo)入一催化反應(yīng)器，并補(bǔ)充一定的外部空氣進(jìn)行可控的無焰催化燃燒，燃燒后碳?xì)湮锉谎趸癁槎趸己退魵?，水蒸氣通過降溫被分離，而剩余的二氧化碳、未參與反應(yīng)的氮?dú)夂臀赐耆磻?yīng)的燃油蒸汽及氧氣被再次送入油箱上部，從而降低氧含量達(dá)到惰化的目的。此研究在A-3攻擊機(jī)、UH-60直升機(jī)和波音737客機(jī)上完成了地面和少量飛行實(shí)驗(yàn)[10-11]。

初步實(shí)驗(yàn)研究表明，這種催化惰化技術(shù)具有幾個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：① 無需從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，可應(yīng)用于無合適氣源的場(chǎng)合(例如直升機(jī))；② 基本無需預(yù)熱，啟動(dòng)速度快，加之氧氣在反應(yīng)器中被消耗，因此惰化效率高、時(shí)間短；③ 設(shè)備尺寸小、重量輕。如Phyre公司對(duì)容積為4.7 m3的A-3攻擊機(jī)燃油箱進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)，在2 min內(nèi)將油箱上部氣相空間氧濃度從21%惰化至9%，反應(yīng)器最高溫度低于250 ℃，樣機(jī)的催化反應(yīng)器尺寸為38 cm×30.5 cm×30.5 cm，換熱器尺寸為23.5 cm×17.8 cm×12.7 cm[12]。由于 GOBIGGS明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和誘人的應(yīng)用前景，中國從2011年開始追蹤該技術(shù)[13]，目前主要集中在文獻(xiàn)收集、可行性研究、原理樣機(jī)構(gòu)建等一系列前期工作。

在GOBIGGS系統(tǒng)中，油箱上部氣體濃度變化關(guān)系是催化器的入口邊界條件，而它又受到催化器出口反應(yīng)產(chǎn)物的影響，同時(shí)出口反應(yīng)產(chǎn)物與入口氣體的組成又直接相關(guān)，這些因素相互耦合，顯然與HFM-OBIGGS存在很大差別。在HFM-OBIGGS中分離膜產(chǎn)生的富氮?dú)怏w充入油箱后，并不會(huì)返回分離膜入口造成相互耦合，因此各部分的研究可獨(dú)立進(jìn)行，例如可首先通過理論和實(shí)驗(yàn)方法獲取分離膜特性[14-15]，然后針對(duì)不同的油箱采用工程、CFD計(jì)算或?qū)嶒?yàn)方法來分析富氮?dú)怏w充入后對(duì)油箱上部氣相空間氧濃度的影響[16-18]，最終評(píng)價(jià)油箱的安全性[19]。

國內(nèi)外不同燃油的理化特性存在差異，會(huì)對(duì)HFM-OBIGGS產(chǎn)生一定的影響，主要的影響來自于：① 不同燃油的蒸汽壓存在差異，因此氣相空間氣體的分壓也會(huì)有所不同；② 燃油密度差異造成溶解在燃油中的氣體量不同；③ 燃油組分差異造成閃點(diǎn)和燃點(diǎn)不同，進(jìn)而影響可燃極限。文獻(xiàn)[20]中分析了不同燃油蒸汽壓和密度差異對(duì)油箱上部空間氧濃度隨高度變化的影響，文獻(xiàn)[21]中分析了國產(chǎn)燃油與國外燃油在可燃極限方面的差異。這些研究均顯示，燃油類型在一定程度上影響HFM-OBIGGS的性能，但是該影響不大。

本文基于文獻(xiàn)[22]中的模型，在按照平衡溶解關(guān)系考慮燃油中氧氮溶解和逸出現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，選擇了表1中的3種燃油(大慶RP-3，管輸RP-5和孤島RP-6)，計(jì)算采用含氧濃度為5%的NEA5富氮?dú)怏w填充油箱中燃油蒸汽時(shí)HFM-OBIGGS的惰化效果，如圖1所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，在兩種載油率下，3種燃油達(dá)到12%安全氧濃度所需時(shí)間有一定差異，其中RP-6燃油所需時(shí)間最長，而RP-5燃油所需時(shí)間最短，其原因主要在于RP-5蒸汽壓高，在油箱氣相空間所占據(jù)的分體積大，因此所需要排出的氧氣量相對(duì)小。但是，從計(jì)算中也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)惰化時(shí)間足夠長時(shí)，3種燃油最終達(dá)到的氧濃度差異并不大。

表1　3種燃油的理化特性數(shù)據(jù)

圖1　燃油類型對(duì)HFM-OBIGGS惰化系統(tǒng)的影響Fig.1　Effect of type of fuels on HFM-OBIGGS inerting system

但是，在GOBIGGS系統(tǒng)中，進(jìn)入催化反應(yīng)器的被氧化物是燃油蒸汽，假設(shè)不存在燃油蒸汽或不考慮蒸汽壓，則催化反應(yīng)器中氧化過程不可能進(jìn)行，氧氣也不會(huì)被消耗，催化反應(yīng)器出口氣體的組成與入口完全一致，因此不可能對(duì)油箱進(jìn)行惰化；而如果由于燃油類型不同，燃油蒸汽壓高，則按分壓關(guān)系，從油箱所抽吸的單位質(zhì)量流量混合氣體中燃油蒸汽所占比例高，氧氣可能會(huì)被完全消耗，因此惰化效果相對(duì)上述情況肯定有很大差異。

本文首先設(shè)計(jì)了一種催化惰化系統(tǒng)流程，在一些合理的假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了惰化數(shù)學(xué)模型，選擇了與圖1相同的3種燃油對(duì)模型進(jìn)行求解，并分析了兩種載油率下，不同催化反應(yīng)器效率對(duì)惰化過程的影響。

1　催化惰化系統(tǒng)流程和基本假設(shè)

催化惰化系統(tǒng)流程如圖2所示，從油箱氣相空間抽取混合氣，然后與外界環(huán)境的補(bǔ)氣混合后流入回?zé)崞骼鋫?cè)通道，由來自于催化反應(yīng)器出口并流經(jīng)回?zé)崞鳠醾?cè)通道的混合惰氣加熱升溫，升溫不足的混合氣由電加熱器進(jìn)一步加熱后進(jìn)入催化反應(yīng)器反應(yīng)，反應(yīng)后形成主要由氮?dú)夂投趸紭?gòu)成的混合惰氣，混合惰氣流經(jīng)熱交換器脫除水分后被注入油箱與上部空間氣體混合，從而降低氧濃度，達(dá)到惰化保護(hù)的目的。

圖2　催化惰化系統(tǒng)流程Fig.2　Flowchart of catalytic inerting system

當(dāng)燃油蒸汽分壓較高或者隨著惰化過程進(jìn)行，油箱上部空間氧含量降低，即使催化反應(yīng)器性能足夠優(yōu)良，但是從油箱抽吸的混合氣中氧濃度也可能仍不足以支持燃油蒸汽催化氧化，因此本文認(rèn)為需要從外界環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)氣，并與所抽吸的氣體混合后，再進(jìn)入催化反應(yīng)器。

研究中做以下幾個(gè)基本假設(shè)：

1) 燃油由復(fù)雜的碳?xì)浠衔锝M成，但是本文認(rèn)為其分子式可統(tǒng)一表示為CaHb，不考慮燃油分子中存在的氧、硫和氮等微量元素。

2) 不考慮油箱與外界及氣體與燃油的傳熱影響，認(rèn)為油箱中溫度恒定為40 ℃。

3) 基于自持式催化燃燒特點(diǎn)，認(rèn)為進(jìn)入催化反應(yīng)器混合氣體的溫度為150 ℃，反應(yīng)后溫度為200 ℃。

4) 熱交換器面積足夠大且冷卻介質(zhì)足夠?qū)⒒責(zé)崞鳠醾?cè)通道流出的混合惰氣溫度降低至40 ℃，且認(rèn)為水蒸氣在熱交換器中能被完全脫除，不考慮未脫除的少量水蒸氣對(duì)惰化過程的影響。

5) 氣體與氣體混合及氣體在燃油中逸出和溶解過程瞬間完成，且滿足平衡溶解關(guān)系。

6) 惰化過程在地面進(jìn)行，油箱總壓與外界環(huán)境壓力一致，燃油蒸汽分壓按飽和蒸汽壓考慮，且飽和蒸汽壓按照里德蒸汽壓計(jì)算，忽略低氣液比時(shí)真實(shí)蒸汽壓與里德蒸汽壓的差異。

7) 選擇某直升機(jī)油箱，其容積為2 m3。

2　數(shù)學(xué)模型

在催化反應(yīng)器中，反應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(1)

但是，考慮到即使氧氣量足夠，在催化反應(yīng)器中也并非所有的燃油均可轉(zhuǎn)換為二氧化碳和水，因此定義催化反應(yīng)器效率ηcat為

(2)

(3)

式中：xU,F為油箱中燃油的濃度。

(4)

進(jìn)入催化反應(yīng)器的氣體總摩爾流量為

(5)

流出催化反應(yīng)器的氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、水蒸氣和燃油蒸汽的摩爾流量分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：xU,O、xU,N和xU,C為油箱中氧氣、氮?dú)夂投趸嫉臐舛取?/p>

本文認(rèn)為在熱交換器中可脫除所有水蒸氣，則進(jìn)入油箱的混合惰氣中氧濃度為

(11)

第1節(jié)假設(shè)已經(jīng)說明，燃油分壓力簡化為燃油飽和蒸汽壓，其只與溫度相關(guān)，因此該分壓始終保持不變，但是氧氣、氮?dú)夂投趸嫉姆謮弘S時(shí)間會(huì)發(fā)生變化，因此對(duì)除燃油蒸汽以外的各氣體組分建立質(zhì)量平衡方程，即

(12)

(13)

(14)

由于氣體從燃油中逸出或向燃油中溶解的量滿足亨利定律，可按照平衡關(guān)系計(jì)算，因此

(15)

(16)

(17)

式中：βO、βN和βC為氧氣、氮?dú)夂投趸荚谌加椭械陌⑺固赝郀柕孪禂?shù)，具體計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)[23]；VF和TF為燃油體積和溫度。同時(shí)，油箱中壓力pU與外界環(huán)境壓力pt相同，滿足

(18)

(19)

(20)

式中：MO、MN和MC分別為氧氣、氮?dú)夂投趸嫉姆肿恿俊?/p>

3　計(jì)算結(jié)果及分析

選取圖1中所采用的3種燃油，根據(jù)其氫含量得到分子式中的a和b，如表2所示。用第2節(jié)模型進(jìn)行求解，首先給出在3種不同催化反應(yīng)器效率下氣相空間氧濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖3 所示。

以惰化至氧濃度為12%為例，首先從圖3可以發(fā)現(xiàn)，與HFM-OBIGGS一樣，在催化惰化系統(tǒng)中，RP-5號(hào)燃油所需的時(shí)間最短，但是對(duì)比圖1也可發(fā)現(xiàn)，在GOBIGGS中，不同燃油所需時(shí)間差異十分大，以10%載油率為例，RP-6和RP-5燃油達(dá)到12%氧濃度的時(shí)間差別為6 min，而HFM-OBIGGS中僅為2 min。此外，對(duì)于HFM-OBIGGS而言，載油率越大，不同燃油所需惰化時(shí)間差別越大，而在GOBIGGS中則相反。其原因除了燃油蒸汽所占?xì)庀嗫臻g體積有差異外，最重要的原因是采用不同燃油時(shí)，油箱抽吸氣中氧氣和油箱燃油蒸汽之比差異很大，而該比例決定了從外界環(huán)境的補(bǔ)氣量，因此不同燃油所需的補(bǔ)氣量也有很大差別，雖然從油箱所抽吸的氣體流量恒定為8 kg/h，但是從圖4可以看到，RP-6號(hào)燃油由于燃油蒸汽壓很低，因此在初始的5 min左右無需從外界環(huán)境補(bǔ)氣，抽吸氣中的氧氣就足以支持催化反應(yīng)過程進(jìn)行，當(dāng)大于5 min后，由于油箱中氧濃度下降，這時(shí)需要逐步從外界補(bǔ)氣，而RP-5燃油與之相反，從惰化一開始就需要大量的外界補(bǔ)氣，以提供足夠的氧氣量。補(bǔ)氣量越大，通過催化反應(yīng)器產(chǎn)生的混合惰氣進(jìn)入油箱的流量也越大，因此這是造成各種燃油惰化過程差別很大的主要原因。

表23種燃油的氫含量及分子式中的系數(shù)

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

圖3　3種燃油在不同載油率和反應(yīng)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

從圖3還可以發(fā)現(xiàn)，除了催化反應(yīng)器效率為100%外，在其他反應(yīng)器效率下，惰化最終能達(dá)到的氣相空間氧濃度與燃油類型及反應(yīng)器效率均有關(guān)。將式(3)和式(4)及式(6)～式(10)代入式(11)后也可以發(fā)現(xiàn)，催化反應(yīng)器產(chǎn)生的混合惰氣中的氧濃度與從油箱抽吸的氣體流量及載油率無關(guān)。

圖5中給出了3種燃油在不同催化反應(yīng)器效率下惰化油箱時(shí)氣相空間可達(dá)到的最終氧濃度。從圖中可見，燃油終了氧濃度與反應(yīng)器效率基本呈線性關(guān)系，隨著反應(yīng)器效率提升，可達(dá)到的最終氧濃度降低。RP-6燃油雖然惰化速度較慢，但是在同樣反應(yīng)器效率下，終了氧濃度較RP-3和RP-5 燃油低。

圖6中給出了3種燃油中，不同反應(yīng)器效率及從油箱抽吸氣體流量下將油箱惰化至12%所需的時(shí)間對(duì)比，顯然從油箱抽氣氣體流量越大，則由催化反應(yīng)器產(chǎn)生的惰氣流量也越大，惰化所需的時(shí)間越短，而催化反應(yīng)器效率越高，所需的時(shí)間也越短。從圖中還可以看到，在催化反應(yīng)器效率從50%～100%的范圍內(nèi)，對(duì)于RP-6燃油而言，在任何抽氣流量下，惰化所需時(shí)間與催化反應(yīng)器效率基本呈線性關(guān)系，而其他兩種燃油當(dāng)效率低于65%時(shí)，所需時(shí)間明顯增加。

圖4　3種燃油通過反應(yīng)器產(chǎn)生惰氣及外界補(bǔ)氣流量Fig.4　Flow rates of inert gas produced by catalytic reactor and supplemental air using three jet fuels

圖5　3種燃油終了氧濃度與反應(yīng)器效率的關(guān)系Fig.5　Relationship between final oxygen concentration and efficiency of catalytic reactor using three jet fuels

圖6　3種燃油達(dá)到12%氧濃度時(shí)間與反應(yīng)器效率的關(guān)系Fig.6　Relationship between time to oxygen concentration of 12% and efficiency of catalytic reactor using three jet fuels

4　結(jié)　論

采用催化氧化方法，將油箱上部氣相空間的燃油蒸汽在催化反應(yīng)器中轉(zhuǎn)換成二氧化碳和水蒸氣，同時(shí)將反應(yīng)器出口由氮?dú)夂投趸冀M成的混合惰氣充入油箱，可以有效控制油箱氧濃度，減少燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)。由于不同燃油的密度和蒸汽壓存在差異，本文通過設(shè)計(jì)催化惰化的流程和建立其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。

1) 燃油蒸汽壓直接影響到進(jìn)入催化反應(yīng)器中的燃油蒸汽和氧氣的比例，因此研究顯示燃油類型對(duì)催化惰化系統(tǒng)的性能影響遠(yuǎn)大于中空纖維膜惰化系統(tǒng)。

2) RP-6燃油蒸汽壓很低，因此所需要補(bǔ)充并參與反應(yīng)的外界環(huán)境空氣流量最小，但是通過催化反應(yīng)器生成的混合惰氣流量也最低，因此惰化效果最差，而RP-5燃油與之相反。

3) 所有燃油將油箱氣相空間惰化至終了氧濃度與催化反應(yīng)器的效率相關(guān)，且基本呈線性關(guān)系，催化反應(yīng)器效率越高，可達(dá)到的終了氧濃度越低，且與從油箱中抽吸的氣體流量及載油量無關(guān)。在同樣的催化反應(yīng)器效率下， RP-6燃油可達(dá)到的終了氧濃度最低，而RP-5燃油最高。

4) 從油箱中抽吸的氣體流量越大，則達(dá)到12%安全氧濃度所需的時(shí)間越少，且RP-5燃油所需時(shí)間最短，而RP-6燃油最長。

本文研究所做的一個(gè)重要假設(shè)是外界環(huán)境補(bǔ)氣量剛好能使燃油蒸汽在催化反應(yīng)器中被完全氧化，造成離開催化反應(yīng)器并進(jìn)入油箱的混合惰氣流量有很大差異，這與實(shí)際情況不同。未來的研究中要進(jìn)一步分析無外界環(huán)境補(bǔ)氣情況下燃油類型對(duì)惰化性能的影響，同時(shí)需要通過實(shí)驗(yàn)確定催化反應(yīng)器在不同入口條件下的實(shí)際效率。

[1]GRENICH A F, JOHNSON A M, DESMARAIS L A, et al. Vulnerability methodology and protctive measures for aircraft fire and explosion hazards： AFWAL-TR-85-2060[R]. Seattle: Boeing Military Airplane Company, 1986.

[2]JOHNSON R L, GILLERMAN J B. Aircraft fuel tank inerting system： ADA141863[R]. Torrance: Air Research Manufacturing Company, 1983.

[3]LANGTON R, CLARK C, HEWITT M, et al. Aircraft fuel systems[M]. New York: John Wiley & Sons, 2010: 225-237.

[4]SMITH D E. Fuel tank inerting systems for civil aircraft[D]. Colorado: Colorado State University, 2014.

[5]劉小芳, 劉衛(wèi)華. 飛機(jī)供氧和燃油箱惰化技術(shù)概況[J]. 北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2008, 18(3): 4-7.

LIU X F, LIU W H. Outline of airborne oxygen supplied and its fuel tanks inerted[J]. Journal of North China Institute of Aerospace Engineering, 2008, 18(3): 4-7 (in Chinese).

[6]JOHNSON R W, ZAKI R, YATES S F. Advanced carbon dioxide fuel tank inerting system: 7905259 B2[P]. 2011-03-15.

[7]LIMAYE S, KOENIG D. Catalytic reactive component reduction system and methods for the use thereof: 2008/0199376 A1[P]. 2008-08-21.

[8]LIMAYE S Y, ROBERTSON S, KOENIG D, et al. Reactive component reduction system and methods for the use thereof: 7896292[P]. 2011-01-13.

[9]ROBERT J R, MORRIS W, MILLER J, et al. Fuel deoxygenation and aircraft thermal management: AIAA-2006-4027[R]. Reston: AIAA, 2006.

[10]STUART R, WESLEY J, DONALD K, et al. Development of green on-board inert gas generation system (GOBIGGSTM)[EB/OL]. (2007-03-21)[2015-06-25]. http://www.fire.tc.faa.gov/2007conference /files/Fuel_Tank_Safety/ThursPM/LimayeGOBIGGS/LimayeGOBIGGS-Abs.pdf.

[11]STUART R. Announces successful FAA testing of its fuel tank safety system, to prevent TWA 800 type explosions[EB/OL]. (2007-05-15) [2015-06-25]. http://www.phyre.net/uploads/3/7/5/7/37579581/phyre_faa_testing_press_release.pdf.

[12]WALKER S, JUNG W, ROBERTSON S. Demonstration of a novel catalyst based green on board inert gas generation system (GOBIGGSTM) for fuel tank inerting[C]//69th American Helicopter Society International Annual Forum. Alexandria: The AHS International, Inc.， 2013: 550-559.

[13]劉夙春, 邱獻(xiàn)雙. 一種新型的飛機(jī)油箱催化惰化系統(tǒng)[J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2011(4): 27-29.

LIU S C, QIU X S. A new fuel tank catalytically inerting system[J]. Aeronautical Science & Technology, 2011(4): 27-29 (in Chinese).

[14]馮詩愚, 盧吉, 劉衛(wèi)華, 等. 機(jī)載制氮系統(tǒng)中空纖維膜分離特性[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2012, 27(6): 1332-1339.

FENG S Y, LU J, LIU W H, et al. Separation performance of hollow fiber membrane for on-board inerting gas generating system[J]. Journal of Aerospace Power, 2012, 27(6): 1332-1339 (in Chinese).

[15]薛勇, 劉衛(wèi)華, 馮詩愚, 等. 機(jī)載惰化系統(tǒng)中空纖維膜分離性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 45(3): 107-111.

XUE Y, LIU W H, FENG S Y, et al. Experimental study on separation performance of hollow fiber membrane for onboard inert gas generating system[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2011, 45(3): 107-111 (in Chinese).

[16]王志偉, 王學(xué)德, 劉衛(wèi)華, 等. 不同進(jìn)氣方式對(duì)某民機(jī)中央翼油箱惰化性能的影響[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2012,12(3): 172-176.

WANG Z W, WANG X D, LIU W H, et al. Influence of different distribution methods on the inerting process of a civil airplane center wing tank[J]. Journal of Safety and Environment, 2012, 12(3): 172-176 (in Chinese).

[17]馮晨曦, 劉衛(wèi)華, 馮詩愚, 等. 氣體分配方式對(duì)多隔倉燃油箱地面惰化的影響[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2011, 26(11): 2528-2533.

FENG C X, LIU W H, FENG S Y, et al. Study on ground-based inerting process influenced by different gas distribution for multi-bay fuel tank[J]. Journal of Aerospace Power, 2011, 26(11): 2528-2533 (in Chinese).

[18]CAI Y, BU X, LIN G, et al. Experimental study of an aircraft fuel tank inerting system[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2015, 28(2): 394-402.

[19]BURNS M, CAVAGE W M, MORRISON R, et al. Evaluation of fuel tank flammability and the FAA inerting system on the NASA 747 SCA: DOT/FAA/AR-04/41[R]. Washington: Office of Aviation Research, 2004.

[20]馮詩愚, 劉衛(wèi)華, 黃龍, 等. 飛機(jī)燃油箱氣相空間平衡氧濃度理論研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 43(4): 556-560.

FENG S Y, LIU W H, HUANG L, et al. Theoretical study of equilibrium oxygen concentrationon ullage in aircraft fuel tank[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2011, 43(4): 556-560 (in Chinese).

[21]童升華. 國產(chǎn)燃油理化性能與易燃性研究[D]. 南京： 南京航空航天大學(xué), 2013.

TONG S H. Research on physicochemical characteristics & flammability of domestic fuels[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013 (in Chinese) .

[22]汪明明, 馮詩愚, 蔣軍昌, 等. 飛機(jī)燃油箱沖洗與洗滌惰化技術(shù)比較分析[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 42(5): 614-619.

WANG M M, FENG S Y, JIANG J C， et al. Comparative analysis of fuel washing and scrubbing in aircraft fuel tank[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2010, 42(5): 614-619 (in Chinese).

[23]American National Standard. Standard test method for estimation of solubility of gases in petroleum liquids: Standard A D2779-92[S]. West Conshohocken, PA: ASTM, 2007.

馮詩愚男， 博士， 副教授。主要研究方向： 油箱惰性化和飛機(jī)燃油系統(tǒng)。

Tel: 025-84892105

E-mail: shiyuf@nuaa.edu.cn

邵壘男， 博士研究生。主要研究方向： 飛機(jī)油箱惰性化技術(shù)。

Tel: 025-84892105

E-mail: 165617594@qq.com

李超越男， 博士研究生。主要研究方向： 飛機(jī)燃油系統(tǒng)中的傳熱傳質(zhì)問題。

Tel: 025-84892105

E-mail: 810301978@qq.com

陳悟女， 碩士研究生。主要研究方向： 燃油惰化及強(qiáng)化傳熱技術(shù)。

Tel: 025-84892105

E-mail: 1771792949@qq.com

劉衛(wèi)華男， 博士， 教授。主要研究方向： 飛行器油箱安全防護(hù)技術(shù)。

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

. Tel.： 025-84892105E-mail: shiyuf@nuaa.edu.cn

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

時(shí)間： 2016-04-0514:31

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160405.1431.002.html

航空科學(xué)基金 (20132852040)； 南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金 (kfjj20150107)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金； 江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃 ( KYLX15_0231); 江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程基金

.Tel.： 025-84892105E-mail: shiyuf@nuaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0344

V228； TQ032.4

A

1000-6893(2016)06-1819-08

引用格式： 馮詩愚， 邵壘， 李超越， 等． 航空燃油類型對(duì)催化惰化系統(tǒng)性能的影響[J]． 航空學(xué)報(bào), 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