飞机燃油箱耗氧型惰化技术理论与实验研究

发布时间：2020-05-16 21:35

【摘要】：燃油箱易燃易爆特点严重威胁着飞机安全,必须采用有效措施以防范其发生。最新研究表明,相比于飞机上广泛应用的中空纤维膜惰化系统,基于低温催化无焰燃烧的耗氧型惰化技术具有系统结构简单,工作效率高,代偿损失小等优势。与中空纤维膜惰化系统不同,耗氧型惰化技术中,用于油箱的惰性气体并非单纯的富氮气体(NEA,Nitrogen-Enriched Air),而是包含CO_2和N_2的混合气体(MIG,Mixed Inert Gas),因此,为了实现对油箱上部空间氧浓度的控制,不仅需要掌握燃油中O_2、N_2和CO_2等气体的溶解与逸出特性,而且需要深入分析探讨MIG与NEA惰化方式及效果之间的差异。本文以耗氧型惰化技术的装机实用化为研究背景,针对目前耗氧型惰化技术的不足,通过自行搭建实验平台,就O_2、N_2和CO_2在燃油的溶解与逸出特性、混合惰性气体MIG对燃油洗涤和冲洗过程的影响、NEA与MIG惰化效果的比较与分析等问题开展了较为深入的研究;测取了国产航空燃油气体溶解与扩散系数,建立耗氧型惰化技术的理论模型,并就耗氧型惰化技术的系统设计、性能分析与惰化方案的制定开展了预先研究。本文主要工作与获得的创新性成果如下:(1)设计搭建了压力降落法实验系统,测定了不同温度、压力范围内O_2、N_2和CO_2在国产RP-3燃油中的Ostwald系数,基于所测定的数据,对ASTM D2779-92中给出的经验公式进行了修正,使之能更好地反映国产燃油气体溶解特性,结果表明:本文所提出的修正公式可将氮气和二氧化碳Ostwald系数的计算精度分别提高10%和14%;与此同时,本文还对不同温度下O_2、N_2和CO_2在国产RP-3燃油中扩散系数进行了测量,并通过对实验数据回归的方法,获得了Arrhenius方程,实现了一定温度范围内对气体在RP-3燃油中扩散系数的预测;在获得了Ostwald系数和扩散系数的基础上,本文采用Fick扩散理论有效地描述气体在燃油中的溶解与逸出规律,该研究成果可为非平衡冲洗惰化过程的理论建模提供支撑。(2)搭建了燃油洗涤惰化实验台架,对MIG和NEA洗涤惰化性能进行了实验研究,并采用了图像处理技术捕获了洗涤气泡直径大小与分布状况;给出一种洗涤效率的定义,建立了适用于MIG气体洗涤惰化理论分析模型,提出了根据气泡Feret直径来确定洗涤效率的计算方法;采用理论分析方法,对比研究了MIG和NEA洗涤惰化时气体溶解/逸出特性及气量需求。研究结果表明:MIG洗涤时油箱气/液相中的氧浓度总是高于采用NEA气体洗涤的结果;气泡Feret直径与洗涤效率呈指数关系,当气泡尺寸越小时,洗涤效率越高,为了保持较高的洗涤效率,设计洗涤器时,建议将气泡Feret直径的目标值设定为低于0.2 mm;采用本文建立的燃油洗涤惰化模型,可准确预测MIG和NEA洗涤惰化过程的参数变化。这些研究成果可为耗氧型惰化系统设计方案优化与洗涤器等核心部件设计提供参考与依据。(3)搭建了燃油箱冲洗惰化实验台架,对MIG和NEA的冲洗惰化性能开展了实验研究,并根据Fick扩散理论,建立了适用于MIG的非平衡态冲洗惰化理论模型,对比研究与分析了NEA和MIG冲洗惰化时气体溶解/逸出特性及气量需求。研究结果表明:当惰化气体中氧浓度相同时,NEA和MIG的惰化性能差异较小;若要将油箱惰化至9%氧浓度,MIG冲洗的气量需求将比NEA高出6~14%,且MIG中CO_2浓度越高,惰性气体需求量越大;当惰性气体中CO_2含量从0%增加到95%时,不同载油率下气体需求量增加约7.4%~18.24%;如受到强化传质(如油箱晃动,温度变化等)的影响,NEA惰性气体需求量将微弱增加,而MIG惰性气体需求量将大幅增加。(4)基于国产燃油理化特征,提出了一种带有外界环境补气功能的耗氧型惰化系统设计方案,并就该系统方案中影响因素展开了分析;针对飞行任务需求,将洗涤和冲洗的不同搭配方式应用于实际飞行过程,获取了本文所提出的耗氧型惰化系统方案的最优设计;拟定了比较原则,通过理论计算和分析,就中空纤维膜惰化系统与耗氧型惰化系统的性能优劣进行了定量比较。研究结果表明:本文所提出的带有外界环境补气功能的耗氧型惰化系统,可使得惰化过程更为可控;与中空纤维膜惰化技术相比,耗氧型惰化技术在引气量、系统热载荷和燃油代偿损失方面优势明显,且要求的惰化时间越短,该优势越显著。
【图文】：

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南京航空航天大学博士学位论文爆措施爆措施，，是指通过在油箱内填充防爆材料来对燃生后所造成的影响，避免灾难性事故的发生。常金属丝填充材料两类[24]。沫防爆材料如图 1.1 所示，其在 60 年代初由美国 S网状泡沫材料（Ⅰ型）标准，后来又发展了更先它们进行了标准化，1975 年又进行了修订，后又并于 1978 年重新标准化，1981 年、1984 年又进验研究工作[25-28]。前苏联也进行了一系列网状泡5-5127-82，并在苏-27 等飞机上进行了使用[29]。

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并于 1978 年重新标准化，1981 年、1984 年又验研究工作[25-28]。前苏联也进行了一系列网状泡-5127-82，并在苏-27 等飞机上进行了使用[29]。图 1.1 聚氨脂类飞机油箱防爆材料泡沫的工作原理主要是：抑爆泡沫能够将油箱内烧而导致的油箱内气体压力超过承载限度所造成曾采用过抑爆泡沫技术进行油箱防护。飞机油箱提供有效的保护，但它也带来了增加重更换周期短、经济效益差等问题。材料
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V228.11

【参考文献】