低溫下航空燃油中水的存在形式和特性研究

屈元元

【摘 要】飛機燃油中不可避免地會混入水，這些水會在低溫時達到飽和并析出變成游離水，然后結(jié)冰，進而危害到飛機供油系統(tǒng)的運行，對飛行安全造成危害。因此，適航條款對飛機燃油系統(tǒng)應對燃油中水結(jié)冰的狀況均有相關(guān)規(guī)定。本文介紹了水在噴氣燃油中的存在形式，以及溫度對其溶解性的影響。此外，還分析了飛機油箱中的水循環(huán)、燃油系統(tǒng)上的冰聚集、低溫下水成核現(xiàn)象以及對細微濾網(wǎng)的影響。

【關(guān)鍵詞】低溫；航空燃油；水

中圖分類號： TQ517；TQ223.122 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）05-0045-002

【Abstract】In the jet fuel will inevitably mixed with water，the water will reach saturation at low temperature and precipitation into free water，and ice，and harm to the operation of the aircraft fuel supply system，cause a harm to the flight safety.Therefore，the airworthiness provisions have relevant provisions for the aircraft fuel system to deal with the freezing of water in fuel.This paper introduces the existence form of water in jet fuel and the effect of temperature on its solubility.In addition，the water circulation in the fuel tank，the ice accumulation on the fuel system，the nucleation phenomenon of low temperature water and the effect on the fine mesh are analyzed.

【Key words】Low temperature；Aviation fuel；Water

0 概述

研究表明，燃油中缺少芳香族化合物將引起密封劑或O型圈等橡膠材料的彈性萎縮，而導致燃油泄漏。另一方面，研究表明芳香族化合物中的水溶解性非常卓越[1]，芳香族化合物含量過高，容易導致燃油中水含量增大。綜合權(quán)衡兩方面的影響，用于商業(yè)飛行的航空燃油中的芳香族化合物含量一般約為8%。因此，航空燃油中不可避免地會有適量水分。在飛機的飛行過程中，這些水分可能轉(zhuǎn)化成冰，進而危害到飛機供油系統(tǒng)的安全運行。2008年1月一架波音777飛機在希思羅機場墜毀，空難調(diào)查部門最終的報告認為噴氣燃油中的水導致了此次事故的發(fā)生[2]。因此，適航條款對飛機燃油系統(tǒng)應對燃油中水結(jié)冰的狀況均有相關(guān)規(guī)定，眾多部門及學者開始對航空燃油中水的特性及冰的形成機理進行研究[3]。

1 水在航空燃油中的混合形式

低溫下，航空燃油中的水以三種形式存在：溶解水、乳狀水和自由水。具體如下：

a）溶解水裸眼無法看到，是燃油的組成部分。溶解水難以用機械方法將其去除，只能在燃燒時被蒸發(fā)；

b）乳狀液體是兩種或多種不能互相融合液體的混合物，其中一種液體被離散成很小的顆粒，尺寸細微，其他液體保持連續(xù)狀態(tài)。燃油中的乳狀水顯現(xiàn)出渾濁、朦朧狀，需要一定時間才會凝結(jié)或沉淀。懸浮在燃油中的乳狀水可通過油水分離器或濾網(wǎng)從燃油中去除，這些油水分離器設(shè)備中含有的纖維具有親水層，能將水滴積聚成大的液滴，使其不能長時間懸浮在燃油中，形成不穩(wěn)定的乳狀，從而可以輕易被去除；

c）自由水往往由乳狀水沉淀而成，其密度高于燃油，在燃油箱底部形成一個獨立層。飛機飛行過程中，燃油保持一段時間后，乳狀水將沉淀到燃油箱底部，在積液槽積聚成自由水。自由水通常被以燃油混合物的形式供給發(fā)動機消耗掉，此外，在日常維修中，積液槽中的自由水也可被排出。

其中，懸浮在燃油中的乳狀水和自由水被認為是燃油污染物，需通過嚴格的質(zhì)量控制測量進行管理。

2 溫度對水的溶解性的影響

研究表明，水在碳烴化合物中的溶解度隨著溫度的上升快速變化。

水從燃油中釋放出來，顯現(xiàn)出微小液滴的云霧狀。Lao等人[4]通過研究測量20L含有飽和水的JET A-1燃油的透明度發(fā)現(xiàn)，溫度高于14℃，水完全溶解，燃油有清晰的外觀；溫度低于14℃，多余的水沉淀形成一個霧狀現(xiàn)象，因此降低了燃油透明度。

3 水對燃油系統(tǒng)的影響

3.1 飛機油箱中的水循環(huán)

飛機中燃油的含水量會受到溫度變化以及油箱內(nèi)潮濕空氣的影響。在低溫下，水從燃油中蒸發(fā)，直至其在燃油中的濃度達到與燃油箱內(nèi)空氣中水分濃度的平衡。這種蒸發(fā)之后是水在無油空間油箱的金屬壁上以及燃油的冷表面上進行冷凝。建立了連續(xù)的燃油蒸發(fā)過程和燃油以上空間中剩余水汽的冷凝。蒸發(fā)過程持續(xù)到燃油上方的水蒸汽壓力達到由空氣濕度和溫度建立的平衡為止。在低于冰點的溫度下，燃油中的小液滴變成冰晶或冷凝的水在壁上凍結(jié)，或者通過成核過程在燃油表面上形成小的冰顆粒。

3.2 油箱壁和飛機燃油系統(tǒng)上的冰積聚

燃油中的水會在飛機油箱的金屬表面及燃油系統(tǒng)設(shè)備上以霜的形式進行凝結(jié)。研究表明，結(jié)霜的形成可以分為三個階段[5]：

a）晶體生長期；

b）霜層生長期；

c）霜層充分生長期。

隨著結(jié)霜過程的進展，霜層厚度和表面溫度會逐漸增加，直到達到冰水的熔融溫度。而霜層的密度和厚度取決于時間、空氣溫度、空氣速度、空氣濕度和表面溫度等因素。此外，過冷條件下的冰積聚其表面粘附強度非常小。在積冰附近較小的流體擾動就可以將其從表面上去除。

3.3 低溫下燃油中的水成核現(xiàn)象

低溫下燃油中的水成核現(xiàn)象是指通過在燃油中形成晶核的過程。在燃油中處于液體狀態(tài)能級以上的水，傾向于轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的狀態(tài)，即冰。這一過程，需要少量的能量來轉(zhuǎn)變到更穩(wěn)定的狀態(tài)。對于新的成核階段，必須先存在一個可以依托的介質(zhì)。根據(jù)介質(zhì)不同，水的成核現(xiàn)象可以分為以下兩種：

a）細菌或水分子的微晶成核（均勻成核）；

b）在外來顆粒如灰塵、銹或污垢上形成的細菌成核（異質(zhì)成核）。

經(jīng)典成核理論表明，在均勻成核的初始階段，冰晶胚芽由于自發(fā)密度或組成波動而形成。臨界尺寸的冰晶胚芽處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，需要能量來形成特定的分子簇；小于臨界尺寸的冰晶胚芽自發(fā)收縮，將能量釋放回溶液，而大于臨界尺寸的冰晶胚芽則能夠自發(fā)生長。

雖然在液態(tài)水中，H2O分子是一個個分離的簇。但是在大多數(shù)情況下，可以通過用一粒小顆粒的外部介質(zhì)將它們轉(zhuǎn)化成冰。這便是異質(zhì)成核的本質(zhì)。飛機油箱中的航空燃油可能含有微量的異物顆粒物質(zhì)，如灰塵、銹塵顆粒以及微生物等雜質(zhì)，可能為分散在燃油中的水成核提供結(jié)晶核。引入外來異質(zhì)，使得燃油中水成核現(xiàn)象變得更加模糊、復雜。它增加了許多不同的參數(shù)，這些參數(shù)目前是許多科學研究和工業(yè)項目的研究熱點。

3.4 低溫下水對細微濾網(wǎng)的影響

水對燃油系統(tǒng)細微濾網(wǎng)的影響主要取決于以下3個因素：溫度、水含量以及燃油壓力。

對于溫度的影響，試驗研究表明，隨著溫度的降低，濾網(wǎng)堵塞速度顯著增加[6]。

低溫下，燃油的含水量對冰堵塞過濾器的速率具有明顯的影響：含水量越大，越易發(fā)生堵塞。此外，這種堵塞與存在的水量不成正比，但隨著含水量的增加，堵塞發(fā)生之前通過過濾器的燃油變得越來越少。

低溫下，當燃油流速恒定時，過濾器兩端的壓降是燃油流量的函數(shù)：起初，當壓降很低，流量緩慢上升；之后，經(jīng)過一個斷點，在此之后相對小的總流量產(chǎn)生維持流速所需的壓降快速增加。即：隨著燃油流量的上升，濾網(wǎng)兩側(cè)的燃油壓差呈指數(shù)形式上升。

4 總結(jié)

航空燃油中無法避免地會存在水分，隨著溫度的降低，水分在燃油中的溶解性降低。因此，水分會逐漸析出，形成乳狀水或自由水。這兩種水由于核化現(xiàn)象會凝結(jié)成霜或者冰，從而堵塞濾網(wǎng)以及管路等燃油系統(tǒng)設(shè)備。溫度越低、燃油中水含量越大、設(shè)備兩端燃油壓差越小，越容易發(fā)生堵塞。

【參考文獻】

[1]S.Baenaa，S.L.Repettob，Dr C.P.Lawsona，et al.Behaviour of Water in Jet Fuel A Literature Review[J].Aerospace Sciences， 2013，（60）：35-44.

[2]Report on the accident to Boeing 777-236ER，G-YMMM， at London Heathrow Airport on 17 January 2008，Technical Report，Air Accident Investigation Branch，Department of Transport （UK），2010.

[3]李勇.對英航B777飛機希思羅機場跑道外墜地事故的追蹤研究[J].中國民用航空，2010，（116）：52-53.

[4]L.Lao，C.Ramshaw，H.Yeung，M.Carpenter，J.Hetherington，J.K.-W.Lam，S.Masters，S.Barley，in：SAE Technical Paper 2011-01-2794，2011.

[5]Y.Hayashi，A.Aoki，S.Adachi，K.Hori，ASME Journal of Heat Transfer Vol.99，No.1（1977）pp.239-245.

[6]John A.Krynitsky，John W.Crellin，and Homer W.Carhart. The Behavior of Water in Jet Fuels and the Clogging of Micronic Filters at Low Temperatures[J].NAVAL RESEARCH LABORATORY，1950.