航空煤油氧化结焦特性的试验研究

摘要

航空发动机是国民经济和国防安全的重要基石之一,为进一步提升航空发动机性能水平,必须突破涡轮热防护能力瓶颈和压气机增压能力瓶颈。现今通常采用航空煤油对涡轮冷却空气进行预冷的冷却方式(Cooled Cooling Air,CCA)来提高涡轮前温度,但使用航空煤油作为冷源时,其温度会升高。此外,喷嘴内燃油受热升温的程度随压气机压比的增大而加剧。温度是影响燃油结焦最重要的因素。因此,随着航空发动机性能水平的提高,燃油在喷嘴内更易形成结焦沉积物。结焦沉积到一定程度时,会造成燃油流动异常、流道堵塞等后果,严重影响发动机的可靠性。掌握流速、温度等物理因素对燃油氧化结焦特性的影响有助于判断流道结焦程度。另一方面,可以从燃料添加剂等化学因素对燃油氧化结焦特性的影响中探索抑制结焦的方法。现代喷嘴结构复杂,国内外广泛使用增材制造技术进行制造。圆形管路是喷嘴流道的基础构型,故针对增材制造螺旋圆管研究物理因素和化学因素对燃油氧化结焦特性的影响具有重要现实意义。本文首先使用工业CT设备对部分试验件进行扫描并重建模型。结果表明,流道表面存在明显的凸起和凹坑,粗糙程度较大。经磨粒流处理后,基准管路流道表面变得相对光滑些,但在某些位置仍较为粗糙。随后,本文基于增材制造螺旋圆管,设计搭建了燃油氧化结焦试验台架,采用恒定环境温度的试验方法,研究了环境温度、入口雷诺数、试验时间、出口压力、进口温度、水力直径及磨粒流处理工艺对RP-3航空煤油氧化结焦特性的影响。结果表明,当入口雷诺数和试验时间保持恒定时,无论燃油处于静止还是流动状态,燃油结焦速率和总结焦量都随环境温度的增加而增大。不同出口压力下,燃油换热水平相近。燃油结焦速率和总结焦量都随出口压力的增大而减小,燃油总结焦量也随进口温度的升高而略微降低,出口压力和进口温度都对结焦沉积表现出一定的抑制作用。水力直径对燃油结焦量和总结焦量都存在积极的影响,但结焦速率却随水力直径的增大先减小后基本保持不变。保持试验件壁温和试验时间不变,燃油处于流动状态下,燃油结焦速率和总结焦量均随入口雷诺数的增大呈现先增加后减少的变化趋势。入口雷诺数和出口压力保持不变,燃油结焦速率随试验时间的增加而减小,而试验时间对总结焦量存在非线性的积极影响。总体上,相较于基准工况,燃油在磨粒流处理管路内的结焦速率和总结焦量皆增大,但在扫描电镜拍摄的结焦形貌下,结焦沉积物数量反而减少。最后,本文进一步研究了抗结焦涂层处理工艺及燃料添加剂对燃油氧化结焦特性的影响,探索了结焦抑制的方法。研究结果表明,由燃油结焦速率、总结焦量及扫描电镜拍摄的结焦形貌均可知,对试验件内表面进行抗结焦涂层处理是一种极为有效的抑制结焦的方式。在一定程度上,抗氧化剂2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)、金属活性抑制剂N,N’-双(亚水杨基)-1,2-丙二胺(MDA)、BHT和MDA的混合添加剂及分散剂聚异丁烯胺(PIBA)都表现出对燃油结焦沉积的抑制作用,其中30 ppm BHT和2 ppm MDA的混合添加剂表现出的抑制作用最强,2 ppm MDA表现出的最弱。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 航空煤油氧化结焦机理研究现状

1.3 航空煤油氧化结焦影响因素研究现状

1.4 本文研究目的及主要内容

第二章 试验台架及测量系统

2.1 引言

2.2 试验系统概述

2.3 试验件

2.4 试验工况

2.5 结焦量测量方法和不确定度分析

2.5.1 结焦量测量方法

2.5.2 不确定度分析

2.6 本章小结

第三章 物理因素对航空煤油氧化结焦特性影响的试验研究

3.1 引言

3.2 试验可靠性验证

3.3 静止状态

3.4 环境温度的影响

3.5 入口雷诺数的影响

3.6 试验时间的影响

3.7 出口压力的影响

3.8 进口温度的影响

3.9 水力直径的影响

3.10 磨粒流处理工艺的影响

3.11 本章小结

第四章 化学因素对航空煤油氧化结焦特性影响的试验研究

4.1 引言

4.2 抗结焦涂层处理工艺的影响

4.3 抗氧化剂(BHT)的影响

4.4 金属活性抑制剂(MDA)的影响

4.5 分散剂(PIBA)的影响

4.6 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

符号与缩写