不同航空動(dòng)力燃料燃燒結(jié)焦積碳性質(zhì)分析

李范+楊鵬慈

摘 要：針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃燒系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大量結(jié)焦積碳，影響航空飛行器的使用性能的問題，分別選用航空煤油和輕質(zhì)柴油為燃料，采集航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴處產(chǎn)生的兩種結(jié)焦積碳樣品，利用SEM、TEM、XRD進(jìn)行表征。結(jié)果表明：航空煤油以熱裂解方式產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚態(tài)的結(jié)焦積碳，為無定型焦炭；輕質(zhì)柴油以熱裂解和催化結(jié)焦兩種方式產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚狀和絲狀結(jié)焦積碳，為石墨結(jié)構(gòu)焦炭；航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的結(jié)焦積碳性質(zhì)與燃料的成分有關(guān)，降低其中苯環(huán)等芳烴類組分的含量，有利于減少航空燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴處的結(jié)焦積碳。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；結(jié)焦積碳；微觀形態(tài)

航空燃料燃燒時(shí)，經(jīng)常在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生結(jié)焦積碳，導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能顯著的下降。[1]為從根本上解決這一問題，本文分別采用航空煤油和輕質(zhì)柴油為燃料，收集航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴處的兩種結(jié)焦積碳樣品，利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌，X射線衍射儀分析樣品物相，探討了不同動(dòng)力燃料對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴結(jié)焦積碳的影響，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)抗結(jié)焦積碳的方法研究奠定基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)方法

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴部件上產(chǎn)生的兩套結(jié)焦積碳。兩套樣品產(chǎn)生，使用的燃料不同，分別為航空煤油和輕質(zhì)柴油，其它條件均相同，流速為7.1L/h，壓力為3.03×105Pa；噴嘴零部件的材料為高溫鈷基合金。對(duì)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴零部件上采集到的兩種結(jié)焦積碳樣品，利用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X射線衍射技術(shù)（XRD）進(jìn)行表征，對(duì)比分析兩套樣品的形貌及結(jié)構(gòu)。

2結(jié)果與討論

2.1 兩套結(jié)焦積碳宏觀形貌對(duì)比

航空煤油產(chǎn)生的結(jié)焦積碳樣品為不規(guī)則粒狀物，粒度較大且不均勻，平均粒徑約為2-3mm；由輕柴油產(chǎn)生的結(jié)焦積碳樣品粒度很小，相對(duì)均勻，平均粒徑約為0.5mm。

2.2 兩種結(jié)焦積碳的表征與分析

2.2.1 采用SEM分析，如圖1：航空煤油產(chǎn)生的結(jié)焦積碳為顆粒狀焦，而且有一定大小的、尺寸不均的球狀焦存在。輕質(zhì)柴油產(chǎn)生的結(jié)焦積碳為帶狀分布，排列整齊，有方向性，類似火山噴發(fā)后的巖漿，結(jié)焦積碳樣品表面有大小不一的顆粒沉積，且分布不均。

2.2.2 采用 TEM 分析，如圖2：航空煤油結(jié)焦積碳樣品為顆粒團(tuán)聚狀焦，輕質(zhì)柴油結(jié)焦積碳樣品為顆粒團(tuán)聚狀焦和少量絲狀焦。目前，關(guān)于結(jié)焦積碳產(chǎn)生機(jī)理的研究普遍認(rèn)為，絲狀焦是由催化結(jié)焦產(chǎn)生的，顆粒狀焦是由熱裂解結(jié)焦產(chǎn)生的，所以，航空煤油結(jié)焦積碳樣品只以熱裂解方式產(chǎn)生，而輕質(zhì)柴油結(jié)焦積碳的形成有熱裂解和催化結(jié)焦兩種方式。

2.2.3 采用XRD進(jìn)行物相分析，圖3中樣品的XRD圖譜在23.03°和43.42°出現(xiàn)尖峰，根據(jù)碳材料XRD譜圖002峰（2θ=26°左右）和101峰（2θ=42°左右）可以確定該樣品為碳，又因其它位置沒有明顯峰出現(xiàn)，可知樣品排列有序部分較少，石墨化不明顯，結(jié)構(gòu)介于無定形碳和焦炭間。圖4為輕柴油燃燒結(jié)焦積碳樣品XRD圖，可以看出有許多的尖峰，可知該結(jié)焦積碳樣品為晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)比石墨結(jié)構(gòu)特征峰可知2θ=24.94°，42.46°，61.46°，73.62°分別對(duì)應(yīng)002，101，103，104晶面，可以確定樣品成分為碳元素，由其它特征峰判斷，表面樣品結(jié)構(gòu)有序化程度良好，為石墨態(tài)的六邊形結(jié)構(gòu)。所以可知：輕質(zhì)柴油燃燒產(chǎn)生的結(jié)焦積碳是由具有六邊形碳環(huán)的石墨結(jié)構(gòu)的片層按照一定的晶體學(xué)矢量方向構(gòu)成的。

2.3 兩種動(dòng)力燃料形成結(jié)焦積碳理論分析

航空煤油中含有重芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等組分，在高溫環(huán)境下發(fā)生脫氫縮合形成更大分子的物質(zhì)，沉積在金屬表面，形成焦核，焦核繼續(xù)匯聚，脫氫，縮合形成顆粒狀積碳。當(dāng)形成的焦核較多，沉積后相互溶解，匯聚成大液滴，大液滴脫氫，縮合形成球狀積碳。航空煤油中的重組分油氣，結(jié)焦反應(yīng)是在氣相中進(jìn)行的，反應(yīng)后產(chǎn)生的微小碳粒相互團(tuán)聚，形成焦炭顆粒簇，這些不規(guī)則的焦炭顆粒簇即形成較松散的無定形焦炭。

輕質(zhì)柴油為復(fù)雜的烴類混合物，比航空煤油的粘度大，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)主要靠很細(xì)小的噴嘴，把燃料噴成霧狀的形態(tài)，才能與高壓高溫空氣充分混合，猛烈的燃燒，產(chǎn)生動(dòng)力，這種燃燒特性決定了其燃燒產(chǎn)生的結(jié)焦積碳呈現(xiàn)類似火山噴發(fā)巖漿的帶狀。在高溫環(huán)境下，噴嘴集體材料中的Fe， Ni等元素具有顯著的催化作用，這些元素與燃料形成不穩(wěn)定的碳化物，碳化物不穩(wěn)定發(fā)生分解，在碳化與分解過程中，碳析出，脫氫，形成絲狀焦碳。

3結(jié)論

1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，航空煤油燃燒產(chǎn)生的結(jié)焦積碳以熱裂解方式產(chǎn)生，為顆粒團(tuán)聚狀焦；輕質(zhì)柴油燃燒產(chǎn)生的結(jié)焦積碳以熱裂解和催化結(jié)焦兩種方式產(chǎn)生，為顆粒團(tuán)聚狀焦和少量絲狀焦；

2）航空煤油中重芳烴、膠質(zhì)、瀝青等燃燒、冷凝產(chǎn)生的結(jié)焦積碳，是一種無定型焦炭；輕質(zhì)柴油中的芳烴、環(huán)烷烴等作為結(jié)焦積碳的前驅(qū)體經(jīng)過氧化、裂化、熱解、焦化、聚合和縮合等一系列過程，形成石墨結(jié)構(gòu)的焦炭。

3）航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生結(jié)焦積碳的性質(zhì)與燃料的成分有關(guān)，降低航空燃料中的苯環(huán)等芳烴類、重芳烴、膠質(zhì)、瀝青等組分的含量，有利于減少航空燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴處的結(jié)焦積碳。

參考文獻(xiàn)：

[1]李華強(qiáng)， 費(fèi)逸偉， 姜旭峰.噴氣燃料在合金表面的碳沉積[J]. 表面技術(shù)， 2005， 34（4）： 62-64endprint