補(bǔ)氣對飛機(jī)油箱催化惰化系統(tǒng)性能的影響

李玉芳，彭孝天，彭 浩，楊阿建

（1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西西安 710089；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京 211816）

飛機(jī)燃油箱氣相空間存在空氣與燃油蒸氣的混合物，嚴(yán)重威脅著飛行安全[1-2]。機(jī)艙安全研究技術(shù)小組對1966—2009 年全世界3 726 起民機(jī)事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，共有370 起事故與油箱燃燒爆炸有關(guān)[3]。因此，美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）和美國國家運(yùn)輸安全部（National Transportation Safety Board，NTSB）均認(rèn)為惰化技術(shù)是抑制油箱燃爆的有效手段，并頒發(fā)了適航規(guī)章，要求采取有效措施降低點(diǎn)火源（SFAR88）和可燃蒸汽體積分?jǐn)?shù)，以減少運(yùn)輸類飛機(jī)燃油箱可燃性（FAR 25.981）[4-5]。中國民用航空局（Civil Aviation Administration of China，CCAC）也制定有類似的適航規(guī)章（CCAR 25.981-R4）[6]。

燃油箱惰化技術(shù)經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，大致可分為被動式和主動式。被動式是指將網(wǎng)狀鋁合金或網(wǎng)狀聚氨酯等材料填充在油箱內(nèi)部，燃燒發(fā)生時(shí)，通過抑制火焰?zhèn)鞑ニ俣葋矸乐褂拖溥^壓和爆炸[7-8]；主動式則是利用Haoln、富氮?dú)怏w或CO2等惰性氣體，置換出油箱氣相和燃油中溶解的O2，通過降低油箱氣相空間O2體積分?jǐn)?shù)來達(dá)到防火抑爆目的。目前，應(yīng)用最廣的是機(jī)載中空纖維膜制氮惰化技術(shù)（Hollow Fiber Membrane On-Board Inert Gas Generation System，HFM-OBIGGS），其基本原理是將空氣預(yù)處理后通入中空纖維膜，將O2與N2分離，富氮?dú)怏w流入油箱進(jìn)行沖洗惰化，該技術(shù)在B320、B747和C919等機(jī)型上均得到應(yīng)用[9-10]。但從實(shí)際應(yīng)用效果來看，該技術(shù)存在以下問題：1）膜絲易堵塞、分離效率下降快、壽命短；2）要求膜入口氣體壓力高，不能應(yīng)用在引氣不足的機(jī)型（如直升機(jī)）上；3）大量燃油蒸氣被排出油箱，污染環(huán)境[11-12]。

因此，國內(nèi)外學(xué)者開始研究新型的惰化系統(tǒng)，如吸附惰化[13]、冷卻惰化[14]、催化惰化[15]等。其中，催化惰化被認(rèn)為是最有可能替代HFM-OBIGGS 的下一代燃油箱惰化技術(shù)[16-18]。目前，美國Phyre公司已基于催化惰化的原理制造出樣機(jī)，并于2011年在A-3攻擊機(jī)的油箱進(jìn)行了試驗(yàn)[19]。結(jié)果表明，這種惰化方式具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：1）惰化速率快，啟動后5 min內(nèi)就可將油箱上部氣相空間O2體積分?jǐn)?shù)從21%降低至2%，而HFM-OBIGGS 則需20～30 min；2）體積小、質(zhì)量輕、耗能低；3）燃油蒸氣被消耗，環(huán)境污染小[20-21]。

燃油類型對催化惰化系統(tǒng)性能的影響非常大[22-23]。由于燃油蒸氣是反應(yīng)物，不同燃油的燃油蒸氣密度不同、組分構(gòu)成也不同[24]。如國外在進(jìn)行耗氧型惰化實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用的燃油為JP-8，其燃油蒸氣壓僅為0.6 kPa，但其催化反應(yīng)溫度高達(dá)250°C。而對于國產(chǎn)RP-3 和RP-5 燃油，燃油蒸氣壓高達(dá)6 kPa 和13.84 kPa，氧化反應(yīng)劇烈，催化反應(yīng)器有可能會產(chǎn)生飛溫，使得整個(gè)催化反應(yīng)不可控。除此之外，當(dāng)燃油蒸氣分壓非常高時(shí)，從油箱抽吸的混合氣中的O2也可能仍不足以支持燃油蒸氣完全催化氧化，從而影響惰性氣體的生成量。而在反應(yīng)器進(jìn)口補(bǔ)充一定的外部空氣，一方面可以稀釋燃油蒸氣體積分?jǐn)?shù)，防止飛溫產(chǎn)生，另一方面也為燃油蒸氣催化氧化反應(yīng)提供足夠O2，并提供更多的惰性氣體，從而提升惰化效率。但增加補(bǔ)氣的同時(shí)，進(jìn)入催化反應(yīng)器的氣體流量變大，預(yù)熱耗功以及反應(yīng)后氣體的冷卻量也將增加。因此，惰化系統(tǒng)中是否需要補(bǔ)氣以及補(bǔ)氣量如何確定須要做進(jìn)一步的研究。

鑒于此，本文在一些合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了帶補(bǔ)氣的催化惰化系統(tǒng)模型[25]，研究了在不同催化效率下，補(bǔ)氣對惰化系統(tǒng)的影響和補(bǔ)氣比的確定。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 系統(tǒng)描述及假設(shè)

帶補(bǔ)氣的催化惰化系統(tǒng)流程及主要部件前后氣體流量關(guān)系，如圖1 所示。抽取燃油箱氣相空間混合氣與補(bǔ)氣混合后流入電預(yù)熱器中，加熱至反應(yīng)溫度進(jìn)入催化反應(yīng)器，反應(yīng)后形成主要由CO2、N2構(gòu)成的惰性氣體，混合惰氣流經(jīng)冷卻器脫除水分后被注回油箱與上部空間氣體混合，從而降低氣相空間O2體積分?jǐn)?shù)，達(dá)到惰化抑爆的目的。

圖1 催化惰化系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Schematic flow chart of catalytic interting system

本文研究內(nèi)容基于如下假設(shè)：

1）燃油是由復(fù)雜的碳?xì)浠衔锝M成，本文假定其分子通式可表示為CaHb，且不考慮燃油分子中所存在的O、S、N等微量元素；

2）不考慮油箱與外界的傳熱影響，認(rèn)為油箱溫度恒為40°C，基于自持式催化燃燒特點(diǎn)，認(rèn)為進(jìn)入催化反應(yīng)器混合氣體溫度為150°C，反應(yīng)后溫度為200°C；

3）忽略管道阻力；

4）認(rèn)為H2O在冷卻器中能被完全脫除，且外界補(bǔ)氣是干燥的；

5）氣相混合過程瞬間完成，而氣體在燃油中逸出和溶解過程按照非平衡關(guān)系考慮；

6）惰化過程在地面進(jìn)行，且燃油蒸氣分壓始終按飽和蒸汽壓計(jì)算。

1.2 數(shù)學(xué)模型

在催化反應(yīng)器中，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

考慮即使反應(yīng)器中O2過量，燃油蒸氣也不可能被完全氧化成CO2和H2O，因此定義催化效率ηcat為：

式（2）中：n?cat,o,F、n?cat,i,F分別為催化反應(yīng)器進(jìn)出口燃油蒸氣的摩爾流量，mol/s。

定義補(bǔ)氣比ra為外界補(bǔ)氣流量n?2與油箱出口氣體流量n?1之比：

式（4）中：CV為反應(yīng)氣體的平均比熱，J/( mol·℃)；T0、T1和T2分別為環(huán)境溫度和反應(yīng)器前后氣體溫度，℃。

若式（5）成立，則參與反應(yīng)的O2充足，催化反應(yīng)器內(nèi)消耗的燃油蒸氣量按式（6）計(jì)算；否則，按式（7）確定。

式（5）～（7）中：xU,F、xU,O、xA,O分別為油箱上部燃油蒸氣和O2、空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)，%；n?cat,F為反應(yīng)器中消耗的燃油蒸氣摩爾流量，mol/s。

按式（8）可計(jì)算反應(yīng)器中消耗的O2量及生成的CO2、H2O量，進(jìn)而確定流出反應(yīng)器各組分摩爾流量。

反應(yīng)器中放熱量Pcat為：

式（8）中，Hu為RP-3燃油熱值，J/mol。本文在計(jì)算時(shí)認(rèn)為反應(yīng)器放熱量一部分用于將反應(yīng)氣體溫度從T1升至T2，剩余熱量被冷卻空氣帶走。

以油箱氣相空間為控制體，建立各氣體組分質(zhì)量守恒方程如下：

式（9）～（11）中：n?U,i,O、n?U,i,N、n?U,i,C、n?U,o,O、n?U,o,N和n?U,o,C分別為流入、流出油箱的O2、N2和CO2的摩爾流量，mol/s；n?A,O、n?A,N和n?A,C分別為與外界環(huán)境交換的O2、N2和CO2的摩爾流量，mol/s；p?U,O、p?U,N和p?U,C分別為油箱氣相空間各組分的壓力變化，Pa/s；VU，VF為油箱氣相、液相體積，m3；TU，TF為氣相、液相溫度，K；R為氣體常數(shù)，J/( mol ?K )。

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。壓力減小時(shí)，逸出量為正，即：

式（12）～（14）中：n?F,O、n?F,N和n?F,C分別為燃油中溶解逸出的O2、N2和CO2的摩爾流量，mol/s；βO、βN和βC分別為O2、N2和CO2的Ostwald系數(shù)。

在惰化過程中，由于進(jìn)出油箱的氣體量不同，氣體會從油箱中排出或從外界進(jìn)入油箱。因此，氣體流動狀態(tài)是從油箱排出還是流入油箱，必須從物質(zhì)總量變化來判斷。

1）當(dāng)流入油箱的氣體足夠?yàn)橛拖湓鰤簳r(shí)，即存在如下關(guān)系：

則油箱中的氣體向外界等比例排放，排出氣體量滿足關(guān)系：

2）當(dāng)流入油箱的氣體不足以為油箱增壓時(shí)，即存在如下關(guān)系：

則外界氣體流入油箱，流入氣體滿足：

同時(shí)，油箱中氣體分壓力之和與外界環(huán)境壓力pt相同，滿足：

通過油箱沖洗實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)中核心油箱模型的正確性，詳見文獻(xiàn)[22]，在此不再贅述。

2 結(jié)果與分析

本文所計(jì)算的油箱為某機(jī)型的中央翼油箱，體積為0.48 m3，以RP-3 航空燃油為研究對象，a為10.05，b為20.42。參照文獻(xiàn)[22]結(jié)果，設(shè)定油箱載油率為50%，油箱出口體積流量為30 L/min。

2.1 補(bǔ)氣比上下限

本文假設(shè)油箱內(nèi)燃油蒸氣體積分?jǐn)?shù)恒定，因而當(dāng)催化效率一定時(shí)，催化反應(yīng)所需的O2量也隨著確定。但隨著惰化的進(jìn)行，油箱上部空間O2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，為保證反應(yīng)中O2充足，外界補(bǔ)氣量應(yīng)逐漸增加，補(bǔ)氣比也在逐漸變化。為方便討論，定義補(bǔ)氣下限為惰化初始時(shí)，在一定催化效率下，燃油蒸氣恰好完全反應(yīng)所需外界補(bǔ)氣量，補(bǔ)氣上限為油箱中O2體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)，所需的外界補(bǔ)氣量。其確定方式如下，如果剛開始時(shí)，O2足夠與燃油蒸氣反應(yīng)，即：

根據(jù)前文模型，計(jì)算出燃油分別為RP-3、JP-8時(shí)，所需的補(bǔ)氣比上下限，如圖2所示。

圖2 補(bǔ)氣比隨催化效率的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between air supply ratio and catalytic efficiency

可見，對于JP-8 燃油而言，由于其燃油蒸氣壓較低，油箱內(nèi)燃油蒸氣體積分?jǐn)?shù)小，反應(yīng)所需的O2量不多，因此需補(bǔ)氣比較小。對于RP-3 航空燃油：催化效率低于臨界值時(shí)，補(bǔ)氣下限為0，即開始反應(yīng)時(shí)，油箱內(nèi)的O2含量滿足反應(yīng)消耗，無需外界補(bǔ)氣；而當(dāng)催化效率逐漸變大時(shí)，油箱氣相空間的O2含量已滿足不了反應(yīng)要求，故需補(bǔ)氣量較大，且臨界催化效率可按式（24）確定：

2.2 補(bǔ)氣對系統(tǒng)性能的影響

為了解補(bǔ)氣對催化惰化系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，計(jì)算了RP-3燃油在不同催化效率下，系統(tǒng)無補(bǔ)氣及上限補(bǔ)氣狀態(tài)時(shí)，惰化系統(tǒng)的性能變化。

2.2.1 油箱內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)

各工況下油箱氣、液相中O2體積分?jǐn)?shù)隨惰化時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3 油箱O2體積分?jǐn)?shù)隨惰化時(shí)間的變化Fig.3 Variation of oxygen concentration in tank with inerting time

無補(bǔ)氣時(shí)，催化效率為0.3、0.5、0.7 和0.9 的變化曲線重合，這是因?yàn)榇呋矢哂谂R界值后，O2量即不足，以進(jìn)入反應(yīng)器中的O2量為基準(zhǔn)；有補(bǔ)氣時(shí)，催化效率越高，則油箱氣相空間O2體積分?jǐn)?shù)降到9%所需的惰化時(shí)間越短。值得注意的是，催化效率為0.1時(shí)，增加補(bǔ)氣后，惰化時(shí)間反而增加，這是因?yàn)榇藭r(shí)催化效率低，油箱內(nèi)原有O2量已足夠滿足反應(yīng)，加入補(bǔ)氣反而使更多的O2注回油箱。

為更加直觀地得到補(bǔ)氣對惰化性能的影響，計(jì)算得到無補(bǔ)氣和補(bǔ)氣上限2 種情況下，油箱氣相空間O2體積分?jǐn)?shù)降到9%時(shí)所需的惰化時(shí)間隨催化效率的變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4 惰化時(shí)間隨催化效率的變化關(guān)系Fig.4 Variation of inerting time with catalytic efficiency

可見：無補(bǔ)氣時(shí)，惰化時(shí)間對催化效率的增大先縮短后不變；補(bǔ)氣上限時(shí)，惰化時(shí)間隨催化效率的增大一直減小，且當(dāng)催化效率大于一定值時(shí)，加入補(bǔ)氣可以縮短惰化時(shí)間。

2.2.2 預(yù)熱功率

圖5 為預(yù)熱功率隨惰化時(shí)間的變化情況?？梢姡A(yù)熱功率僅與進(jìn)入反應(yīng)器的氣量有關(guān)。無補(bǔ)氣時(shí)，預(yù)熱功率與催化效率無關(guān)；有補(bǔ)氣時(shí)，催化效率越高，補(bǔ)氣量越大，所需預(yù)熱功率也越高。

圖5 預(yù)熱功率隨惰化時(shí)間的變化Fig.5 Variation of preheating power with inerting time

2.2.3 所需冷卻空氣量

反應(yīng)器及冷卻器內(nèi)所需冷卻空氣量，如圖6 所示。對于反應(yīng)器而言，無補(bǔ)氣時(shí)：催化效率為0.3、0.5、0.7和0.9時(shí)的變化曲線重合，這是因?yàn)榇藭r(shí)以O(shè)2量為反應(yīng)基準(zhǔn)，反應(yīng)放熱量相同；催化效率0.1 時(shí)，760 s 后所需冷卻空氣量開始變化，這是因?yàn)榇呋实停?60 s 之前，油箱內(nèi)O2含量滿足反應(yīng)需求。有補(bǔ)氣時(shí)，催化效率越高，反應(yīng)越劇烈，所需的冷卻空氣量越大。對于冷卻器，有補(bǔ)氣時(shí)，催化效率越高，則冷卻器內(nèi)所需冷卻空氣量越大。由于計(jì)算中考慮了氣體組分的變化，冷卻器中所需冷卻空氣量隨惰化時(shí)間增長有輕微的升高。

圖6 所需冷卻空氣量隨惰化時(shí)間的變化Fig.6 Variation of cooling air volume with inerting time

2.3 補(bǔ)氣比的確定

為了確定最佳補(bǔ)氣比，計(jì)算了催化效率為0.4，補(bǔ)氣比取0、0.5、1、1.5、2 時(shí)系統(tǒng)的性能變化。圖7 為不同補(bǔ)氣比下油箱氣相空間O2體積分?jǐn)?shù)隨惰化時(shí)間的變化。可見，有補(bǔ)氣時(shí)，所需惰化時(shí)間變短，但催化效率一定時(shí)，并非補(bǔ)氣比越高，惰化時(shí)間越短。另外，補(bǔ)氣比的大小還影響著油箱最終O2體積分?jǐn)?shù)。

圖7 油箱氣相空間O2體積分?jǐn)?shù)隨惰化時(shí)間的變化Fig.7 Variation of oxygen concentration in tank gas phase space with inerting time

不同催化效率下，惰化時(shí)間隨補(bǔ)氣比的變化關(guān)系，如圖8 所示?？梢钥闯觯呋室欢〞r(shí)，隨補(bǔ)氣比的增大，惰化時(shí)間先縮短后變長，因而存在最優(yōu)補(bǔ)氣比，且最優(yōu)解raopt與催化效率之間近似滿足如下經(jīng)驗(yàn)公式：

圖8 惰化時(shí)間隨補(bǔ)氣比的變化關(guān)系Fig.8 Relationship between inerting time and air supplys ratio

3 結(jié)論

針對國產(chǎn)RP-3航空燃油蒸氣體積分?jǐn)?shù)高的特點(diǎn)，本文提出了1 種帶外界補(bǔ)氣的燃油箱催化惰化系統(tǒng)，并編程求解計(jì)算，得到結(jié)論如下。

1）定義了臨界催化效率，并給出了計(jì)算方法。催化效率低于臨界值，加入補(bǔ)氣反而會增加惰化時(shí)間；催化效率超過臨界值，加入補(bǔ)氣可以縮短惰化時(shí)間，但同時(shí)增加了預(yù)熱功率以及冷卻氣體流量。

2）催化效率不變時(shí)，外界補(bǔ)氣比存在最優(yōu)解，且最優(yōu)解介于上下補(bǔ)氣比之間，并與催化效率呈正相關(guān)，歸納了經(jīng)驗(yàn)公式。

3）國內(nèi)在設(shè)計(jì)催化惰化系統(tǒng)時(shí)，可加入補(bǔ)氣系統(tǒng)，在增加有限的預(yù)熱功率及冷卻氣體條件下，可大大縮短惰化時(shí)間，提升系統(tǒng)惰化性能。